纤维缠绕及性能表征大型工艺实验讲义编者袁象恺刘佃森东华大学材料学院2004年12月
纤维缠绕及性能表征 大型工艺实验讲义 编者 袁象恺 刘佃森 东华大学材料学院 2004 年 12 月
纤维缠绕工艺是复合材料中最具特性的一种成型工艺方法，它是由一束纤维纱浸胶后成扁带状排布，连续不断地缠在芯模上。本实验的重点在于芯模的制备、缠绕成型、NOL环的制作及性能测定。一、实验目的1、掌握芯模的制作技术；2、了解纤维缠绕工艺的基本特点，熟悉缠绕规律并学会缠绕线形的调试方法；3、观察纤维在轴对称模具上的分布状态，加深对纤维缠绕件结构特点的认识；4、掌握NOL环制作技术；5、了解NOL环性能测定的特点。二、 实验内容1、轴对称的纤维缠绕芯模制作；2、根据纤维缠绕规律与成型调试进行实际缠绕工艺操作；3、用纤维束环向缠绕制作环向缠绕圆筒并切割制作NOL环；4、NOL环性能测试（参照GB1458-88、1461-88）三、实验原理1、缠绕的基本过程纤维缠绕是连续纤维复合材料的特殊成型工艺。纤维缠绕结构的形状通常是轴对称的封闭面主体形状，连续纤维均匀的按一定规律的排布在芯模的表面上，树脂固化后就形成一个复合材料壳。这种壳式结构包括管、罐、球等，通常他们都是耐内压的结构，在内压工作状
纤维缠绕工艺是复合材料中最具特性的一种成型工艺方法，它是 由一束纤维纱浸胶后成扁带状排布，连续不断地缠在芯模上。本实验 的重点在于芯模的制备、缠绕成型、NOL 环的制作及性能测定。 一、 实验目的 1、 掌握芯模的制作技术； 2、 了解纤维缠绕工艺的基本特点，熟悉缠绕规律并学会缠绕线 形的调试方法； 3、 观察纤维在轴对称模具上的分布状态，加深对纤维缠绕件结 构特点的认识； 4、 掌握 NOL 环制作技术； 5、 了解 NOL 环性能测定的特点。 二、 实验内容 １、 轴对称的纤维缠绕芯模制作； ２、 根据纤维缠绕规律与成型调试进行实际缠绕工艺操作； ３、 用纤维束环向缠绕制作环向缠绕圆筒并切割制作 NOL 环； ４、 NOL 环性能测试（参照 GB1458-88、1461-88） 三、 实验原理 1、缠绕的基本过程: 纤维缠绕是连续纤维复合材料的特殊成型工艺。纤维缠绕结构的 形状通常是轴对称的封闭面主体形状，连续纤维均匀的按一定规律的 排布在芯模的表面上，树脂固化后就形成一个复合材料壳。这种壳式 结构包括管、罐、球等，通常他们都是耐内压的结构，在内压工作状
态下，所有壳体上的纤维都处于被拉伸的应力状态，充分发挥了连续纤维复合材料的高抗拉强度的优点。所以说，纤维缠绕结构是最能体现复合材料优点的一种复合材料制品。纤维缠绕成型工艺的重要性亦体现在此，其工艺流程图如下：玻璃纤维张力控制张力控制装置浸胶胶液配制螺旋缠绕环向缠绕缠绕机缠满芯模表面固化温度控制脱模脱模设备成品
态下，所有壳体上的纤维都处于被拉伸的应力状态，充分发挥了连续 纤维复合材料的高抗拉强度的优点。所以说，纤维缠绕结构是最能体 现复合材料优点的一种复合材料制品。纤维缠绕成型工艺的重要性亦 体现在此，其工艺流程图如下： 玻璃纤维 张力控制 浸胶 张力控制装置 胶液配制 螺旋缠绕 环向缠绕 缠 绕 机 缠满芯模表面 固化 脱模 成品 温度控制 脱模设备
2、缠绕线形的确定：已知的参数为芯模的最大直径D、极孔直径d、圆柱段长度L。、两头的对称曲面封头高L。、选择的纤维束纱片（或称为粗纱）宽度b、缠绕容器的耐压设计数p，分别按公式计算一下参数：d缠绕角α：sinα=D圆柱段单程线转角：0.=Ltgax360元D封头转角：0=90°+sin(2L.tgα-dD单程线芯模转角：0,=0。+20丝嘴往返一次芯模转角：0=(+N)x360°±nn式中：n一缠绕一个标准线在极孔的切点数；AO一时序相邻芯模转角增量。40速比：i=i.±Ai=i。n×3600b微调速比：Ai:n元DcosaDpr(螺旋缠绕层数：J=Nf cosaMM_2元Dcosα【一个缠绕循环是两层，其总的纱带数（粗纱数）］b式中：N一纱带（粗纱）的纤维股数：f一纤维的股强（实验1中数据）。哈环向缠绕层数：n=2Nmm=(每厘米长度的周长中排的纱片数）b
２、缠绕线形的确定： 已知的参数为芯模的最大直径 D 、极孔直径 d 、圆柱段长度 Lc、 两头的对称曲面封头高 Le 、选择的纤维束纱片（或称为粗纱）宽度 b 、 缠绕容器的耐压设计数 p，分别按公式计算一下参数： 缠绕角α: D d sin = 圆柱段单程线转角： c = 360 D Lc tg 封头转角： ) 2 90 sin ( 1 D Le tg d e − = + − 单程线芯模转角： t = c + 2 e 丝嘴往返一次芯模转角： n N n K n = ( + ) 360 式中: n—缠绕一个标准线在极孔的切点数； —时序相邻芯模转角增量。 速比： = = n 360 i i i i 微调速比： nDcos b i = 螺旋缠绕层数： Nf M D p J cos ) 2 ( 2 = b D M 2 cos = [一个缠绕循环是两层，其总的纱带数（粗纱数）] 式中： N —纱带（粗纱）的纤维股数； f —纤维的股强（实验 1 中数据）。 环向缠绕层数： Nfm D p n 2 2 = b m 1 = (每厘米长度的周长中排的纱片数)
一旦J和n出现小数点，则进位为整数，然后再反复算出设计容器的爆破压力p。3、MCFW-3-300微机控制纤维缠绕机简介及可实现功能：本实验使用的缠绕设备MCFW-3-300卧式微机控制纤维缠绕机是由武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所设计制造，该机采用卧式结构，三轴控制包括主轴转动、小车直线运动、伸臂直线运动；配有胶槽温控系统；缠绕机控制系统采用德国西门子数控系统，交流伺服驱动系统和交流伺服电机，可满足24小时连续工作，是目前国内配备齐全，性能先进的纤维缠绕机。具有可靠性好、适应性强、精度高的特点。主要可实现功能：（1）可以缠绕成筒形、筒形罐、球形罐。（2）具有手动、自动、回原点、故障显示、故障清除、行程限位等功能。（3）数控主要屏幕可以显示主轴转过的角度、小车已经移过的距离、伸臂已经移动的距离及主轴、小车和伸臂步移所剩距离、（4）在缠绕过程中，PC计算机可与西门子数控脱开，缠绕控制全部由西门子数控完成，可靠性强，精度高。（5）在数控主界面，按OFFSETPARAM软键，进入R参数界面；在R参数界面中R52为本螺旋层小车往返次数，R50为本螺旋层已小车往返次数，R80为一个完整螺旋层小车
一旦 J 和 n 出现小数点，则进位为整数，然后再反复算出设计容器的 爆破压力 p。 ３、MCFW-3-300 微机控制纤维缠绕机简介及可实现功能： 本实验使用的缠绕设备 MCFW-3-300 卧式微机控制纤维缠绕机 是由武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所设计制造，该机采用卧式 结构，三轴控制包括主轴转动、小车直线运动、伸臂直线运动；配有 胶槽温控系统；缠绕机控制系统采用德国西门子数控系统，交流伺服 驱动系统和交流伺服电机，可满足 24 小时连续工作，是目前国内配 备齐全，性能先进的纤维缠绕机。具有可靠性好、适应性强、精度高 的特点。 主要可实现功能： （1）可以缠绕成筒形、筒形罐、球形罐。 （2）具有手动、自动、回原点、故障显示、故障清除、行程限 位等功能。 （3）数控主要屏幕可以显示主轴转过的角度、小车已经移过的 距离、伸臂已经移动的距离及主轴、小车和伸臂步移所剩 距离、 （4）在缠绕过程中，PC 计算机可与西门子数控脱开，缠绕控制 全部由西门子数控完成，可靠性强，精度高。 （5）在数控主界面，按 OFFSETPARAM 软键，进入 R 参数界 面；在 R 参数界面中 R52 为本螺旋层小车往返次数，R50 为本螺旋层已小车往返次数，R80 为一个完整螺旋层小车