CN112157926B - 一种纤维增强复合材料缠绕成型设备及其缠绕成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强复合材料缠绕成型设备及其缠绕成型工艺，属于纤维缠绕成型复合材料制造领域。出线组件、缠绕组件和固定组件三部分。其中，缠绕组件包括用于缠绕增强纤维的芯模，控制芯模缠绕的驱动控制系统；固定组件包括设置在芯模左右两侧的外端的绕纱机，控制绕纱机往复运动的轨道。本发明通过在缠绕设备上增加两套随缠绕纤维同步行走的轴向纱线缠绕装置，在缠绕纤维按照设计角度行走过程中，紧随其后的轴向纱线缠绕装置使用纱线将缠绕纤维牢固的沿环向固定在芯模上，避免了缠绕纤维在重力或张力的作用下出现下垂或滑移的现象，实现了任意角度，尤其使小角度的缠绕，大幅的提高了缠绕制品的可设计性和结构强度。
Description
技术领域
本发明属于纤维缠绕成型复合材料制造领域，尤其是一种纤维增强复合材料缠绕成型设备及其缠绕成型工艺。
背景技术
纤维缠绕成型是在控制张力和预定线型的条件下，以浸有树脂胶液的连续丝缠绕到芯模或模具上来成型增强塑料制品，这种方法通常适合于制造圆柱形和球形等回转体。常用的树脂有酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂以及热塑性树脂等。玻璃纤维是缠绕成型常用的增强材料，根据产品性能要求，碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等增强纤维也可用于缠绕制品的制备。
缠绕时要使纤维位置稳定不打滑，并均匀连续地布满芯模表面，使相邻纤维既不重叠又不离缝，这就要求纤维按一定规律排布，这一规律称为缠绕规律。纤维从芯模上某一点开始，绕过芯模再回到此起始点，在芯模上形成了一条不重复的缠绕绕型称为标准线，缠绕规律不同、其标准线也不同，缠绕规律由芯模与绕丝头之间的相对运动决定的。缠绕线型的正确设计是保障纤维缠绕产品质量的重要前提。
发明内容
发明目的：提供一种纤维增强复合材料缠绕成型设备及其缠绕成型工艺，以解决上述背景技术中所涉及的问题。
技术方案：本发明提供一种纤维增强复合材料缠绕成型设备，包括：出线组件、缠绕组件和固定组件三部分。
其中，出线组件，包括纱卷，设置在所述纱卷下游的穿纱板和树脂槽，设置在所述树脂槽末端的丝嘴，以及与所述树脂槽、丝嘴相连接、并带动所述树脂槽、丝嘴做往复运动的第一轨道。
缠绕组件，包括用于缠绕增强纤维的芯模，固定连接在所述芯模两端的挂纱盘，以及控制所述芯模缠绕的驱动控制系统。
固定组件，包括设置在所述芯模左右两侧的外端的第一绕纱机和第二绕纱机，以及控制所述第一绕纱机和第二绕纱机做往复运动的第二轨道。
作为一个优选方案，所述第一轨道与第二轨道为同一支架结构，所述第一绕纱机和第二绕纱机随丝嘴同步行走。
作为一个优选方案，所述第一绕纱机和第二绕纱机可设置至少一个纱卷，以提供一根或多跟捆绑纱线。
作为一个优选方案，所述捆绑纱线采用棉纤维、麻纤维中的一种或多种植物纤维和/或玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、尼龙、聚乙烯、聚丙烯纤维中的一种或多种高强度纤维材料。
本发明还提供一种上述的纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其包括如下步骤：
S1、浸润，
将纱卷上的纤维通过穿纱板导向和排布后进入树脂槽，纤维在树脂槽内被树脂充分浸润；
S2、缠绕，
将浸润有树脂的纤维从树脂槽内牵引出来，经过丝嘴导向，其中，树脂槽和丝嘴沿着第一轨道按照设定的速度来回行走，芯模在驱动控制系统的控制下，按照一定的转速旋转，浸润有树脂的纤维则在芯模旋转和树脂槽行走的双重作用下按照设计的要求螺旋形的排布在芯模上，行走到芯模末端时，被挂纱盘上的挂针钩住以固定纤维并折返行，最后缠绕在芯模上；
S3、固定，
在纤维缠绕过程中，绕纱机按照与丝嘴和树脂槽相同的速度，随丝嘴和树脂槽来回移动，绕纱机上的捆绑纱线随绕纱机旋转从而将纤维捆绑固定在芯模上，避免纤维的滑移或下垂；
S4、固化，
重复步骤S1～S3完成纤维排布后，树脂在室温或加热条件下固化并从芯模上脱出，即得到所需的缠绕产品。
作为一个优选方案，所述固定步骤中，当丝嘴和树脂槽从左往右行走时，第二绕纱机停留在模芯右侧外端，第一绕纱机随着丝嘴同步移动，纤维经过丝嘴导向，以任意角度缠绕在芯模上之后，当丝嘴和树脂槽从右往左行走时，第一绕纱机停留在芯模左侧外端，第二绕纱机随丝嘴从右往左同步移动，并按照相同方式旋转和固定纤维。
作为一个优选方案，所述树脂为聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、环戊二烯的一种或多种热固性树脂及其改性物和/或聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚酮、聚砜、树脂中的一种或多种热塑性树脂及其改性物。
作为一个优选方案，所述树脂为聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、环戊二烯的一种或多种热塑性树脂；或，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一种或多种热塑性树脂。
作为一个优选方案，所述两捆绑纱线之间浸润有树脂纤维下垂后，纤维形变量符合如下数学模型：
其中，
为浸润有树脂纤维的纤维形变量，与纤维、树脂的种类有关，可通过实验测得，单位长度的最大纤维形变量为定值；
为两捆绑线圈之间的间距；
为缠绕角；
纤维浸润树脂后的纤维比载；
为纤维浸润树脂后随着芯模转动时，纤维的运动比载；T为捆绑点的水平应力；由此，可以确定两捆绑纱线之间最大的间隔。
有益效果：本发明涉及一种纤维增强复合材料缠绕成型设备及其缠绕成型工艺，本发明通过在缠绕设备上增加两套随缠绕纤维同步行走的轴向纱线缠绕装置，在缠绕纤维按照设计角度行走过程中，紧随其后的轴向纱线缠绕装置使用纱线将缠绕纤维牢固的沿环向固定在芯模上，避免了缠绕纤维在重力或张力的作用下出现下垂或滑移的现象，实现了任意角度，尤其使小角度的缠绕，大幅的提高了缠绕制品的可设计性和结构强度。
附图说明
图1是现有技术的结构示意图。
图2是现有技术的原理示意图。
图3是本发明的结构示意图。
图4是本发明的原理示意图。
图5是本发明中纤维在芯模中的力学状态示意图。
附图标记为：纱卷1、纤维2、穿纱板3、树脂槽4、第一轨道5、丝嘴6、芯模7、挂纱盘8、驱动控制系统9、第二轨道10、第一绕纱机11、第二绕纱机12。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了进一步理解本技术方案，如附图1～2所示，对现有缠绕成型设备的工作流程做出简要说明，纱卷1上的纤维，通过穿纱板3导向和排布后进入树脂槽4，纤维在树脂槽4内被树脂充分浸润后，从树脂槽4内牵引出来后经过丝嘴6导向后缠绕在芯模7上。树脂槽4和丝嘴6沿着轨道按照设定的速度来回行走，同时芯模7在缠绕驱动及控制系统的控制下，按照一定的转速旋转，纤维则在芯模7旋转和树脂槽4行走的双重作用下按照设计的要求螺旋形的排布在芯模7上，行走到芯模7末端时，被挂纱盘上的挂针钩住以固定纤维并折返行走，如此反复以完成所设计的纤维排布后，树脂在室温或加热条件下固化后从芯模7上脱出，即得到所需的缠绕产品。
如附图3～4所示，一种纤维增强复合材料缠绕成型设备，包括：出线组件、缠绕组件和固定组件三部分。
其中，出线组件，包括纱卷1，设置在所述纱卷1下游的穿纱板3和树脂槽4，设置在所述树脂槽4末端的丝嘴6，以及与所述树脂槽4、丝嘴6相连接、并带动所述树脂槽4、丝嘴6做往复运动的第一轨道5。
缠绕组件，包括用于缠绕增强纤维的芯模7，固定连接在所述芯模7两端的挂纱盘8，以及控制所述芯模7缠绕的驱动控制系统9。
固定组件，包括设置在所述芯模7左右两侧的外端的第一绕纱机11和第二绕纱机12，以及控制所述第一绕纱机11和第二绕纱机12做往复运动的第二轨道10。
作为一个优选方案，所述第一轨道5与第二轨道10为同一支架结构，所述第一绕纱机11和第二绕纱机12随丝嘴6同步行走。
作为一个优选方案，所述第一绕纱机11和第二绕纱机12可设置至少一个纱卷1，以提供一根或多跟捆绑纱线。
作为一个优选方案，所述捆绑纱线采用棉纤维、麻纤维中的一种或多种植物纤维和/或玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、尼龙、聚乙烯、聚丙烯纤维中的一种或多种高强度纤维材料。
本发明还提供基于上述的纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其包括如下步骤：
S1、浸润，
将纱卷1上的纤维通过穿纱板3导向和排布后进入树脂槽4，纤维在树脂槽4内被树脂充分浸润；
S2、缠绕，
将浸润有树脂的纤维从树脂槽4内牵引出来，经过丝嘴6导向，其中，树脂槽4和丝嘴6沿着第一轨道5按照设定的速度来回行走，芯模7在驱动控制系统9的控制下，按照一定的转速旋转，浸润有树脂的纤维则在芯模7旋转和树脂槽4行走的双重作用下按照设计的要求螺旋形的排布在芯模7上，行走到芯模7末端时，被挂纱盘上的挂针钩住以固定纤维并折返行，最后缠绕在芯模7上；
S3、固定，
在纤维缠绕过程中，绕纱机按照与丝嘴6和树脂槽4相同的速度，随丝嘴6和树脂槽4来回移动，绕纱机上的捆绑纱线随绕纱机旋转从而将纤维捆绑固定在芯模7上，避免纤维的滑移或下垂；
S4、固化，
重复步骤S1～S3完成纤维排布后，树脂在室温或加热条件下固化并从芯模7上脱出，即得到所需的缠绕产品。
作为一个优选方案，所述固定步骤中，当丝嘴6和树脂槽4从左往右行走时，第二绕纱机12停留在模芯右侧外端，第一绕纱机11随着丝嘴6同步移动，纤维经过丝嘴6导向，以任意角度缠绕在芯模7上之后，当丝嘴6和树脂槽4从右往左行走时，第一绕纱机11停留在芯模7左侧外端，第二绕纱机12随丝嘴6从右往左同步移动，并按照相同方式旋转和固定纤维。
作为一个优选方案，所述纱卷上的纤维是棉纤维、麻纤维植物纤维和/或玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、尼龙、聚丙烯纤维中的一种或多种增强纤维材料。
作为一个优选方案，所述树脂为聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、环戊二烯的一种或多种热固性树脂及其改性物和/或聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚酮、聚砜、树脂中的一种或多种热塑性树脂及其改性物。
作为一个优选方案，纤维与芯模7纵向的夹角即为缠绕角，然而这样的缠绕工艺一般只能在30度到90度的夹角范围内缠绕，当缠绕角度太小时，会导致纤维滑移，因而无法满足设计要求，下面对其受力情况进行数学分析。纤维自重比载为：
其中，
为重力加速度；
为纤维单位长度的纤维重量；S为纤维的截面积；
纤维浸润树脂后，此时纤维的比载为：
其中，
为重力加速度；
为纤维单位长度的纤维重量；
为单位长度的树脂重量；S为纤维的截面积；
当纤维浸润树脂后，随着芯模转动时，此时纤维的运动比载为：
其中，a为转速不均系数，与芯模外表面的线速度有关，线速度小于20m/s时，取1.0；C为运动比载的体型数，一般取1.2；d为导线的直径；v为芯模外表面的线速度。
当纤维浸润树脂后，纤维的综合比载的取值范围为：
由于，一方面，在芯模转动过程中，纤维会脱离芯模，或脱离芯模的趋势，当缠绕角度小15度，标准线近似于位于同一水平面上，另一方面，树脂在纤维上均匀分布，其纤维综合比载沿着纤维均匀分布，因此可以将纤维在芯模中的力学状态采用抛物线理论进行计算。
如附图5所示，建立A-xy平面坐标系，其中，
为缠绕角，
为两捆绑线圈之间的间距；
为A、B捆绑点的轴向应力，
为A点的水平向应力。由于在纤维上任一点的弯矩为0，可以列出纤维在A、0点的力平衡方程
解方程，求出抛物线方程为：
抛物线的长度，即两捆绑纱线之间浸润有树脂纤维的长度为：
当浸润有树脂纤维完全贴合于芯模时，在芯模展开为平面后，其标准线为水平倾角为
，直角边为
的直线，此时两捆绑纱线之间浸润有树脂纤维的长度：
浸润有树脂纤维下垂的纤维形变量：
其中，当纤维所受到应力过大时，浸润有树脂纤维中的树脂会与纤维发生脱离，其可承受的应力大小与纤维和树脂的种类有关，因此
存在最大极限值。根据不同纤维种类和产品成型工艺的经验数据，能够确定不同工艺的
的最大承受范围，以玄武岩纤维浸润环氧树脂后为例，其中，
的最大承受极限为
，由此可以确定捆绑纱线之间的最大间距。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (7)
1.一种纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其特征在于，包括：
出线组件，包括纱卷，设置在所述纱卷下游的穿纱板和树脂槽，设置在所述树脂槽末端的丝嘴，以及与所述树脂槽、丝嘴相连接、并带动所述树脂槽、丝嘴做往复运动的第一轨道；
缠绕组件，包括用于缠绕增强纤维的芯模，固定连接在所述芯模两端的挂纱盘，以及控制所述芯模缠绕的驱动控制系统；
固定组件，包括设置在所述芯模左右两侧的外端的第一绕纱机和第二绕纱机，以及控制所述第一绕纱机和第二绕纱机做往复运动的第二轨道；
缠绕成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、浸润，
将纱卷上的纤维通过穿纱板导向和排布后进入树脂槽，纤维在树脂槽内被树脂充分浸润；
S2、缠绕，
将浸润有树脂的纤维从树脂槽内牵引出来，经过丝嘴导向，其中，树脂槽和丝嘴沿着第一轨道按照设定的速度来回行走，芯模在驱动控制系统的控制下，按照一定的转速旋转，浸润有树脂的纤维则在芯模旋转和树脂槽行走的双重作用下按照设计的要求螺旋形的排布在芯模上，行走到芯模末端时，被挂纱盘上的挂针钩住以固定纤维并折返行，最后缠绕在芯模上；
S3、固定，
在纤维缠绕过程中，绕纱机按照与丝嘴和树脂槽相同的速度，随丝嘴和树脂槽来回移动，绕纱机上的捆绑纱线随绕纱机旋转从而将纤维捆绑固定在芯模上，避免纤维的滑移或下垂；
S4、固化，
重复步骤S1～S3完成纤维排布后，树脂在室温或加热条件下固化并从芯模上脱出，即得到所需的缠绕产品；
其中，两捆绑纱线之间浸润有树脂纤维下垂后，纤维形变量符合如下数学模型：
其中，
为浸润有树脂纤维的纤维形变量，与纤维、树脂的种类有关，可通过实验测得，单位长度的最大纤维形变量为定值；
为两捆绑线圈之间的间距；
为缠绕角；
纤维浸润树脂后的纤维比载；
为纤维浸润树脂后随着芯模转动时，纤维的运动比载；T为捆绑点的水平应力；
由此，可以确定两捆绑纱线之间最大的间隔。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其特征在于，所述第一轨道与第二轨道为同一支架结构，所述第一绕纱机和第二绕纱机随丝嘴同步行走。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其特征在于，所述第一绕纱机和第二绕纱机可设置至少一个纱卷，以提供一根或多跟捆绑纱线。
4.根据权利要求3所述的纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其特征在于，所述捆绑纱线采用棉纤维、麻纤维中的一种或多种植物纤维和/或玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、尼龙、聚乙烯、聚丙烯纤维中的一种或多种高强度纤维材料。
5.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其特征在于，所述固定步骤中，当丝嘴和树脂槽从左往右行走时，第二绕纱机停留在模芯右侧外端，第一绕纱机随着丝嘴同步移动，纤维经过丝嘴导向，以任意角度缠绕在芯模上之后，当丝嘴和树脂槽从右往左行走时，第一绕纱机停留在芯模左侧外端，第二绕纱机随丝嘴从右往左同步移动，并按照相同方式旋转和固定纤维。
6.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其特征在于，所述纱卷上的纤维是棉纤维、麻纤维中的一种或多种植物纤维和/或玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、尼龙、聚丙烯纤维中的一种或多种增强纤维材料。
7.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料缠绕成型设备的缠绕成型工艺，其特征在于，所述树脂为聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、环戊二烯的一种或多种热固性树脂及其改性物和/或聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚酮、聚砜树脂中的一种或多种热塑性树脂及其改性物。
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