CN110450396B - 一种复合材料管纤维缠绕成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料成型领域，尤其涉及一种复合材料管纤维缠绕成型方法。该成型方法包括：将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型；对缠绕成型后的产品进行固化成型；加工固化成型后的产品的外形尺寸。本发明针对具有超长尺寸纤维缠绕复合管，提出了一种分段缠绕成型方法，采用多点支撑缠绕的方式，以减小悬空长度，降低自重和张力对产品挠度变形的影响，保证了产品的刚度和挠度变形要求，实现了超长身管纤维缠绕成型，具有很好的实用性。

Description

一种复合材料管纤维缠绕成型方法

技术领域

本发明属于复合材料成型领域，尤其涉及一种复合材料管纤维缠绕成型方法。

背景技术

随着材料技术的飞速发展，复合材料因其与金属材料相比具有高比强度、高比刚度、优良的减振性、耐疲劳、抗腐蚀等优点，应用日益广泛。

现有技术中，对于一些产品总长度超过10m且具有高强度要求的复合管，通常采用复合材料管纤维缠绕成型。这种类型的产品自重较大，加之成型过程中需要的工装的重量也较大，致使缠绕成型过程中，受自重以及缠绕张力的影响，成型后的产品存在挠度变形较大的问题，直接影响产品的直线度，无法满足产品挠度变形不得超过0.5‰的要求。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种复合材料管纤维缠绕成型方法，以解决现有技术中受自重以及缠绕张力的影响，成型后的产品存在挠度变形较大的问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种复合材料管纤维缠绕成型方法，所述成型方法包括：

S1：将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型，其中，所述缠绕装置相对设置有两个，所述支撑工装的数量为n个，n个所述支撑工装间隔设置在两个所述缠绕装置之间，n个所述支撑工装将产品分成2n+1个缠绕成型段，所述2n+1个缠绕成型段分别为n+1个第一缠绕成型段以及n个第二缠绕成型段，所述第一缠绕成型段为支撑工装外区域的缠绕成型段，所述第二缠绕成型段为支撑工装区域上的缠绕成型段；将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型具体包括：

进行n+1个第一缠绕成型段的缠绕成型；

对n+1个缠绕成型完毕的第一缠绕成型段进行预固化处理；

n+1个第一缠绕成型段预固化处理后，将所述支撑工装拆除；

所述支撑工装拆除后，进行n个第二缠绕成型段的缠绕成型；

S2：对缠绕成型后的产品进行固化成型；

S3：加工固化成型后的产品的外形尺寸。

本发明的一种实施方案为，所述支撑工装包括：

支撑架，所述支撑架的顶部设置有弧形凹槽；

滚动件，所述滚动件设置有多个，多个所述滚动件间隔可转动地设置在所述弧形凹槽的内壁上；

固定盘，所述固定盘设置在所述多个滚动件上，所述固定盘的中部设置有固定孔；

产品芯模，所述产品芯模固定设置在所述固定盘的固定孔中。

本发明的另一种实施方案为，所述支撑工装包括：

支撑架；

固定环，所述固定环固定设置在所述支撑架的顶部；

固定盘，所述固定盘同轴设置在所述固定环内，所述固定盘的中部设置有固定孔；

支撑杆，所述支撑杆设置有多个，多个所述支撑杆绕所述固定盘的中心轴间隔设置，多个所述支撑杆的一端固定连接在所述固定环上，多个所述支撑杆的另一端均指向所述固定盘的中心轴，多个所述支撑杆的另一端和所述固定盘的周面之间具有距离；

滚动件，所述滚动件设置有多个，所述滚动件和所述支撑杆对应设置，每个所述滚动件分别设置在对应的所述支撑杆的另一端和所述固定盘的周面之间；

产品芯模，所述产品芯模固定设置在所述固定盘的固定孔中。

可选地，所述成型材料为连续纤维，所述连续纤维为碳纤维或玻璃纤维。

可选地，所述成型材料为基体树脂，所述基体树脂为环氧树脂或氰酸酯。

进一步地，所述将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型还包括：

所述第一缠绕成型段和与其相邻的所述第二缠绕成型段通过设定角度θ搭接，所述设定角度θ为所述第一缠绕成型段的轴线和所述第一缠绕成型段的母线之间的夹角，所述设定角度θ为10°～60°。

更进一步地，所述第二缠绕成型段缠绕成型时，所述第二缠绕成型段与第一缠绕成型段过渡段的轴向长度为L，其中，L≥t/tgθ，t为所述第一缠绕成型段的缠绕厚度。

进一步地，所述将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型，还包括：

若所述第一缠绕成型段和所述第二缠绕成型段的厚度大于15mm时，则采用分次缠绕的方式进行，即按照每8～15mm为一次，每次缠绕完毕后，进行预固化，然后重复上述缠绕方法至设计要求厚度。

进一步地，所述将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型，还包括：

所述第一缠绕成型段和所述第二缠绕成型段缠绕完毕后，采用吸胶纸将表面富树脂层去除。

进一步地，所述对缠绕成型后的产品进行固化成型，具体包括：

对缠绕成型后的产品进行旋转加热的方式进行固化成型。

本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，针对具有超长尺寸纤维缠绕复合管，提出了一种分段缠绕成型方法，采用多点支撑缠绕的方式，以减小悬空长度，降低自重和张力对产品挠度变形的影响，保证了产品的刚度和挠度变形要求，实现了超长身管纤维缠绕成型，具有很好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种复合材料管纤维缠绕成型方法的流程示意图；

图2为图1所示的复合材料管纤维缠绕成型状态示意图；

图3为图2中的一种支撑工装的结构示意图；

图4为图2中的另一种支撑工装的结构示意图；

图5为图2中的A处放大示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例针对具有超长尺寸纤维缠绕复合管，提出了一种分段缠绕成型方法，采用多点支撑缠绕的方式，以减小悬空长度，降低自重和张力对产品挠度变形的影响，保证了产品的刚度和挠度变形要求，实现了超长身管纤维缠绕成型，具有很好的实用性。

基于上述思想，本发明实施例提供了一种复合材料管纤维缠绕成型方法，图1为本发明实施例的一种复合材料管纤维缠绕成型方法的流程示意图，图2为图1所示的复合材料管纤维缠绕成型状态示意图，结合图1以及图2，该成型方法包括：

S1：将成型材料通过支撑工装a和缠绕装置b分段缠绕成型；

S2：对缠绕成型后的产品进行固化成型；

S3：加工固化成型后的产品的外形尺寸。

本发明实施例的S1具体包括：

本发明实施例的缠绕装置b可以为输出端转动的机构，共设置有两个，两个缠绕装置b的输出端通过产品芯模4连接，两个缠绕装置b的输出端同步转动，进而带动产品芯模4转动，以使成型材料在产品芯模4缠绕成型。

图3为图2中的一种支撑工装的结构示意图，结合图3，该支撑工装包括支撑架1、滚动件2、固定盘3以及产品芯模4，其中，支撑架1的顶部设置有弧形凹槽5，滚动件2设置有多个，多个滚动件2间隔可转动地设置在弧形凹槽5的内壁上，固定盘3设置在多个滚动件2上，固定盘3的中部设置有固定孔，产品芯模4固定设置在固定盘3的固定孔中，当产品芯模4被两个缠绕装置b驱动而转动后，带动固定盘3在弧形凹槽5上同步转动。

图4为图2中的另一种支撑工装的结构示意图，结合图4，该支撑工装包括支撑架1、滚动件2、固定盘3、产品芯模4、固定环6以及支撑杆7，其中，固定环6固定设置在支撑架1的顶部，固定盘3同轴设置在固定环6内，固定盘3的中部设置有固定孔，支撑杆7设置有多个，多个支撑杆7绕固定盘3的中心轴间隔设置，多个支撑杆7的一端固定连接在固定环6上，多个支撑杆7的另一端均指向固定盘3的中心轴，多个支撑杆7的另一端和固定盘3的周面之间具有距离，滚动件2设置有多个，滚动件2和支撑杆7对应设置，每个滚动件2分别设置在对应的支撑杆7的另一端和固定盘3的周面之间，而产品芯模4固定设置在固定盘3的固定孔中。当产品芯模4被两个缠绕装置b驱动而转动后，带动固定盘3在多个滚动件2围成的圆形空间上同步转动。

需要说明的是，上述两个实施例中，固定盘3主要用于产品芯模锁紧固定、表面防护以及提供旋转时的外形支撑结构；而固定盘3的可转动设置，主要用于产品芯模支撑以及缠绕时的旋转要求，滚动件2可以为轴承或者转轴等，本发明实施例对此不作限制，而产品芯模4的截面形状可以为圆形，或者为腰形、椭圆形等异形，本发明实施例对此不作限制。

本发明实施例中，成型材料可以为连续纤维或基体树脂，连续纤维的类型可以为碳纤维或玻璃纤维等，而基体树脂的类型可以为环氧树脂、氰酸酯或其他适用于纤维缠绕的树脂。

结合图2，本发明实施例的支撑工装a的数量为n个，n个支撑工装a间隔设置在两个缠绕装置b之间，n个支撑工装将产品分成2n+1个缠绕成型段，2n+1个缠绕成型段分别为n+1个第一缠绕成型段c以及n个第二缠绕成型段d，第一缠绕成型段c为支撑工装a外区域的缠绕成型段，第二缠绕成型段d为支撑工装c区域上的缠绕成型段。

本发明实施例中，将成型材料通过支撑工装a和缠绕装置b分段缠绕成型具体包括：

进行n+1个第一缠绕成型段的缠绕成型，使第一缠绕成型段缠绕到设计尺寸；

对n+1个缠绕成型完毕的第一缠绕成型段进行预固化处理；

n+1个第一缠绕成型段预固化处理后，将支撑工装拆除；

支撑工装拆除后，进行n个第二缠绕成型段的缠绕成型，使第二缠绕成型段缠绕到设计尺寸。

图5为图2中的A处放大示意图，结合图5，本发明实施例中，第一缠绕成型段c和与其相邻的第二缠绕成型段d之间可以通过设定角度θ搭接，该设定角度θ为第一缠绕成型段c的轴线和第一缠绕成型段d的母线之间的夹角，设定角度θ选择为10°～60°，而第二缠绕成型段d缠绕成型时，第二缠绕成型段d与第一缠绕成型段c过渡段的轴向长度(即支撑工装a前后过渡段的轴向长度)为L，其中，L≥t/tgθ，t为第一缠绕成型段的缠绕厚度。

若第一缠绕成型段c和第二缠绕成型段d的厚度大于15mm时，则采用分次缠绕的方式进行，即按照每8～15mm为一次，每次缠绕完毕后，进行预固化，然后重复上述缠绕方法至设计要求厚度，这样分层次的缠绕方式，能避免缠绕厚度过大时缠绕张力不足以及内部热应力不均导致的疏松或分层缺陷的问题。

第一缠绕成型段c和第二缠绕成型段d缠绕完毕后，采用吸胶纸将表面富树脂层去除。

本发明实施例的S2具体包括：

产品缠绕完毕后，采用旋转加热的方式进行固化成型，旋转速度控制在10r/min以内，加热方式可为烘箱加热、石英灯加热、激光加热或其他加热方式，加热要求均匀、温度可控。此外，若产品尺寸较大、厚度较大，在固化过程中，当温度超过70°时，要求每10°～20°增加一个保温段，减小固化过程中产品内部温度梯度，降低热应力。

本发明实施例的S3具体包括：

可以通过数控床加工固化成型后的产品的外形尺寸。

具体运用：

产品总长度为10m，单面厚度为20mm，内芯模截面结构为圆形，采用图3所示的结构为支撑工装，工装装夹部位的长度为150mm，设计中间支撑工装数量为4个，在长度方向上均匀分布，复合管增强纤维选用为T700-12K碳纤维，树脂选择120°固化的胺类固化体系的环氧树脂基体，具体操作包括：

复合管采用分段、分次缠绕成型，根据支撑工装数量(n＝4)，将产品分成9段缠绕成型，先进行支撑工装外区域的5段第一缠绕成型段缠绕成型，并对缠绕成型后的5段第一缠绕成型段进行预固化处理，预固化温度控制在70°～80°，处理时间控制在3h以内；因产品厚度为20mm，因此分2次缠绕成型，即单次缠绕预固化厚度为10mm；然后，将支撑工装拆除，进行支撑工装区域的4段第二缠绕成型段的缠绕成型，该支撑工装区域的4段缠绕也分2次缠绕成型，单次厚度约10mm。此外，支撑工装外区域与支撑工装区域缠绕复合层采用30°的锥角进行过渡，支撑工装区域按照350mm长度进行缠绕；

产品缠绕完毕后，采用石英灯加热固化成型，固化过程中旋转速度控制在3r/min，固化制度为室温→70°升温3h，保温2h)→90°(升温1h，保温2h)→110°(升温1h，保温2h)→120°(升温1h，保温2h)→室温。

采用数控车的方式加工固化成型后的产品的外形尺寸。

综上所述，本发明实施例针对一种超长尺寸、大厚度纤维缠绕复合管，提出了一种分段、分次缠绕成型方法，明确了工装设计要求、成型方法以及控制过程，实现了超长尺寸、大厚度纤维缠绕复合管纤维缠绕成型。

以下所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式下的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (9)

1.一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述成型方法包括：

S1：将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型，其中，所述缠绕装置相对设置有两个，所述支撑工装的数量为n个，n个所述支撑工装间隔设置在两个所述缠绕装置之间，n个所述支撑工装将产品分成2n+1个缠绕成型段，所述2n+1个缠绕成型段分别为n+1个第一缠绕成型段以及n个第二缠绕成型段，所述第一缠绕成型段为支撑工装外区域的缠绕成型段，所述第二缠绕成型段为支撑工装区域上的缠绕成型段；将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型具体包括：

进行n+1个第一缠绕成型段的缠绕成型；

对n+1个缠绕成型完毕的第一缠绕成型段进行预固化处理；

n+1个第一缠绕成型段预固化处理后，将所述支撑工装拆除；

所述支撑工装拆除后，进行n个第二缠绕成型段的缠绕成型；

S2：对缠绕成型后的产品进行固化成型；

S3：加工固化成型后的产品的外形尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述支撑工装包括：

支撑架，所述支撑架的顶部设置有弧形凹槽；

滚动件，所述滚动件设置有多个，多个所述滚动件间隔可转动地设置在所述弧形凹槽的内壁上；

固定盘，所述固定盘设置在所述多个滚动件上，所述固定盘的中部设置有固定孔；

产品芯模，所述产品芯模固定设置在所述固定盘的固定孔中。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述支撑工装包括：

支撑架；

固定环，所述固定环固定设置在所述支撑架的顶部；

固定盘，所述固定盘同轴设置在所述固定环内，所述固定盘的中部设置有固定孔；

支撑杆，所述支撑杆设置有多个，多个所述支撑杆绕所述固定盘的中心轴间隔设置，多个所述支撑杆的一端固定连接在所述固定环上，多个所述支撑杆的另一端均指向所述固定盘的中心轴，多个所述支撑杆的另一端和所述固定盘的周面之间具有距离；

滚动件，所述滚动件设置有多个，所述滚动件和所述支撑杆对应设置，每个所述滚动件分别设置在对应的所述支撑杆的另一端和所述固定盘的周面之间；

产品芯模，所述产品芯模固定设置在所述固定盘的固定孔中。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述成型材料为连续纤维，所述连续纤维为碳纤维或玻璃纤维；所述成型材料为基体树脂，所述基体树脂为环氧树脂或氰酸酯。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型还包括：

所述第一缠绕成型段和与其相邻的所述第二缠绕成型段通过设定角度θ搭接，所述设定角度θ为所述第一缠绕成型段的轴线和所述第一缠绕成型段的母线之间的夹角，所述设定角度θ为10°～60°。

6.根据权利要求5所述的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述第二缠绕成型段缠绕成型时，所述第二缠绕成型段与第一缠绕成型段过渡段的轴向长度为L，其中，L≥t/tgθ，t为所述第一缠绕成型段的缠绕厚度。

7.根据权利要求1所述的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型，还包括：

若所述第一缠绕成型段和所述第二缠绕成型段的厚度大于15mm时，则采用分次缠绕的方式进行，即按照每8～15mm为一次，每次缠绕完毕后，进行预固化，然后重复上述缠绕方法至设计要求厚度。

8.根据权利要求1所述的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述将成型材料通过支撑工装和缠绕装置分段缠绕成型，还包括：

所述第一缠绕成型段和所述第二缠绕成型段缠绕完毕后，采用吸胶纸将表面富树脂层去除。

9.根据权利要求1所述的一种复合材料管纤维缠绕成型方法，其特征在于，所述对缠绕成型后的产品进行固化成型，具体包括：

对缠绕成型后的产品进行旋转加热的方式进行固化成型。

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