1、目 录 7.1 概述概述 7.2 芯模芯模 7.3 缠绕规律缠绕规律 7.4 缠绕工艺设计缠绕工艺设计 7.5 锥体缠绕锥体缠绕概 述 7.1.1 纤维缠绕工艺的分类纤维缠绕工艺的分类 7.1.2 纤维缠绕增强塑料制品的优点纤维缠绕增强塑料制品的优点 7.1.3 原材料原材料 7.1.4 纤维缠绕工艺的应用纤维缠绕工艺的应用7.1 概述7.1.1 7.1.1 纤维缠绕工艺纤维缠绕工艺(Filament Winding)(Filament Winding)及其及其分类分类缠绕成型工艺是将缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、续纤维（或布带、预浸纱）按照一定预浸纱）按照一
2、定规律缠绕到芯模上，规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，然后经固化、脱模，获得制品。获得制品。缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机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。上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。 1. 干法缠绕干法缠绕优点：干法缠绕能够准确地控制产品质量；生产效率高，优点：干法缠绕能够准确地控制产品质量；生产效率高，缠绕速度可达缠绕速度可达100200m/min；缠绕机清洁，劳动卫生；缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。条件好，产品质量高。缺点：投资较大；制品层间剪切强度较低。缺点：投资较大
3、；制品层间剪切强度较低。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。2. 湿法缠绕湿法缠绕湿法缠绕是将无捻粗纱（或预浸布带）浸胶湿法缠绕是将无捻粗纱（或预浸布带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。优点：优点：成本比干法缠绕低成本比干法缠绕低40%；产品产品气密性好；气密性好；纤维排列平行度好；纤维排列平行度好；缠绕缠绕时树脂胶液可减少纤维磨损；时树脂胶液可减少纤维磨损；生产效率生产效率高（达高（达200m/min）此法所用设备较简
4、此法所用设备较简单，对原材料要求不高。单，对原材料要求不高。缺点：缺点：树脂浪费大，操作环境差；树脂浪费大，操作环境差；含胶量及成品质量不易控制；含胶量及成品质量不易控制；固化时固化时易产生起泡；易产生起泡； 缠绕设备如浸胶辊、张缠绕设备如浸胶辊、张力控制辊等要经常维护。力控制辊等要经常维护。3. 半干法缠绕半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加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，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，可使制品中的省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使
5、制品中的气泡含量降低。半干法使缠绕过程可以在室温下进行，气泡含量降低。半干法使缠绕过程可以在室温下进行，这样既除去了溶剂，又提高了缠绕速度和制品质量。这样既除去了溶剂，又提高了缠绕速度和制品质量。三种缠绕方法中，三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用以湿法缠绕应用最为普遍；干法最为普遍；干法缠绕仅用于高性缠绕仅用于高性能、高精度的尖能、高精度的尖端技术领域。端技术领域。缠绕法成型的示意图缠绕法成型的示意图7.1.2 纤维缠绕增强塑料制品的优点纤维缠绕增强塑料制品的优点纤维缠绕成型的优点纤维缠绕成型的优点 能够按产品的受力状况设计缠绕规律，能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；使能充
6、分发挥纤维的强度；比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻重量可减轻40-60%。思考题：为什么纤维缠绕制品的强度比其思考题：为什么纤维缠绕制品的强度比其他成型工艺制品的强度都高？他成型工艺制品的强度都高？1）一般材料的表面缺陷是影响其强度的）一般材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素。重要因素。2）一般材料的表面缺陷是影响其强度的）一般材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素。重要因素。4）缠绕成型，可以控制纤维的方向和）缠绕成型，可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构。数量，使产品实
7、现等强度结构。3）缠绕成型避免了布纹经纬交织点与短）缠绕成型避免了布纹经纬交织点与短切纤维末端的应力集中。切纤维末端的应力集中。5）缠绕成型可使增强材料纤维含量高）缠绕成型可使增强材料纤维含量高达达80。可靠性高可靠性高生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高；），故劳动生产率高；成本低成本低缠绕成型的缺点缠绕成型的缺点 缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品；是表面有凹的制品；缠绕成型需要有缠绕机，
8、芯模，固化加热炉，脱模机及缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较大的技术经济有大批量生产时才能降低成本，才能获得较大的技术经济效益。效益。7.1.3 7.1.3 原材料原材料缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和填料。脂和填料。 选择原则：选择原则：缠绕制品的使用性能要求、工艺性、经济缠绕制品的使用性能要求、工艺性、经济性。性。 增强材料增强材料 缠绕成型用的增强材料，主要是各种纤缠绕成型用的增强材料，主要
9、是各种纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳纶纤维纱及表面毡等。纶纤维纱及表面毡等。 选用要求：选用要求：（1） 航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的炭纤维航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的炭纤维和芳纶纤维。和芳纶纤维。（2）满足制品的性能要求。）满足制品的性能要求。（3）纤维必须进行表面处理。）纤维必须进行表面处理。（4）与树脂浸渍性好。）与树脂浸渍性好。（5）各股纤维张力均匀；）各股纤维张力均匀；（6）成带性好，不起毛不断头。）成带性好，不起毛不断头。树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液
10、体系。树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。2. 树脂基体树脂基体不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂环氧树脂环氧树脂双马来酰亚胺树脂双马来酰亚胺树脂选用要求：选用要求： 工艺性好。工艺性好。 树脂基体的断裂伸长率与增强材料相匹配，以便获得树脂基体的断裂伸长率与增强材料相匹配，以便获得满意的力学性能。满意的力学性能。 固化收缩率和毒性刺激性小。固化收缩率和毒性刺激性小。 来源广、价格低。来源广、价格低。作用：加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，作用：加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收缩率等。增加阻燃性和降低收缩率等。如：在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚
11、性，减小如：在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚性，减小密度降低成本等。在生产大口径地埋管道时，常加入密度降低成本等。在生产大口径地埋管道时，常加入30%石石英砂，用以提高产品的刚性和降低成本。英砂，用以提高产品的刚性和降低成本。注：为了提高填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁注：为了提高填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁和表面活性处理。和表面活性处理。 3. 填料填料7.1.4 7.1.4 纤维缠绕工艺的应用纤维缠绕工艺的应用1.1.缠绕成型技术发展现状缠绕成型技术发展现状纤维缠绕工艺最早是在纤维缠绕工艺最早是在19471947年美国开始研究的。年美国开始研究的。美国宇航局和空
12、军材料实美国宇航局和空军材料实验室研制成功复合材料固验室研制成功复合材料固体火箭发动机壳体。体火箭发动机壳体。我国在我国在19621963年总结出纤维缠绕年总结出纤维缠绕规律，设计出可缠绕各种压力容器的规律，设计出可缠绕各种压力容器的链条式缠绕机，揭开了我国缠绕成型链条式缠绕机，揭开了我国缠绕成型技术的历史。技术的历史。8080年代以后，我国自行设计制造的缠年代以后，我国自行设计制造的缠绕机技术已达到国际水平，现已进入绕机技术已达到国际水平，现已进入国际市场。国际市场。2. 2. 纤维缠绕工艺的应用纤维缠绕工艺的应用（1 1）军工和空间技术应用）军工和空间技术应用应用于军工和空间技术方面的复合
13、材料缠应用于军工和空间技术方面的复合材料缠绕制品要求精密、可靠、重量轻及经济等。绕制品要求精密、可靠、重量轻及经济等。应用实例：固体火箭发动机壳体；固体应用实例：固体火箭发动机壳体；固体火箭发动机烧蚀衬套；火箭发射筒；飞火箭发动机烧蚀衬套；火箭发射筒；飞机机头雷达罩等。机机头雷达罩等。北极星北极星A1Polaris 北极星潜地战北极星潜地战略导弹略导弹 (A1/A2/A3)规格：长规格：长.米；宽米；宽.米米 射程：海里射程：海里,公里公里, 发射重量：发射重量：公斤公斤 发射方式：二节推发射方式：二节推进；固态燃料进；固态燃料 导引系统：惯性导引系统：惯性 弹头：枚当量各弹头：枚当量各万吨多
14、重重返大气层载万吨多重重返大气层载具弹头具弹头北极星北极星A2北极星北极星A3EPKMEPKM（“长征二号长征二号E E远地远地点发动机点发动机”的英文简称）的英文简称）是原中国航天工业总公是原中国航天工业总公司河西化工机械公司研司河西化工机械公司研制开发的近地点发动机制开发的近地点发动机（图（图1 1），配合长征二号），配合长征二号E E捆绑式火箭承担外星发捆绑式火箭承担外星发射任务。射任务。燃烧室壳体材料为玻璃纤维增强塑料，采燃烧室壳体材料为玻璃纤维增强塑料，采用纤维缠绕方式。用纤维缠绕方式。随着复合材料的发展，固体火箭发动机壳体大量采用新型随着复合材料的发展，固体火箭发动机壳体大量采用新
15、型增强纤维增强纤维/树脂复合材料缠绕成型。未来反舰导弹将采用树脂复合材料缠绕成型。未来反舰导弹将采用合金钢合金钢/纤维缠绕复合壁，以减轻重量，增加强度，改善纤维缠绕复合壁，以减轻重量，增加强度，改善导弹目标红外特性。导弹目标红外特性。 （2）民品方面的应用）民品方面的应用主要表现为轻质、高强、防腐、耐久、实用、经济等主要表现为轻质、高强、防腐、耐久、实用、经济等方面，已开发的产品有高压气瓶、防腐管道、贮罐、方面，已开发的产品有高压气瓶、防腐管道、贮罐、撑竿、汽车板簧等。撑竿、汽车板簧等。最具代表性的为：最具代表性的为：压力容器压力容器 有受内压容器有受内压容器( (如各种气瓶如各种气瓶) )和
16、受外压容器和受外压容器( (如鱼雷如鱼雷) )两种。目前压力容器应用广泛，两种。目前压力容器应用广泛，如宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工具及如宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工具及医疗等方面都有应用。医疗等方面都有应用。化工管道化工管道 用于输送石油、水、天然气、化工流体用于输送石油、水、天然气、化工流体介质等，它可部分代替不锈钢，具有轻介质等，它可部分代替不锈钢，具有轻质、高强、防腐、耐久、方便的特点。质、高强、防腐、耐久、方便的特点。贮罐槽车贮罐槽车 各种用以运输或贮存酸、碱、盐、油介质各种用以运输或贮存酸、碱、盐、油介质的贮罐、槽车，具有耐腐蚀性好、重量轻、的贮罐、槽车，具有耐腐蚀性好、重量轻
17、、成型方便等优点。成型方便等优点。焦化厂用的泡罩塔焦化厂用的泡罩塔PVC-FRP意大利迪利亚斯达的葡萄酒酿造设备意大利迪利亚斯达的葡萄酒酿造设备大庆乙烯工程制造的盐酸聍槽大庆乙烯工程制造的盐酸聍槽法国法国SB公司设计制造的公司设计制造的FRP-PP武钢冷轧回收武钢冷轧回收塔是依塔是依DIN标准标准设计制造的受设计制造的受压容器压容器按按NF标准为法标准为法国国SB公司设计公司设计制造的秦皇岛制造的秦皇岛中阿磷铵洗涤中阿磷铵洗涤塔塔玻璃钢大型贮罐玻璃钢大型贮罐岳化岳化1000立方米贮罐制作现场立方米贮罐制作现场 7.2 7.2 芯模（芯模（MandrelMandrel）7.2.1 芯模材料芯模材
18、料7.2.2 芯模的结构形式芯模的结构形式7.2.3 芯模设计芯模设计成型中空制品的内模称芯模。一般情成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出。脱出。7.2.1 芯模材料芯模材料芯模设计的基本要求芯模设计的基本要求 要有足够的强度和要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；等；能满足制品形状和尺寸精度要求，能满足制品形状和尺寸精度要求，
19、如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；模），表面光洁度和平整度等；保证产保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；品固化后，能顺利从制品中脱出；制造制造简单，造价便宜，取材方便。简单，造价便宜，取材方便。缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡，和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡，水溶性聚乙烯醇，低熔点金属等。水溶性聚乙烯醇，低熔点金属等。1. 1. 常用芯模材料常用芯模材料组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有内衬
20、材结构、木材及石膏等。另外还有内衬材料，内衬材料是制品的组成部分，固化料，内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。不锈钢和铝合金等。This huge aluminum mandrel is used to filament wind the payload fairing for the Boeing Delta IV launch vehicle.2. 芯模材料对纤维缠绕制品的影响
21、芯模材料对纤维缠绕制品的影响芯模材料的膨胀系数影响制品固化后的尺寸精度；芯模材料的膨胀系数影响制品固化后的尺寸精度；芯模材料的弹性模量影响制品的力学性能及尺寸精度；芯模材料的弹性模量影响制品的力学性能及尺寸精度；芯模材料的导热高低将影响制品的固化度；芯模材料的导热高低将影响制品的固化度；芯模中的水分，严重影响树脂系统的固化。芯模中的水分，严重影响树脂系统的固化。石膏芯模与金属芯模相比有如下特点：石膏芯模与金属芯模相比有如下特点：缺点：强度低、导热性差；缺点：强度低、导热性差；优点：价格低廉、成型工艺简单、容易优点：价格低廉、成型工艺简单、容易制成各种复杂的形状，特别对不宜进行制成各种复杂的形状
22、，特别对不宜进行机械加工的大型制品更为适宜。机械加工的大型制品更为适宜。3. 3. 选择和使用芯模材料时注意的问题选择和使用芯模材料时注意的问题 选定芯模材料应根据制品的生产批量、选定芯模材料应根据制品的生产批量、尺寸形状及性能要求来确定。尺寸形状及性能要求来确定。 芯模材料不能被树脂腐蚀，不能影响树芯模材料不能被树脂腐蚀，不能影响树脂系统固化。脂系统固化。 多孔性材料使用前必须烘干。多孔性材料使用前必须烘干。 芯模材料的成分应均匀。芯模材料的成分应均匀。二、芯模的结构形式二、芯模的结构形式 实心或空心整体式芯模实心或空心整体式芯模 组合装配式芯模组合装配式芯模有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装
23、配式等。有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式等。3. 石膏隔板组合式芯模石膏隔板组合式芯模它由金属芯轴、石膏封头、石膏隔板、铝管及石膏面层组成，它由金属芯轴、石膏封头、石膏隔板、铝管及石膏面层组成，也可以用铝金属型块组合封头代替石膏封头也可以用铝金属型块组合封头代替石膏封头(如下图如下图)。石膏隔板式组合芯模石膏隔板式组合芯模1芯轴；芯轴；2金属嵌嘴；金属嵌嘴；3石膏封头；石膏封头；4麻绳；麻绳；5铝管；铝管；6石膏隔板；石膏隔板；7石膏面层石膏面层优点：制作简单，成本低、拆除方便，优点：制作简单，成本低、拆除方便，这种芯模最适用于精度要求高的大、中这种芯模最适用于精度要求高的大、中型单件或少
24、件制品，其尺寸精度可达型单件或少件制品，其尺寸精度可达1mm1mm以内。以内。缺点：高温固化石膏脱水对制品质量有缺点：高温固化石膏脱水对制品质量有影响；一个芯模仅用一次；仅适用于单影响；一个芯模仅用一次；仅适用于单件和小批量生产。件和小批量生产。管道芯模分为管道芯模分为整体式整体式和和开缩式开缩式两种，整体式芯模适用两种，整体式芯模适用于直径小于于直径小于800mm的玻璃钢管生产。整体式芯模是用的玻璃钢管生产。整体式芯模是用钢板卷筒焊接而成钢板卷筒焊接而成4.管道芯模管道芯模整体式管道芯模整体式管道芯模对其要求：一是具有经过抛光的高精度表面；二是具对其要求：一是具有经过抛光的高精度表面；二是具
25、有锥度，不小于有锥度，不小于1/1000.大于大于800mm直径的管芯模，采用开缩式芯模，芯模直径的管芯模，采用开缩式芯模，芯模壳体由经过酸洗的优质钢板卷制而成，表面经过抛光、壳体由经过酸洗的优质钢板卷制而成，表面经过抛光、打磨，具有高精度和高光洁度。打磨，具有高精度和高光洁度。开缩式管道芯模开缩式管道芯模为了提高生产效率，减少缠绕过程中装、卸管芯模的为了提高生产效率，减少缠绕过程中装、卸管芯模的时间，在缠管机上增设多轴芯模装置，它是一个圆盘时间，在缠管机上增设多轴芯模装置，它是一个圆盘回转架，架上可同时装回转架，架上可同时装36根相同或不同直径的芯模。根相同或不同直径的芯模。多轴芯模多轴芯模
26、7.2.3 芯模设计芯模设计1. 芯模设计需满足的基本要求芯模设计需满足的基本要求 能够承受缠绕过程的工作载荷、自重及加工时的能够承受缠绕过程的工作载荷、自重及加工时的机械荷载。机械荷载。 具有一定刚度、强度，在使用期间保持合乎要求具有一定刚度、强度，在使用期间保持合乎要求的尺寸。的尺寸。 能经受固化温度的作用。能经受固化温度的作用。 易于脱模易于脱模 制造简单、造价便宜、取材方便。制造简单、造价便宜、取材方便。2. 芯模设计的内容芯模设计的内容 芯模材料及结构型式的选定；芯模材料及结构型式的选定； 脱模方法及程序的制定；脱模方法及程序的制定； 总体结构与芯模零部件设计，包括刚度、强度计算。总
27、体结构与芯模零部件设计，包括刚度、强度计算。 芯模制造的技术经济指标分析。芯模制造的技术经济指标分析。3. 芯模强度、刚度计算芯模强度、刚度计算(1)芯模受力分析芯模受力分析 芯模在使用过程中，通常承受以下几种力：缠绕张力、芯模在使用过程中，通常承受以下几种力：缠绕张力、自重、机械加工切削力、惯性力及热应力。自重、机械加工切削力、惯性力及热应力。1）缠绕张力）缠绕张力纤维缠绕通常由环向缠绕和螺旋缠绕组成。张力对芯纤维缠绕通常由环向缠绕和螺旋缠绕组成。张力对芯模表面产生压力，分为径向压力和轴向压力两部分。模表面产生压力，分为径向压力和轴向压力两部分。径向压力：是由环向和螺旋缠绕纤维的缠绕张力引起
28、的。径向压力：是由环向和螺旋缠绕纤维的缠绕张力引起的。芯模所承受的径向压力芯模所承受的径向压力pr1(Pa)计算公式：计算公式：41110rnFpRa这里这里 n环向缠绕层数环向缠绕层数 F1每层纱片缠绕张力每层纱片缠绕张力(N) R芯模半径芯模半径(cm) a环向纱片宽环向纱片宽(cm)螺旋缠绕张力对芯模表面产生的径向压力螺旋缠绕张力对芯模表面产生的径向压力pr2：2422sin10rmFpaRb其中，其中，F2螺旋缠绕每层纱片张力的平均值（螺旋缠绕每层纱片张力的平均值（N); 缠绕角；缠绕角； b螺旋缠绕纱片宽螺旋缠绕纱片宽(cm) 注：缠绕纤维与芯模旋转轴线相交的夹角，称为缠绕注：缠绕纤
29、维与芯模旋转轴线相交的夹角，称为缠绕角。角。由由n层环向缠绕和层环向缠绕和m层螺旋缠绕张力对芯模表面产生的层螺旋缠绕张力对芯模表面产生的总径向压力为：总径向压力为：24122sin10rnbFmaFpRab轴向压力：缠绕张力对芯模产生的轴向压力（仅螺轴向压力：缠绕张力对芯模产生的轴向压力（仅螺旋缠绕张力的轴向分量）。旋缠绕张力的轴向分量）。2422cos10rmFpb2）机械加工切削力）机械加工切削力（2）芯模强度计算）芯模强度计算（3）芯模刚度计算）芯模刚度计算7.3 缠绕规律缠绕规律7.3.1 概述概述 7.3.1 概述概述 7.3.2 线型线型 7.3.3 转速比转速比 7.3.4 线型
30、设计线型设计7.3.1 概述概述缠绕线型必须满足两点要求：缠绕线型必须满足两点要求：（1）纤维既不重叠又不离）纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯模表面。缝，均匀连续布满芯模表面。（2）纤维在芯模表面位置）纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。稳定，不打滑。1. 缠绕规律的内容缠绕规律的内容纤维缠绕规律是研究导丝头（绕丝嘴）和芯模之间相纤维缠绕规律是研究导丝头（绕丝嘴）和芯模之间相对运动关系的规律，使纱带能均匀排布在芯模表面。对运动关系的规律，使纱带能均匀排布在芯模表面。纤维缠绕纤维缠绕就筒形压力容器的缠绕规律而言可分为环向缠绕、就筒形压力容器的缠绕规律而言可分为环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三种类型
31、，而螺旋缠绕是重点，纵向缠绕和螺旋缠绕三种类型，而螺旋缠绕是重点，环向缠绕和纵向缠绕也是在特定条件下的螺旋缠绕。环向缠绕和纵向缠绕也是在特定条件下的螺旋缠绕。分析容器的缠绕规律有标准线法和切点法两种。分析容器的缠绕规律有标准线法和切点法两种。2. 缠绕线型的分类缠绕线型的分类（1）环向缠绕（）环向缠绕（Hoop Winding）环向缠绕是芯模绕自身轴线匀速旋转，绕丝嘴沿芯模筒环向缠绕是芯模绕自身轴线匀速旋转，绕丝嘴沿芯模筒身轴线平行方向移动，芯模每转一周，绕丝嘴移动一个身轴线平行方向移动，芯模每转一周，绕丝嘴移动一个个纱片宽度。个纱片宽度。环向缠绕只在筒身段进行，不能缠封头，环向缠绕只在筒身段
32、进行，不能缠封头，邻近纱片之间相接而不相交，缠绕角通邻近纱片之间相接而不相交，缠绕角通常为常为8585-90-90。一般内压容器的成型都是采用环向缠绕一般内压容器的成型都是采用环向缠绕和纵向缠绕结合的方式。和纵向缠绕结合的方式。环向缠绕参数关系：环向缠绕参数关系：WDctgcosbDD芯模直径；芯模直径；b纱片宽；纱片宽； 缠绕角；缠绕角；W纱片螺距。纱片螺距。注：环向缠绕的缠绕角必须大于注：环向缠绕的缠绕角必须大于70 。芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向往复运动。纤维缠绕轨迹（线型）是由圆筒段的螺旋向往复运动。纤维缠绕轨迹（线
33、型）是由圆筒段的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线所组成。线和封头上与极孔相切的空间曲线所组成。螺旋缠绕螺旋缠绕（2）螺旋缠绕（）螺旋缠绕（Helical Winding)螺旋缠绕纤维在封头上提供经纬两个方向的强度，在筒螺旋缠绕纤维在封头上提供经纬两个方向的强度，在筒身段提供环向和纵向两个方向的强度。身段提供环向和纵向两个方向的强度。其缠绕角约为其缠绕角约为1270。螺旋缠绕的特点是每条纤维都对应极孔圆周上的一个螺旋缠绕的特点是每条纤维都对应极孔圆周上的一个切点；相同方向邻近纱片之间相接而不相交，不同方切点；相同方向邻近纱片之间相接而不相交，不同方向的纤维则相交。因此当纤维均匀缠满芯模表面向的
34、纤维则相交。因此当纤维均匀缠满芯模表面时，就形成了双纤维层。时，就形成了双纤维层。(3)纵向缠绕纵向缠绕纵向缠绕又称平面缠绕。纵向缠绕又称平面缠绕。特点：缠绕时，缠绕机的绕丝嘴在固定的平面内作匀速特点：缠绕时，缠绕机的绕丝嘴在固定的平面内作匀速圆周运动，芯模绕自身轴线慢速旋转，绕丝嘴每转一周，圆周运动，芯模绕自身轴线慢速旋转，绕丝嘴每转一周，芯模旋转一个微小角度，相当于芯模表面上一芯模旋转一个微小角度，相当于芯模表面上一 个纱片个纱片宽度。宽度。纱片与芯模轴线间成纱片与芯模轴线间成0 25的交角，纤维轨迹是一条的交角，纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线。单圆平面封闭曲线。纱片与芯模轴线的交角成为缠
35、绕角。纱片与芯模轴线的交角成为缠绕角。平面缠绕参数关系图平面缠绕参数关系图12012ceerrtglll由此导出：由此导出：这里这里r1,r2两封头极孔半径；两封头极孔半径；lc筒身段长度；筒身段长度；le1、le2两封头高度。两封头高度。若：若：r1=r2=r,且两封头高且两封头高度一样，则度一样，则022ecrtgll平面缠绕的速比：平面缠绕的速比：单位时间内，芯模旋转周数与导丝头单位时间内，芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比（或者芯模转一周时导丝头绕芯模绕芯模旋转的圈数比（或者芯模转一周时导丝头绕芯模旋转的圈数）。若纱片宽度为旋转的圈数）。若纱片宽度为b，缠绕角为，缠绕角为0 ，则速
36、比，则速比为：为：0cosbiD 平面缠绕适用于球形，椭球形及长径比小于平面缠绕适用于球形，椭球形及长径比小于4的短粗筒的短粗筒形容器生产。平面缠绕容器头部纤维有严重架空现象，形容器生产。平面缠绕容器头部纤维有严重架空现象，为了减少纤维架空对制品质量的影响，一般在缠绕不同为了减少纤维架空对制品质量的影响，一般在缠绕不同层次时，使缠绕角层次时，使缠绕角值在一定范围内变化，以分散纤维值在一定范围内变化，以分散纤维在端头部的堆积。在端头部的堆积。碳纤维缠绕球形容器碳纤维缠绕球形容器 纤维缠绕视频片断纤维缠绕视频片断从连续纤维螺旋缠绕规律中发现，纤维绕过极孔圆从连续纤维螺旋缠绕规律中发现，纤维绕过极孔
37、圆时，要与极孔圆相切，而在筒身段，同一层中的纤维，时，要与极孔圆相切，而在筒身段，同一层中的纤维，有交叉现象。因此，可以通过用出现在封头极孔圆上有交叉现象。因此，可以通过用出现在封头极孔圆上的切点数和出现在筒身段部分的交叉点及交叉点连线的切点数和出现在筒身段部分的交叉点及交叉点连线(亦称交带亦称交带)的数用来表征螺旋缠绕的线型特点和规律。的数用来表征螺旋缠绕的线型特点和规律。分析螺旋缠绕规律的方法有分析螺旋缠绕规律的方法有“切点法切点法”和和“标准线法标准线法”两种。两种。7.3.2 线型线型线型是连续纤维缠绕在芯模表面上的排布型式。用切线型是连续纤维缠绕在芯模表面上的排布型式。用切点法描述螺
38、旋纤维缠绕规律，就是研究线型与切点数点法描述螺旋纤维缠绕规律，就是研究线型与切点数和分布规律。和分布规律。1. 纤维在芯模表面均匀布满的条件纤维在芯模表面均匀布满的条件（1）一个完整循环的概念）一个完整循环的概念在缠绕过程中，纤维由芯模上的某点开始，经过若干在缠绕过程中，纤维由芯模上的某点开始，经过若干次往复缠绕后，又缠回到起始点上，这样在芯模上完次往复缠绕后，又缠回到起始点上，这样在芯模上完成的一次成的一次(不重复不重复)布线，就是布线，就是一个完整循环一个完整循环。一个完。一个完整循环的纤维轨迹，称为整循环的纤维轨迹，称为标准线标准线。标准线的排布型式，。标准线的排布型式，包括切点、交叉点
39、、交带及分布规律，充分反映了全包括切点、交叉点、交带及分布规律，充分反映了全部缠绕纤维的排布规律。部缠绕纤维的排布规律。（2）切点数和分布规律）切点数和分布规律螺旋缠绕的纱片，在完成一个完整循环时，在芯螺旋缠绕的纱片，在完成一个完整循环时，在芯模极孔圆周上只有一个切点，称单切点。而在一模极孔圆周上只有一个切点，称单切点。而在一个完整循环中有两个以上上切点的，称多切点。个完整循环中有两个以上上切点的，称多切点。单切点路径单切点路径1与与7为相邻切点为相邻切点缠绕路径缠绕路径其中，其中，a到到b,c到到d段为圆筒段的段为圆筒段的螺旋线。螺旋线。多切点线型在完成一个标准线型缠绕期间，相继出现多切点线
40、型在完成一个标准线型缠绕期间，相继出现的任意两个切点，可以依次排列，也可以间隔排列。的任意两个切点，可以依次排列，也可以间隔排列。当当n3、n4、n5时，其切点排列顺序如图所示。时，其切点排列顺序如图所示。（3）缠绕纤维在芯模表面均布的条件）缠绕纤维在芯模表面均布的条件 一个完整循环的诸切点等分芯模转过的角度，即各切一个完整循环的诸切点等分芯模转过的角度，即各切点均布在极孔圆周上；点均布在极孔圆周上； 前一个完整循环与相继的后一个完整循环所对应的纱前一个完整循环与相继的后一个完整循环所对应的纱片，在筒身段应错开一个纱片宽度距离。片，在筒身段应错开一个纱片宽度距离。2. 芯模转角芯模转角(即缠绕
41、中心角即缠绕中心角)与线型关系与线型关系 用用表示一个完整循环缠绕的芯模转角。绕丝嘴往返一表示一个完整循环缠绕的芯模转角。绕丝嘴往返一次，芯模转角用次，芯模转角用n表示，绕丝嘴走完一个单程，芯模表示，绕丝嘴走完一个单程，芯模转角用转角用t表示，则表示，则(n为切点数）为切点数）n =2 t=/n不同切点线型不同切点线型n不同。不同。()360/nKNnn式中，式中，K为正整数，为正整数，Kn为最简真分数，为最简真分数，(Kn十十N)值值表示不同线型，它代表某特定标准线，表示不同线型，它代表某特定标准线，n表示芯模表示芯模转角微调量转角微调量,它保证纱片既不离缝，又不重叠。它保证纱片既不离缝，又
42、不重叠。记为：记为：S0=M/n M=K+nN7.3.3 转速比转速比1. 转速比的定义转速比的定义单位时间内，芯模转数单位时间内，芯模转数M与绕丝嘴往返次数与绕丝嘴往返次数n之比，称为之比，称为速比，即完成一个完整缠绕循环，芯模转数与绕丝嘴往速比，即完成一个完整缠绕循环，芯模转数与绕丝嘴往返次数之比。即返次数之比。即i 0=M/n考虑速比微调部分，实际转速比为：考虑速比微调部分，实际转速比为：()/360360360nKiNnnn这里这里i实际速比；实际速比； M一个完整循环的芯模转数；一个完整循环的芯模转数； 芯模转角的微小增量；芯模转角的微小增量； n一个完整循环中导丝头往返数（也是切点
43、数）。一个完整循环中导丝头往返数（也是切点数）。2. 转速比与线型的关系转速比与线型的关系线型是指纤维在芯模表面的排布型式，而转速比是芯线型是指纤维在芯模表面的排布型式，而转速比是芯模与绕丝嘴相对运动的关系。它们是全然不同的概念，模与绕丝嘴相对运动的关系。它们是全然不同的概念，但是不同线型严格对应着不同的速比但是不同线型严格对应着不同的速比i，所以我们认为，所以我们认为线型在数值上等于转速比。即线型在数值上等于转速比。即i 0=S07.3.4 线型设计线型设计1. 芯模转角的计算芯模转角的计算纤维位置稳定条件：要求缠绕在芯模表面上的每条纤维纤维位置稳定条件：要求缠绕在芯模表面上的每条纤维轨迹都
44、是相应曲面的测地线。轨迹都是相应曲面的测地线。带封头的圆筒形容器测地线的确定：带封头的圆筒形容器测地线的确定：筒身段：任意缠绕角的螺旋线都是测地线。筒身段：任意缠绕角的螺旋线都是测地线。封头曲面：根据微分几何的克列洛定理，测地线方程为封头曲面：根据微分几何的克列洛定理，测地线方程为sin =r0/r测地线与封头曲面测地线与封头曲面上子午线夹角；上子午线夹角；r0封头极孔圆半径；封头极孔圆半径；r测地线与子午线交点测地线与子午线交点M处平行圆半径。处平行圆半径。当当r= r0， =/2按芯模测地线缠绕求得的芯模转角，只有等于用均匀按芯模测地线缠绕求得的芯模转角，只有等于用均匀布满两条件确定的芯模
45、转角布满两条件确定的芯模转角()360/nKNnn才能使纤维既满足了有规律均匀布满的几何条件，才能使纤维既满足了有规律均匀布满的几何条件，又满足了纤维位置稳定条件。又满足了纤维位置稳定条件。如何从制品测地线方面求取芯模转角如何从制品测地线方面求取芯模转角 ？n所谓单程线是指丝嘴运动一个单所谓单程线是指丝嘴运动一个单程程(去或回去或回)在芯模上的布线，如图在芯模上的布线，如图所示。它由一端封头极孔的切点所示。它由一端封头极孔的切点缠绕到另一端封头极孔的相对切缠绕到另一端封头极孔的相对切点，即图上的点，即图上的ABCD曲线。曲线。单程线芯模转角由单程线芯模转角由AB段对应的段对应的中心角中心角e1
46、、BC段对应的中心角段对应的中心角c和和CD段对应的中心角段对应的中心角e2组成。组成。如果两端封头相同则此时单程如果两端封头相同则此时单程线芯模转角为线芯模转角为t= c+2e单程线缠绕对应芯模转角单程线缠绕对应芯模转角圆筒段单程线芯模转角如图所示。圆筒段单程线芯模转角如图所示。将圆筒面展开，则在圆筒段上的将圆筒面展开，则在圆筒段上的螺旋线螺旋线BC变为平面上的直线变为平面上的直线BC，缠缠BC所转过的角对应的圆弧为所转过的角对应的圆弧为BC ，该弧长为，该弧长为BC=Lctg 0又又 BC= BC 0360ccDL tg所以所以0360ccL tgD即即通常采用平面假设法对封头芯模转角进行
47、计通常采用平面假设法对封头芯模转角进行计算。算。（2）封头芯模转角）封头芯模转角e的计算的计算封头缠绕芯模转角为封头缠绕芯模转角为e2（90+ ）所以所以00sineL tgrR100sineL tgrR所以单程线芯模转角所以单程线芯模转角t= c+2e=10003602(90sin)cetL tgL tgrDR2tn2. 线型的确定线型的确定(1)容器允许改变圆筒段长度容器允许改变圆筒段长度L， 0可不变，调整后的可不变，调整后的筒身段长度筒身段长度0()360ttDltg 这里这里以原长以原长L计算的，完成筒身段缠绕的芯模转角；计算的，完成筒身段缠绕的芯模转角； t以原长计算的测地线缠绕单
48、程线芯模转角；以原长计算的测地线缠绕单程线芯模转角；t满足均匀布满条件的芯模转角，由线型表查得。满足均匀布满条件的芯模转角，由线型表查得。要使得芯模转角要使得芯模转角 与与 相等，则可相等，则可nn(2)容器尺寸不许变，调整缠绕角。容器尺寸不许变，调整缠绕角。改变后的缠绕角：改变后的缠绕角：103602(90sin)thtgltgDR（3）允许改变极孔直径，根据公式）允许改变极孔直径，根据公式sin =r0/r10003602(90sin)tltghtgDR用试算法求出合适的极孔直径及缠绕角。用试算法求出合适的极孔直径及缠绕角。3. 标准线展开图标准线展开图（1）交叉点数、交带数的计算）交叉点
49、数、交带数的计算交叉点：纤维在一条完整的标准线中的重叠处称为交叉交叉点：纤维在一条完整的标准线中的重叠处称为交叉点。螺旋缠绕线型不同，其交叉点数及交叉点位置是不点。螺旋缠绕线型不同，其交叉点数及交叉点位置是不同的。同的。标准线展开图即纤维在芯模表面完成一个完整循环的缠绕标准线展开图即纤维在芯模表面完成一个完整循环的缠绕轨迹。轨迹。交叉点迹线交叉点迹线(交带交带)： 在一条完整的标准线上交叉点在在一条完整的标准线上交叉点在垂直于筒体轴线方向的连线称为交叉点迹线或交带。垂直于筒体轴线方向的连线称为交叉点迹线或交带。螺旋缠绕的线型不同，其交带数也不同。螺旋缠绕的线型不同，其交带数也不同。交叉点数：交
50、叉点数：Xn=(M-1)n交带数：交带数：Yn=M-1这里这里 M为一个完整循环的芯模转数；为一个完整循环的芯模转数； n为一个完整循环的切点数（导丝头往返次数）为一个完整循环的切点数（导丝头往返次数）（2）交叉点及交带的分布规律）交叉点及交带的分布规律1）筒身圆周被分成）筒身圆周被分成K等分，等分，K=2n;2）交带间距相等。）交带间距相等。由标准线展开图可以直观显示出不同的缠绕参数对应由标准线展开图可以直观显示出不同的缠绕参数对应的排布花纹，并显示了对应的交叉点和交带数目。的排布花纹，并显示了对应的交叉点和交带数目。1) 按按Lc和和D作筒身的展开图，并将筒身圆周分成作筒身的展开图，并将筒
