1 引言
    随着玻璃钢材料及其制品在各个行业被广泛采用，其独特的优越性能已被各个行业所肯定。针对不同的行业，玻璃钢材料的新型产品层出不穷。
    玻璃钢的质量轻，强度高，耐腐蚀，寿命长，耐气候，阻燃，耐高温等性能得到了广泛的应用。随着各行业逐步加大使用玻璃钢材质产品的力度，玻璃钢的力学性能和成型工艺将面临巨大挑战。玻璃钢的成型工艺，决定玻璃钢产品的形状和应用前景。玻璃钢的力学性能要求，则决定了玻璃钢能否在力学性能要求较高的行业有较大的发展空间。
    方形端面的大口径管道式玻璃钢产品的应用，在市场上并不多见。与其存在的强度差，易变形等缺陷有关。比如，长宽各一米以上的方型管道，国内的主要成型工艺是手糊，浇铸，注射等。此三种玻璃钢产品其本身的强度就比较差，而且容易变形。拉挤工艺强度比较好，但没有办法解决大口径方管产品的一次成型问题。
    针对以上问题，本文就大口径方型管道进行了“缠绕工艺”研究和试验。经过研究和试验，次研发出了“大口径方管缠绕技术”。这一技术很好的解决了大口径方管所需要的力学性能。强度高，不变形，成本低。相对手糊等工艺，其弯曲强度，剪切强度增加了至少2倍以上。相同产品成本也只是手糊成型产品的70％左右，详见下表：
    玻璃钢大口径缠绕方管和手糊方管的主要性能及制作参数比较：（以相同的树脂和纤维制作样品，相同规格和相同壁厚）
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    大口径方管缠绕技术，已在玻璃钢烟囱，玻璃钢大型方管道，大型玻璃钢方形防火风门，玻璃钢方形水箱等产品中大量使用。使用效果十分突出。
    本文中将研究采用湿法缠绕工艺成型方管，这一技术的采用，将会使产品的内在质量和外观质量都得到显著提升。
2 大口径方管缠绕技术问题及解决措施
2.1 缠绕模型建立
    目前应用的大多数缠绕机及缠绕原理都是针对回转几何体的，是不能满足方管缠绕要求的，若想使用现有的设备和理论来进行方管缠绕，需要根据产品缠绕工艺要求对缠绕设备输入参数进行重新确定；对于圆管缠绕而言，一般输入的主要参数有直径、长度、缠绕角、缠绕前进量等。
    目前应用的大多数缠绕机一般拥有三种运动方式，种是芯模绕自身轴线的匀速转动，第二种是缠绕机绕丝嘴沿芯模自身轴线方向的匀速直线往复运动，第三种是缠绕机绕丝嘴沿垂直芯模自身轴线方向的伸臂运动。通过这三种基本运动按缠绕规律进行组合，来实现对缠绕制品的缠绕成型的。在进行圆管的筒段缠绕时，芯模绕自身轴线的匀速转动与缠绕机绕丝嘴沿芯模自身轴线方向的匀速直线往复运动之间存在一个定值一“速比”，“速比”保证缠绕纤维在圆管的筒段具有稳定的缠绕角和缠绕前进量。在圆管筒段缠绕时，缠绕纤维方向是随着外筒表面渐变的；在进行方管筒段缠绕时，缠绕纤维方向是随方管外表面变化呈阶梯性突变的。 
    在缠绕研究中，建立方管缠绕模型如下图1；缠绕机方管的纤维缠绕是按虚拟圆管进行缠绕控制的，虚拟圆管的直径为方管截面的外接圆，虚拟圆管与方管在方管的四条棱线处相交，方管在该处的缠绕纤维落点与虚拟圆管相同，方管的纤维缠绕轨迹由这些缠绕纤维落点确定。在实际进行方管缠绕时，利用在缠绕机上输入虚拟圆管的缠绕控制参数的方法来实现对方管的缠绕控制。

2.2 缠绕轨迹的控制点
    芯模表面上能够对缠绕纤维施加作用力的点为缠绕轨迹的控制点，这些控制点相对于模具而言是不变的，也就是说缠绕纤维一旦落在缠绕轨迹的控制点上后，[-page-] 将不再滑动。圆管外表面与缠绕纤维接触的点都是缠绕轨迹的控制点，且这些控制点是连续的。在进行方管筒段缠绕时，街段缠绕轨迹的控制点分布在方管模具的四条棱上，对于缠绕纤维而言，其时序相临的缠绕轨迹控制点是不连续的。
2.3 缠绕轨迹的稳定性问题
    由于方管形状的独特性，在进行缠绕时，缠绕封头结构形式直接影响到缠绕纱线在方管上的落纱稳定性，缠绕封头与方管筒段上四条棱边的交会点是产生“滑线”的主要部位；“滑线”会使缠绕纱线不能落在预定的部位，纤维架空，造成工件厚度不均，表面不平整，“滑线”现象严重时会造成缠绕工作无法进行；“滑线”现象的存在，说明缠绕纱线在该部位处于不稳定状态。
    为了改善缠绕封头与方管筒段上四条棱边交会点处的缠绕纤维稳定性，对封头的几种结构形式进行了研究，除了考虑缠绕纤维的稳定性，还要考虑缠绕工艺的可行性；后提出下面缠绕封头的结构形式。    

            
    由于球形封头对绕丝嘴在端部伸臂轨迹的要求相对简单，即绕丝嘴与球面保持等距即可；因此选取缠绕封头为球面封头；由于方箱的截面形状是关于象限线对称的，因此缠绕纤维在封头段的缠绕中心角定为180°，缠绕纤维一旦从箱面进人封头球面区域将直接进入与该箱面相对的箱面，而不经过其他箱面；球面封头的高度和球径等参数与方管的横截面直边长度、缠绕角有关；假设：方管的横截面直边长度为A，在箱面的纤维缠绕角为af，球面封头的高度为H，封头球面半径为R，封头极孔直径为d，则存在下面关系式：
    封头球面半径R：
   
    封头高度H：
   
    封头极孔直径d：
    [-page-] 
    在上式中，必须保证d≤A，才能使缠绕纤维下架空，所以上式在a_f≤42°时有效；对于a_f＞42°时，直接令d＝A。
    这样的封头对改善缠绕封头与方管筒段上四条棱边交会点处的缠绕纤维稳定性有一定的效果。
2.4 方管缠绕中的虚拟圆管直径
    根据方管缠绕中的虚拟圆管的假设：
   
    式中：D_x为虚拟圆管直径；
          A为方管横截面边长；
2.5 方管缠绕角与虚拟同管缠绕角
    方管的缠绕角是由其时序相临的缠绕轨迹控制点来决定的，方管与虚拟圆管的展开图如图3。
   
    式中：αx为虚拟圆管缠绕角；
           αf为方管缠绕角。
   
    图3  方管与虚似圆管的展开图
    图中方管的展开周长要小于虚拟圆管的展开周长，所以方管的的缠绕角af要小于虚拟圆管缠绕角ax。
2.6 方管缠绕前进量与控制值的差异
    方管箱面缠绕前进量为Bf，虚拟圆管的缠绕前进量为Bx；二者存在下面关系式：
   
2.7  方箱缠绕纱条数
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2.8 缠绕方箱壁厚的差异问题
    在方管缠绕成型中，会出现方箱平板面壁厚厚度大，而方箱的四条棱壁厚厚度薄的现象；通过上面对方管缠绕原理的分析，认为缠绕理论本身是不可能造成方管筒段平面厚度增厚的，造成这一方管壁厚差异的主要原因是树脂胶液固化前，缠绕模具对复合材料方管的压力差异造成的；缠绕模具在方管的棱线部位，对复合材料的挤压力较大，该部位纤维堆砌非常密实，大部分树脂胶液被挤到表面流失掉，所以该处的含胶量要低一些；而在方管的平板面部位，缠绕模具对复合材料的挤压力非常小，该部位纤维堆砌非常疏松，大部分树脂胶液被存在平板部位，该处的含胶量较高。
    缠绕模具对复合材料箱体的作用力主要来源于纤维缠绕张力在周向的分量，以及模具横截面的几何形状。纤维缠绕角越小，方管的壁厚差异越小；纤维缠绕角越大，方管的壁厚差异越大；在工艺上还可以采用各种在平板面加压的方法控制方管平板面的壁厚；另外还可以采用真空灌注法进行方管的制造，方管的壁厚差异将会得到有效控制，且方管的空隙率可以得到控制，方管的密封性能会得到提高。
2.9 缠绕方管的脱模问题
    方管脱模不同于圆管，通常广泛应用于圆管的“水压”脱模方式对于方管就不适用了；对于方管而言，“机械”脱模方式比较适用。“机械”脱模是将“机械”力沿轴向分别施加在成型模具和方管上，使二者产生相对位移，彼此分离。影响方管脱模的因素主要有成型模具的脱模设计、模具的加工精度、成型模具的表面状态、脱模剂的种类及涂刷效果、方管结构纤维铺层顺序、脱模时模具与方管的温度、脱模工装的安装方式等等；方管脱模的阻力主要来自四条棱边处管体与模具的摩擦力；为了顺利脱模，模具要设计成具有拔模角的，这有两个含义，一个是四个平板面要具有脱模斜度，一个是四条棱边具有脱模锥角；倘若四个平板面不允许有脱模斜度，那四条棱边必须要设计成具有具有变倒圆半径的棱边，以保证四条棱边具有脱模锥角；否则会脱模困难。
2.10 方管平面变形的预防措施
    由于方管几何形状特殊，在方管成型时，有一个不容忽视的变形问题，具体表现有三种形式，、箱体平板向内弯曲；第二、箱体平面向外弯曲；第三、箱体的扭曲变形。造成箱体变形的直接原因是由于箱体结构内部存在内应力，造成耦合效应，产生出平面变形；复合材料层和板会体现出几种类型的耦合效应，诸如弯扭耦合、拉弯耦合等。这是由具有不同性质的多层材料互相重叠引起的。
    内应力形成的主要原因是纤维预张力及树脂胶液的固化收缩；这是在箱体成型过程中必须面对的问题，其次内应力有以下影响因素：纤维铺层次序、纤维铺设方向、树脂固化收缩、不同层次的纤维铺设张力的差异等。由于形成内应力因素的多样性，使作用于箱体的内应力具有不确定性，箱体的变形形式具有不同类型。[-page-] 
    虽然方管变形有众多的影响因素，但通过优化结构设计、调整相关工艺参数，箱体变形问题是能得到有效控制的。采取的相关措施如下：
    （1）箱体壁厚和铺层数量的影响
    箱体壁厚对箱体变形的影响很大，箱体壁厚越厚，箱体变形越小；但产品不能仅靠增加壁厚来改善箱体的抗变形能力，还要考虑产品的经济实用性；增加箱体结构中的铺层数量，即在规定的箱体壁厚限定下，降低各个铺层的厚度，实现铺层数量的增多，可以有效抑制复合层板产生耦合效应，减少层合板翘曲变形。
    （2）箱体壁结构铺层
    在不考虑纤维缠绕张力影响的前提下，此项措施中有两项内容，一项是结构铺层采用对称铺层，另一项是增加复合层板的抗弯刚度。结构铺层采用对称铺层可以有效抑制复合展板产生耦合效应，增加复合层板的抗弯刚度是指增强复合层板内外面层的拉伸模量，可以通过内层和面层采用不同缠绕铺设角或更换增强材料来实现。
    （3）纤维缠绕张力
    纤维缠绕张力是箱体缠绕成型中不可回避的，在缠绕圆筒形容器时，以一个不变的缠绕张力缠绕内外层，会出现内松外紧的现象，这种现象若出现在方管缠绕成型中，成型完毕的方管就会出现平板面向内凹的变形，反之则变形方向相反。在解决这一问题时，大多采用“张力递减”的方法，影响箱体内凹或外凸的张力因素主要是指纤维缠绕张力在周向的分力，在成型工艺中可以通过调整各层缠绕角、分层固化和阶梯控制缠绕纤维张力等措施来实现对箱体变形的控制。
    （4）原材料的选择
    树脂胶液在固化过程中产生收缩，由于纤维的支撑作用，抑制了树脂的变形，二者固化变形不同步，产生内应力；因此选择低固化收缩率的树脂胶液，或在胶液中添加具有抑制树脂胶液收缩功效的固体填料进行改性，可以减小内应力。
    （5）固化制度的影响
    加热固化时升温速率不能太快，升温要缓慢，加热要均匀，好是阶梯升温，分段固化，使温度的变化与团化反应相适应；加热固化切勿温度过高，持续时间过长，导致过固化，使树脂胶液炭化变脆，影响与增强材料的粘接性能；加热固化到达规定时间，不能将工件急剧冷却，冷却速度过快时，会使树脂胶液提前进人玻璃态，会因收缩不均产生很大的内应力，带来后患。在固化度不足的情况下脱模，复合材料层板的抗弯刚度较弱，在内应力作用下更容易造成复合层板的永久变形。制定合理的固化制度，提高复合材料层板的固化度，使复合材料层板的抗弯刚度得到提升；达到控制复合层板变形的目的。 [-page-]
    （6）表面树脂胶层的影响
    方箱表面树脂胶层对于薄壁箱体变形具有不容忽视的影响；表面树脂胶层的存在会造成薄壁箱体内凹变形，为了控制变形，需要祛除工件表面的富树脂层，在工艺上可以采用“扒皮布”扒皮的方法。
3 实验验证情况
3.1 缠绕设备
    五轴缠绕机。
3.2 缠绕模具
    模具尺寸：168 x 168 x 1800（mm）。
    方管模具相对平面相互平行，四条棱边具有脱模锥角。
3.3 缠绕铺层
    层次结构采用对称铺层，为了提高内层和外层的周向刚度，内外层采用周向缠绕，且在面层布置有周向碳纤维铺层。结构层内部的缠绕纤维缠绕角为±60°，缠绕纱宽前进量为30mm，缠绕试件长度600mm，无封头缠绕，控制壁厚4mm。
3.4 缠绕控制参数确定
3.4.1 虚拟圆筒直径
    已知方管边长：A=168mm，
                   则：
3.4.2  虚拟圆筒的缠绕角
    已知方管缠绕角：
              则：
3.4.3  虚拟圆筒的缠绕纱宽前进量
    已知方管的缠绕纱宽前进量：B_f30mm，
    则：
3.4.4  虚拟圆筒的纱条数
   
3.4.5  缠绕速比
    由于方管是相对于象限线对称的，因此选取端部缠绕中心角为180^。,则速比计算公式如下：
   
    式中M=3，k=9[-page-]
3.5 工艺控制措施
    在方管试样制作过程中除了进行相应的参数计算外，还要在成型工艺实施过程中加强合胶量、缠绕张力的控制。
3.5.1 控制胶液粘度
    在树脂胶液调和前，对树脂进行加热，降低树脂粘度，这一措施除了能够改善树脂胶液对缠绕纤维的浸润外，还能增强树脂胶液的流动性，使多余的树脂胶液迁移至工件表面。
3.5.2 缠绕过程表面刮胶
    附着在工件上的树脂胶液需要用刮胶工具逐层刮除，避免由于胶液存留使方管的壁厚产生较大变化。
3.5.3 控制纤维缠绕张力
    为了控制方管的变形，虽然在铺层结构上采取了相应的措施，但缠绕张力对方管变形的影响依然不可忽视；在实际操作中缠绕纤维张力采用了“阶梯式递减”方法。
3.5.4 固化后表面胶层祛除
    虽然在方管试样制作过程中加强了胶液控制，但固化过程中，树脂胶液也会向工件表面迁移，固化后在表面形成富树脂层，为了祛除表面富树脂层，在缠绕结束后，在表面包缠“扒在布”，固化后，将“扒皮布”连同表面富树脂层一起扒掉。
3.6 方管固化
    方管固化采用专用数字温控固化炉，能够对制品实施旋转固化。通过控制制品固化制度（阶梯升温），升温速率（＜1.0℃/min），旋转速率，得到了固化完全，平整的方管表面。
3.7 脱模
    实践证明在工艺上采取措施来降低模具和产品间的摩擦力，确实对方管脱模起到很大作用，而且机械脱模是行之有效的脱模方式。
3.8 尺寸测量
    通过对方管脱模前后的尺寸进行测量，脱模后方管由于内应力的存在产生变形，尺寸有所变化。要想得到无需加工而满足使用要求的方管，需要在工艺上进一步探讨，如控制缠绕张力，选择与纤维断裂延伸率匹配的树脂体系，以及合理的固化制度等。
4 结果讨论
    通过实验验证，采用虚拟圆筒的缠绕控制参数进行大口径方管缠绕成型的方案是可行的。完全能够满足方管缠绕纤维按预定缠绕角均匀布满芯模表面的工艺要求。“缠绕轨迹控制点”的概念，会对今后特殊几何形状产品的纤维缠绕研究具有指导意义。方管缠绕的封头缠绕尚需在今后的研究中进一步完善和验证。本文对缠绕方管的变形问题提出了一些控制措施，这些措施大多数是方向性的措施，需要根据不同的树脂、纤维和工艺条件进一步细化和完善。
    这一技术很好的解决了大口径方管所需要的力学性能。强度高，不变形，成本低。相对手糊等工艺，其弯曲强度，剪切强度增加了至少2倍以上。相同产品成本也只是手糊成型产品的70％左右。