一種大直徑半球纖維復(fù)合材料纏繞方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種纏繞方法，具體涉及一種大直徑半球纖維復(fù)合材料纏繞方法，屬 于材料科學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng) 固化、脫模獲得制品的工藝技術(shù)。纖維纏繞成型工藝分為干法纏繞、濕法纏繞、半干法纏繞 三種。干法纏繞是采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后 纏繞到芯模上。由于預(yù)浸紗（或帶）是專業(yè)生產(chǎn)，能嚴(yán)格控制樹脂含量（精確到2%以內(nèi)） 和預(yù)浸紗質(zhì)量。因此，干法纏繞能夠準(zhǔn)確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。干法纏繞工藝的最大特點是生 產(chǎn)效率高，纏繞速度可達100~200m/min，纏繞機清潔，勞動衛(wèi)生條件好，產(chǎn)品質(zhì)量高。其缺 點是纏繞設(shè)備貴，需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備，故投資較大此外，干法纏繞制品的層間剪切強 度較低。濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕 法纏繞的優(yōu)點為：①成本比干法纏繞低40%;②產(chǎn)品氣密性好，因為纏繞張力使多余的樹脂 膠液將氣泡擠出，并填滿空隙；③纖維排列平行度好；④濕法纏繞時，纖維上的樹脂膠液， 可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高（達200m/min)。濕法纏繞的缺點為：①樹脂浪費大，操作環(huán) 境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少。半干法纏繞是纖 維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比， 省卻了預(yù)浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。
[0003] 纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng) 固化、脫模獲得制品的工藝技術(shù)。對于直徑大于1000 rnm以上球形復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)，采用 纖維纏繞工藝是可以最大程度發(fā)揮材料性能的最佳選擇，而且成型機械化程度高、工藝相 對簡單、工藝穩(wěn)定、省時省力；但由于制品直徑大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和模具質(zhì)量大等原因，無法在適 合小型球形壓力容器成型的球形纏繞機上成型，而且這種直徑較大半球形結(jié)構(gòu)球面極頂一 端沒有開口，不符合通用纏繞機雙軸夾持纏繞要求。如果采用鋪放對模成型工藝，且至少應(yīng) 做兩套外模，需要大量人工制作預(yù)浸料、裁剪、鋪放和合模，費時費力，成本高、周期長，如果 產(chǎn)品為夾層結(jié)構(gòu)，外蒙皮無法施加更大的壓力保證蒙皮的密實性，給成型帶來很大困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有成型技術(shù)投資大、成本高，且成型效率較低的問題，進而提出一 種大直徑半球纖維復(fù)合材料纏繞方法。
[0005] 本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明所述方法的具體步驟如下：
[0006] 步驟一、建立纏繞坐標(biāo)系：
[0007] 以芯模的平面封頭的幾何中心為原點，以芯模的軸向為Y軸，以芯模的徑向為Z 軸，以芯模的圓周方向為X軸建立XOYZ坐標(biāo)系；
[0008] 步驟二、確定纏繞軌跡；
[0009] 步驟三、確定繞絲嘴運動軌跡；
[0010] 步驟四、計算繞絲嘴運動坐標(biāo)，在半球纖維纏繞軌跡上設(shè)定若干控制點，分別計算 半球部分的繞絲嘴運動坐標(biāo)；
[0011] 步驟五、縫合繞絲嘴運動軌跡的縫合點；
[0012] 步驟六、對纏繞軌跡芯摸纏繞比進行處理。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明參照球形壓力容器設(shè)計方法，通過反復(fù)的計算和 試驗，成功實現(xiàn)了在通用纏繞機上使用半軸模具，采用纖維纏繞工藝制作大直徑帶直筒段 半球無極孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料產(chǎn)品；2、本發(fā)明將半球結(jié)構(gòu)劃分為平端面、圓柱面、半球面、球缺 端面平面四個回轉(zhuǎn)面，分別設(shè)計計算個回轉(zhuǎn)面的纏繞軌跡及相應(yīng)的纏繞軌跡控制點，然后 采用縫合技術(shù)將纏繞軌跡控制點連接到一起，實現(xiàn)了通過纏繞機點對點的精確控制，解決 了球面多層擴孔纏繞程序計算量大的難題，計算結(jié)果經(jīng)簡單調(diào)整就可直接用于纏繞，大大 減小了工作量，解決了纖維在平端面、圓柱面、球面和球缺端平面上落紗穩(wěn)定的問題；。
【附圖說明】
[0014] 圖1是纏繞坐標(biāo)系的示意圖，圖2是球面上繞絲嘴運動軌跡與纖維纏繞軌跡示意 圖，圖3是繞絲嘴運動軌跡示意圖，圖4是軌跡控制點示意圖.
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0015] 一：結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式所述一種大直徑半 球纖維復(fù)合材料纏繞方法是通過如下步驟實現(xiàn)的：
[0016] 步驟一、建立纏繞坐標(biāo)系：
[0017] 以芯模1的平面封頭1-1的幾何中心為原點，以芯模1的軸向為Y軸，以芯模1的 徑向為Z軸，以芯模1的圓周方向為X軸建立XOYZ坐標(biāo)系；
[0018] 步驟二、確定纏繞軌跡；
[0019] 步驟三、確定繞絲嘴運動軌跡；
[0020] 步驟四、計算繞絲嘴運動坐標(biāo)，在半球纖維纏繞軌跡上設(shè)定若干控制點，分別計算 半球部分的繞絲嘴運動坐標(biāo)；
[0021] 步驟五、縫合繞絲嘴運動軌跡的縫合點；
[0022] 步驟六、對纏繞軌跡芯摸纏繞比進行處理。
【具體實施方式】 [0023] 二：結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式所述一種大直徑半 球纖維復(fù)合材料纏繞方法，其特征在于：步驟四中計算繞絲嘴運動坐標(biāo)的具體步驟如下：
[0024] 步驟四（一）、輸入原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)包括半球半徑R，簡筒長度L，繞絲嘴距球面 距離St，筒段纏繞角α，沙寬方向前進量B ;
[0025] 步驟四（二）、計算落紗點距繞絲嘴距離：
[0027] 步驟四（三）、計算球面X坐標(biāo)：
[0028] 球面部分有 η 個控制點 i = 0.....n，Mi= arctg{ (sin α )· tg[ β Jarctg (F/ R)]}
[0029] 若％及JlJX1=M1，若M1SX 1JlJX1= 180+Mi，其中％表示中間變量，X11表示 主軸轉(zhuǎn)角，β 1表示控制點角度坐標(biāo)；
[0030] 步驟四（四）、計算球面Y坐標(biāo)：
[0031] Yi= (R+S t) · sin [ β i+arctg (F/R) ] · cos α (2)；
[0032] 步驟四（五）、計算球面Z坐標(biāo)：
[0034] 步驟四（六）、圓柱面有兩個控制點，輸入繞絲嘴距圓柱面距離St:
[0037] 步驟四（七）、平面封頭有5個控制點，輸入繞絲嘴距圓柱面距離St"
[0043] 其它組成及連接關(guān)系與【具體實施方式】一相同。
【具體實施方式】 [0044] 三：結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式所述一種大直徑半 球纖維復(fù)合材料纏繞方法，其特征在于：步驟六中對纏繞軌跡芯摸纏繞比進行處理的具體 步驟如下：
[0045] 步驟六（一）、計算纏繞速比：
[0047] 公式（4)中i。表示纏繞速比，乂1表示球面處主軸轉(zhuǎn)角，X' 1表示柱面處主軸轉(zhuǎn)角， X" 1表示平面處主軸轉(zhuǎn)角；
[0048] 步驟六（二）、圓整為
[0049] 公式（5)中i。表示纏繞速比，M表示正整數(shù)，k/n表示最簡真分?jǐn)?shù)，η表示切點數(shù)， B表示紗片設(shè)計寬度，D表示圓筒直徑；
[0050] 步驟六（三）、在圓整后，芯模的纏繞角總和會發(fā)生變化，產(chǎn)生變量ΔΧ ;
[0051] 步驟六（四）、將繞絲嘴纏繞角修正至滿足i的要求后，即可編程纏繞。
[0052] 其它組成及連接關(guān)系與【具體實施方式】一相同。
【主權(quán)項】
1. 一種大直徑半球纖維復(fù)合材料纏繞方法，其特征在于：所述一種大直徑半球纖維復(fù) 合材料纏繞方法是通過如下步驟實現(xiàn)的： 步驟一、建立纏繞坐標(biāo)系： W忍模（1)的平面封頭（1-1)的幾何中屯、為原點，W忍模（1)的軸向為Y軸，W忍模 (1)的徑向為Z軸，W忍模（1)的圓周方向為X軸建立XOYZ坐標(biāo)系； 步驟二、確定纏繞軌跡； 步驟=、確定繞絲嘴運動軌跡； 步驟四、計算繞絲嘴運動坐標(biāo)，在半球纖維纏繞軌跡上設(shè)定若干控制點，分別計算半球 部分的繞絲嘴運動坐標(biāo)； 步驟五、縫合繞絲嘴運動軌跡的縫合點； 步驟六、對纏繞軌跡忍摸纏繞比進行處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種大直徑半球纖維復(fù)合材料纏繞方法，其特征在于：步驟四 中計算繞絲嘴運動坐標(biāo)的具體步驟如下： 步驟四（一）、輸入原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)包括半球半徑R，簡筒長度以繞絲嘴距球面距離St，筒段纏繞角a，沙寬方向前進量B; 步驟四（二）、計算落紗點距繞絲嘴距離：步驟四（=)、計算球面X坐標(biāo)： 球面部分有n個控制點i= 0.....n，Mi=a;rctg{(sina) ?tg[Pi+a;rctg(F/ R)]} 若Mi〉Xi1則Xi=Mi，若1則Xi= 180+Mi，其中M康示中間變量，Xi康示主軸 轉(zhuǎn)角，01表示控制點角度坐標(biāo)； 步驟四（四）、計算球面Y坐標(biāo)： Yi=巧+S t) ? sin[ P i+a;rctg(F/R) ] ? cos a (2)； 步驟四（五）、計算球面Z坐標(biāo)：步驟四（六）、圓柱面有兩個控制點，輸入繞絲嘴距圓柱面距離S/ :第二點X2' =Xi' +L.tga/R，Y2' =Y/ -L，Z2' =Z/， 步驟四（屯）、平面封頭有5個控制點，輸入繞絲嘴距圓柱面距離St"第五點Xs" = 180-2a，Ys" = 0,Zs" =R。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種大直徑半球纖維復(fù)合材料纏繞方法，其特征在于：步驟六 中對纏繞軌跡忍摸纏繞比進行處理的具體步驟如下： 步驟六（一）、計算纏繞速比：公式（4)中i。表示纏繞速比，Xi表示球面處主軸轉(zhuǎn)角，X' 1表示柱面處主軸轉(zhuǎn)角，X" 1 表示平面處主軸轉(zhuǎn)角； 步驟六（二）、圓整為：公式巧）中i。表示纏繞速比，M表示正整數(shù)，k/n表示最簡真分?jǐn)?shù)，n表示切點數(shù)，B表 示紗片設(shè)計寬度，D表示圓筒直徑； 步驟六（ = )、在圓整后，忍模的纏繞角總和會發(fā)生變化，產(chǎn)生變量AX; 步驟六（四）、將繞絲嘴纏繞角修正至滿足i的要求后，即可編程纏繞。
【專利摘要】一種大直徑半球纖維復(fù)合材料纏繞方法，它涉及一種纏繞方法，具體涉及一種大直徑半球纖維復(fù)合材料纏繞方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有成型技術(shù)投資大、成本高，且成型效率較低的問題。本發(fā)明的具體步驟為步驟一、建立纏繞坐標(biāo)系：以芯模的平面封頭的幾何中心為原點，以芯模的軸向為Y軸，以芯模的徑向為Z軸，以芯模的圓周方向為X軸建立XOYZ坐標(biāo)系；步驟二、確定纏繞軌跡；步驟三、確定繞絲嘴運動軌跡；步驟四、計算繞絲嘴運動坐標(biāo)，在半球纖維纏繞軌跡上設(shè)定若干控制點，分別計算半球部分的繞絲嘴運動坐標(biāo)；步驟五、縫合繞絲嘴運動軌跡的縫合點；步驟六、對纏繞軌跡芯摸纏繞比進行處理。本發(fā)明用于材料科學(xué)領(lǐng)域。
【IPC分類】B29C70/38
【公開號】CN104999674
【申請?zhí)枴緾N201510482818
【發(fā)明人】趙洪斌, 婁小杰, 侯傳禮
【申請人】哈爾濱玻璃鋼研究院
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年8月7日