缠绕类型的选择
一种制品,应选定哪类缠绕,取决于下列因素。
1、制品的结构形状和几何尺寸
螺旋缠绕应用普遍,对于长形管状制品是为理想的。平面缠绕主要用于球形、扁椭球、长径比小于4的筒形容器的缠绕。此外,也适用于两封头不等极孔容器的缠绕。对这类容器如果采用螺旋缠绕,为保证两个极孔不同的封头实现等张力封头结构,则要求在两个封头上都按照各自的测地线缠绕,而这种双重缠绕角的实现是比较困难的。若两封头不按测地线进行缠绕,就势必要增加产品重量。而对于平面缠绕,两极孔不同则影响不大。为防止纤维打滑,平面缠绕通常采用预浸纱(干法)缠绕。同时,极孔直径一般不得超过筒体直径的30%。
2、强度要求
螺旋缠绕,纤维在筒身上交叉程度相当大,从强度观点看是不利的。因为交叉点处的纤维在承载状态下有被拉直的趋势,纤维交叉程度大就容易产生分层和损坏。其次,由于纤维交叉孔隙率偏高,而孔隙率是使制品剪切强度降低的主要原因。平面缠绕,纤维在筒体是不交叉的,而以完整的缠绕层依次逐层重叠,排列较好。因此,平面缠绕可望获得高强度,并因而减轻制品重量。
3、荷载特性
当制品受到内压以外的荷载,如火箭发动机的飞行荷载或一般弯曲荷载时,平面和环向组合缠绕的设计灵活性较大。只要改变各方向纤维的用量就能独立且方便地调整纵向和环向强度。
螺旋缠绕结构,在设计和工艺上对于内压以外荷载的适应性都较差。先分析筒形内压容器,当仅受内压荷载时,采用纯螺旋缠绕,实现等强度很困难。计算表明,纯螺旋缠绕筒体等强度缠绕角为54°44′。但无论对整个容器(包括封头和筒体)的等强度设计或是工艺上都存在困难。问题出在封头上。对于制品封头形状尺寸既定的条件下,其封头测地线也是固定的。因此,可能因54°44′远远偏离测地线缠绕角而滑线,工艺上无法实现。即使勉强不滑线,也是保证了筒身的等强度而破坏了封头等强度(等张力封头的纤维缠绕轨迹必须是测地线),给封头的设计造成困难。当r=Rsin54.7°时,筒身和封头才能同时实现等强度设计。纯螺旋缠绕对于内压以外荷载的适应性也较差。主要是缠绕角度受均匀布满几何条件限制而不能随意调整,于是在承载过程中,必然导致树脂承受较大的载荷,树脂基体的蠕变和疲劳性能趋于恶化,往往在较低纤维应力下就发生破坏。这种情况在持久荷载应力状态下更容易造成制品剪切破坏。所以纤维缠绕内压容器极少采用纯螺旋缠绕,多采用螺旋缠绕加环向的组合线型缠绕。在平面缠绕中,上述情况将会减轻。虽然平面缠绕封头纤维受力不均匀,没有等张力封头理想,但是纤维应力变化不大。当极孔与圆筒半径比r0/R= 0.4时,纤维应力变化为12%。
4、缠绕设备
究竟采用哪种类型的缠绕机,要根据制品的结构和几何尺寸、缠绕线型等综合考虑决定。一般螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕采用卧式小车环链式缠绕机。而平面缠绕或平面加环向缠绕一般采用摇臂式或跑道式缠绕机。目前,各种缠绕线型都可以在微机控制多轴缠绕机上实现。
1、制品的结构形状和几何尺寸
螺旋缠绕应用普遍,对于长形管状制品是为理想的。平面缠绕主要用于球形、扁椭球、长径比小于4的筒形容器的缠绕。此外,也适用于两封头不等极孔容器的缠绕。对这类容器如果采用螺旋缠绕,为保证两个极孔不同的封头实现等张力封头结构,则要求在两个封头上都按照各自的测地线缠绕,而这种双重缠绕角的实现是比较困难的。若两封头不按测地线进行缠绕,就势必要增加产品重量。而对于平面缠绕,两极孔不同则影响不大。为防止纤维打滑,平面缠绕通常采用预浸纱(干法)缠绕。同时,极孔直径一般不得超过筒体直径的30%。
2、强度要求
螺旋缠绕,纤维在筒身上交叉程度相当大,从强度观点看是不利的。因为交叉点处的纤维在承载状态下有被拉直的趋势,纤维交叉程度大就容易产生分层和损坏。其次,由于纤维交叉孔隙率偏高,而孔隙率是使制品剪切强度降低的主要原因。平面缠绕,纤维在筒体是不交叉的,而以完整的缠绕层依次逐层重叠,排列较好。因此,平面缠绕可望获得高强度,并因而减轻制品重量。
3、荷载特性
当制品受到内压以外的荷载,如火箭发动机的飞行荷载或一般弯曲荷载时,平面和环向组合缠绕的设计灵活性较大。只要改变各方向纤维的用量就能独立且方便地调整纵向和环向强度。
螺旋缠绕结构,在设计和工艺上对于内压以外荷载的适应性都较差。先分析筒形内压容器,当仅受内压荷载时,采用纯螺旋缠绕,实现等强度很困难。计算表明,纯螺旋缠绕筒体等强度缠绕角为54°44′。但无论对整个容器(包括封头和筒体)的等强度设计或是工艺上都存在困难。问题出在封头上。对于制品封头形状尺寸既定的条件下,其封头测地线也是固定的。因此,可能因54°44′远远偏离测地线缠绕角而滑线,工艺上无法实现。即使勉强不滑线,也是保证了筒身的等强度而破坏了封头等强度(等张力封头的纤维缠绕轨迹必须是测地线),给封头的设计造成困难。当r=Rsin54.7°时,筒身和封头才能同时实现等强度设计。纯螺旋缠绕对于内压以外荷载的适应性也较差。主要是缠绕角度受均匀布满几何条件限制而不能随意调整,于是在承载过程中,必然导致树脂承受较大的载荷,树脂基体的蠕变和疲劳性能趋于恶化,往往在较低纤维应力下就发生破坏。这种情况在持久荷载应力状态下更容易造成制品剪切破坏。所以纤维缠绕内压容器极少采用纯螺旋缠绕,多采用螺旋缠绕加环向的组合线型缠绕。在平面缠绕中,上述情况将会减轻。虽然平面缠绕封头纤维受力不均匀,没有等张力封头理想,但是纤维应力变化不大。当极孔与圆筒半径比r0/R= 0.4时,纤维应力变化为12%。
4、缠绕设备
究竟采用哪种类型的缠绕机,要根据制品的结构和几何尺寸、缠绕线型等综合考虑决定。一般螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕采用卧式小车环链式缠绕机。而平面缠绕或平面加环向缠绕一般采用摇臂式或跑道式缠绕机。目前,各种缠绕线型都可以在微机控制多轴缠绕机上实现。








































