CN104999674A - 一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法 - Google Patents

Abstract

一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法，它涉及一种缠绕方法，具体涉及一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法。本发明为了解决现有成型技术投资大、成本高，且成型效率较低的问题。本发明的具体步骤为步骤一、建立缠绕坐标系：以芯模的平面封头的几何中心为原点，以芯模的轴向为Y轴，以芯模的径向为Z轴，以芯模的圆周方向为X轴建立XOYZ坐标系；步骤二、确定缠绕轨迹；步骤三、确定绕丝嘴运动轨迹；步骤四、计算绕丝嘴运动坐标，在半球纤维缠绕轨迹上设定若干控制点，分别计算半球部分的绕丝嘴运动坐标；步骤五、缝合绕丝嘴运动轨迹的缝合点；步骤六、对缠绕轨迹芯摸缠绕比进行处理。本发明用于材料科学领域。

Description

一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法

技术领域

本发明涉及一种缠绕方法，具体涉及一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法，属于材料科学领域。

背景技术

缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模获得制品的工艺技术。纤维缠绕成型工艺分为干法缠绕、湿法缠绕、半干法缠绕三种。干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱(或带)是专业生产，能严格控制树脂含量(精确到2％以内)和预浸纱质量。因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min，缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。其缺点是缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，故投资较大此外，干法缠绕制品的层间剪切强度较低。湿法缠绕是将纤维集束(纱式带)浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为：①成本比干法缠绕低40％；②产品气密性好，因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；③纤维排列平行度好；④湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；⑤生产效率高(达200m/min)。湿法缠绕的缺点为：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少。半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。

缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模获得制品的工艺技术。对于直径大于1000mm以上球形复合材料承力结构，采用纤维缠绕工艺是可以最大程度发挥材料性能的最佳选择，而且成型机械化程度高、工艺相对简单、工艺稳定、省时省力；但由于制品直径大、结构复杂和模具质量大等原因，无法在适合小型球形压力容器成型的球形缠绕机上成型，而且这种直径较大半球形结构球面极顶一端没有开口，不符合通用缠绕机双轴夹持缠绕要求。如果采用铺放对模成型工艺，且至少应做两套外模，需要大量人工制作预浸料、裁剪、铺放和合模，费时费力，成本高、周期长，如果产品为夹层结构，外蒙皮无法施加更大的压力保证蒙皮的密实性，给成型带来很大困难。

发明内容

本发明为解决现有成型技术投资大、成本高，且成型效率较低的问题，进而提出一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述方法的具体步骤如下：

步骤一、建立缠绕坐标系：

以芯模的平面封头的几何中心为原点，以芯模的轴向为Y轴，以芯模的径向为Z轴，以芯模的圆周方向为X轴建立XOYZ坐标系；

步骤二、确定缠绕轨迹；

步骤三、确定绕丝嘴运动轨迹；

步骤四、计算绕丝嘴运动坐标，在半球纤维缠绕轨迹上设定若干控制点，分别计算半球部分的绕丝嘴运动坐标；

步骤五、缝合绕丝嘴运动轨迹的缝合点；

步骤六、对缠绕轨迹芯摸缠绕比进行处理。

本发明的有益效果是：1、本发明参照球形压力容器设计方法，通过反复的计算和试验，成功实现了在通用缠绕机上使用半轴模具，采用纤维缠绕工艺制作大直径带直筒段半球无极孔结构复合材料产品；2、本发明将半球结构划分为平端面、圆柱面、半球面、球缺端面平面四个回转面，分别设计计算个回转面的缠绕轨迹及相应的缠绕轨迹控制点，然后采用缝合技术将缠绕轨迹控制点连接到一起，实现了通过缠绕机点对点的精确控制，解决了球面多层扩孔缠绕程序计算量大的难题，计算结果经简单调整就可直接用于缠绕，大大减小了工作量，解决了纤维在平端面、圆柱面、球面和球缺端平面上落纱稳定的问题；。

附图说明

图1是缠绕坐标系的示意图，图2是球面上绕丝嘴运动轨迹与纤维缠绕轨迹示意图，图3是绕丝嘴运动轨迹示意图，图4是轨迹控制点示意图.

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、建立缠绕坐标系：

以芯模1的平面封头1-1的几何中心为原点，以芯模1的轴向为Y轴，以芯模1的径向为Z轴，以芯模1的圆周方向为X轴建立XOYZ坐标系；

步骤二、确定缠绕轨迹；

步骤三、确定绕丝嘴运动轨迹；

步骤四、计算绕丝嘴运动坐标，在半球纤维缠绕轨迹上设定若干控制点，分别计算半球部分的绕丝嘴运动坐标；

步骤五、缝合绕丝嘴运动轨迹的缝合点；

步骤六、对缠绕轨迹芯摸缠绕比进行处理。

具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法，其特征在于：步骤四中计算绕丝嘴运动坐标的具体步骤如下：

步骤四(一)、输入原始数据，原始数据包括半球半径R，简筒长度L，绕丝嘴距球面距离S_t，筒段缠绕角α，沙宽方向前进量B；

步骤四(二)、计算落纱点距绕丝嘴距离：

$F=\sqrt{{(R+S_t)}^2-R^2}---\left(1\right);$

步骤四(三)、计算球面X坐标：

球面部分有n个控制点i＝0·····n，M_i＝arctg{(sinα)·tg[β_i+arctg(F/R)]}

若M_i>X_i-1则X_i＝M_i，若M_i≤X_i-1则X_i＝180+M_i，其中M_i表示中间变量，X_i-1表示主轴转角，β_i表示控制点角度坐标；

步骤四(四)、计算球面Y坐标：

Y_i＝(R+S_t)·sin[β_i+arctg(F/R)]·cosα  (2)；

步骤四(五)、计算球面Z坐标：

$Z_i=\sqrt{{\{(R+S_t)\·cos\[{\mathrm{\β}}_i+arctg(F/R)\]\}}^2+{\{(R+S_t)\·sin\[{\mathrm{\β}}_i+arctg(F/R)\]\·sin\mathrm{\α}\}}^2}---\left(3\right);$

步骤四(六)、圆柱面有两个控制点，输入绕丝嘴距圆柱面距离S_t：

第一点X₁′＝X_n，Z₁′＝R+S_t′，

第二点X₂′＝X₁′+L·tgα/R，Y₂′＝Y₁′-L，Z₂′＝Z₁′，

步骤四(七)、平面封头有5个控制点，输入绕丝嘴距圆柱面距离S_t″

第一点X₁″＝0，Y₁″＝0，Z₁″＝0，

第二点X₂″＝arctg(S_t″·tgα/R)，Y₂″＝S_t″，

第三点X₃″＝(180-2α)/2，Y₃″＝50，Z₃″＝Z₂″·cos(X₃″-X₂″)，

第四点X₄″＝180-2α-X₂″，Y₄″＝50，Z₄″＝Z₂″，

第五点X₅″＝180-2α，Y₅″＝0，Z₅″＝R。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法，其特征在于：步骤六中对缠绕轨迹芯摸缠绕比进行处理的具体步骤如下：

步骤六(一)、计算缠绕速比：

$i_0=\frac{\underset{i=0}{\overset{i=n}{\Σ}}\left(X_i\right)+\underset{i=0}{\overset{i=2}{\Σ}}\left({X_i}^{\′}\right)+\underset{i=0}{\overset{i=5}{\Σ}}\left({X_i}^{\′\′}\right)}{360}---\left(4\right),$

公式(4)中i₀表示缠绕速比，X_i表示球面处主轴转角，X′_i表示柱面处主轴转角，X″_i表示平面处主轴转角；

步骤六(二)、圆整为： $i_0\⇒M+\frac{k}{n}\±\frac{B}{n\mathrm{\π}Dcos\mathrm{\α}}=i---\left(5\right),$

公式(5)中i₀表示缠绕速比，M表示正整数，k/n表示最简真分数，n表示切点数，B表示纱片设计宽度，D表示圆筒直径；

步骤六(三)、在圆整后，芯模的缠绕角总和会发生变化，产生变量ΔX；

步骤六(四)、将绕丝嘴缠绕角修正至满足i的要求后，即可编程缠绕。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (3)

1.一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法，其特征在于：所述一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、建立缠绕坐标系：

以芯模(1)的平面封头(1-1)的几何中心为原点，以芯模(1)的轴向为Y轴，以芯模(1)的径向为Z轴，以芯模(1)的圆周方向为X轴建立XOYZ坐标系；

步骤二、确定缠绕轨迹；

步骤三、确定绕丝嘴运动轨迹；

步骤四、计算绕丝嘴运动坐标，在半球纤维缠绕轨迹上设定若干控制点，分别计算半球部分的绕丝嘴运动坐标；

步骤五、缝合绕丝嘴运动轨迹的缝合点；

步骤六、对缠绕轨迹芯摸缠绕比进行处理。

2.根据权利要求1所述一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法，其特征在于：步骤四中计算绕丝嘴运动坐标的具体步骤如下：

步骤四(一)、输入原始数据，原始数据包括半球半径R，简筒长度L，绕丝嘴距球面距离S_t，筒段缠绕角α，沙宽方向前进量B；

步骤四(二)、计算落纱点距绕丝嘴距离：

$F=\sqrt{{(R+S_t)}^2-R^2}---\left(1\right);$

步骤四(三)、计算球面X坐标：

球面部分有n个控制点i＝0·····n，M_i＝arctg{(sinα)·tg[β_i+arctg(F/R)]}

若M_i>X_i-1则X_i＝M_i，若M_i≤X_i-1则X_i＝180+M_i，其中M_i表示中间变量，X_i-1表示主轴转角，β_i表示控制点角度坐标；

步骤四(四)、计算球面Y坐标：

Y_i＝(R+S_t)·sin[β_i+arctg(F/R)]·cosα  (2)；

步骤四(五)、计算球面Z坐标：

$Z_i=\sqrt{{\{(R+S_t)\·cos\[{\mathrm{\β}}_i+arctg(F/R)\]\}}^2+{\{(R+S_t)\·sin\[{\mathrm{\β}}_i+arctg(F/R)\]\·sin\mathrm{\α}\}}^2}---\left(3\right);$

步骤四(六)、圆柱面有两个控制点，输入绕丝嘴距圆柱面距离S_t′：

第一点X₁′＝X_n， $Y_1^{\′}=\frac{-\sqrt{{(R+{S_t}^{\′})}^2-R^2}}{tg\mathrm{\α}},$ Z₁′＝R+S_t′，

第二点X₂′＝X₁′+L·tgα/R，Y₂′＝Y₁′-L，Z₂′＝Z₁′，

步骤四(七)、平面封头有5个控制点，输入绕丝嘴距圆柱面距离S_t″

第一点X₁″＝0，Y₁″＝0，Z₁″＝0，

第二点X₂″＝arctg(S_t″·tgα/R)，Y₂″＝S_t″，

第三点X₃″＝(180-2α)/2，Y₃″＝50，Z₃″＝Z₂″·cos(X₃″-X₂″)，

第四点X₄″＝180-2α-X₂″，Y₄″＝50，Z₄″＝Z₂″，

第五点X₅″＝180-2α，Y₅″＝0，Z₅″＝R。

3.根据权利要求1所述一种大直径半球纤维复合材料缠绕方法，其特征在于：步骤六中对缠绕轨迹芯摸缠绕比进行处理的具体步骤如下：

步骤六(一)、计算缠绕速比：

$i_0=\frac{\underset{i=0}{\overset{i=n}{\Σ}}\left(X_i\right)+\underset{i=0}{\overset{i=2}{\Σ}}\left({X_i}^{\′}\right)+\underset{i=0}{\overset{i=5}{\Σ}}\left({X_i}^{\′\′}\right)}{360}---\left(4\right),$

公式(4)中i₀表示缠绕速比，X_i表示球面处主轴转角，X′_i表示柱面处主轴转角，X″_i表示平面处主轴转角；

步骤六(二)、圆整为： $i_0\⇒M+\frac{k}{n}\±\frac{B}{n\mathrm{\π}Dcos\mathrm{\α}}=i---\left(5\right),$

公式(5)中i₀表示缠绕速比，M表示正整数，k/n表示最简真分数，n表示切点数，B表示纱片设计宽度，D表示圆筒直径；

步骤六(三)、在圆整后，芯模的缠绕角总和会发生变化，产生变量ΔX；

步骤六(四)、将绕丝嘴缠绕角修正至满足i的要求后，即可编程缠绕。