缠绕成型(2)..ppt

授 课 人：刘东雷(博士） 单 位：南昌大学机电工程学院 系 所：材料成型系 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 缠绕成型工艺及应用 目 录 v概述 v芯模 v缠绕规律 v缠绕成型工艺 v课后作业 学习内容 3.1 概述 3.2 螺旋缠绕线型 3.3 转速比 3 缠绕规律 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 3.1 概述 1. 缠绕规律的内容 2. 缠绕线型分类 描述纱片均匀、稳定、 连续、排布在芯模表面 ，以及芯模与导丝头间 运动关系的规律 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 (1) (1) 纤维既不重叠又纤维既不重叠又 不离缝，均匀连续不离缝，均匀连续 布满芯模表面布满芯模表面 (2) (2) 纤维在芯模表纤维在芯模表 面位置稳定，不面位置稳定，不 打滑 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 2. 缠绕线型分类 环向缠绕 纵向缠绕 螺旋缠绕 芯模绕自轴匀速转动，导丝头 在筒身区间作平行于轴线方向 运动芯模自转一周，导丝头 近似移动一个纱片宽度的缠绕 该法只能缠绕直筒段，相邻 纱片之间相接而不相交，其缠 绕角在85°~90°之间。

环向缠绕 缠绕角通常 为85-90° 封头 纱带筒身 b 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 纱片螺距：纱片螺距： W＝πDctgα 纱片宽：纱片宽： b＝Wsinα = πDctgαsinα ＝πDcosα 环向缠绕参数关系图 D πD α b W D α W 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 (2) 螺旋缠绕 螺旋缠绕 又称测地线缠绕，芯模绕自身轴线匀速转动，导丝头按 一定的速比要求沿轴线方向往复运动芯模的筒身和封 头上就实现了交叉缠绕其缠绕角一般为45°－70° 每条纤维都对应于极孔圆周上的 一个切点，相同方向邻近纱片之 间相接而不相交，不同方向的纤 维则相交当纤维均匀缠满芯模 表面时实际以构成了双层 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 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 可以缠绕圆筒段，也 可缠绕端头(封头) 纤维缠绕轨迹： 由圆筒上的螺旋线和 封头上与极孔相切的 空间曲线组成 螺旋缠绕 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 （3）纵向缠绕 （又称平面缠绕） 导丝头在固定平面内 做匀速圆周运动，芯模绕 自轴慢速旋转，导丝头转 一周，芯模转动微小角度 ，反映在芯模表面上近似 一个纱片宽度。

平面缠绕 纱片与芯模轴线间成0°~ 25°交角，纤 维轨迹是一条单圆平面封闭曲线 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 平面缠绕、缠绕角的正切值 ： 平面缠绕参数关系图 纱片与芯 模的交角 r1、r2—两封头极孔半径； lc—筒身段长度； le1、le2—两封头高度 lc le1 le2 2r1 2r2 b a D △θs πD lc b α 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 平面缠绕的速比： 单位时间内，芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比 或绕丝头转一圈时导丝头绕芯模旋转的圈数 纱片宽度 缠绕角 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 证明 ： 因为芯模转一周时，恰好纱片在芯模上布满一 层设此时导丝头转了n圈，由速比定义有： 在芯模筒段，纱片的有效宽度 b b’ lc le1 le2 2r1 2r2 b a 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 缠满整个筒体的必要条件： = 则： b b’ 作业：1、什么是螺旋缠绕？ 2、写出平面缠绕速比的表达式并加以证明 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 3.2 螺旋缠绕线型 3.2.1 纤维在芯模表面均匀布满的条件 （1）一个完整循环的概念 螺旋缠绕时，由导丝头引入的纤维自芯模上 某点开始(空间点)，导丝头经过若干次往返运动 后，又缠回到原来的起始点上(空间点)。

这样在 芯模上所完成的一次(不重复)布线称为“标准线” 完成一个标准线缠绕称为一个完整循环 “标准线”是反映缠绕规律的基本线型 连续纤维缠绕 在芯模表面上 的排布型式 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 机器缠绕芯模数个 来回后的纤维分布 弯管芯模，灰色为圆 环面，绿色为柱面 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 复合材料弯管成品 导丝头缠绕芯模一 层后的纤维分布 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 （2）一个完整循环的切点数及分布规律 a、切点位置“时序相邻”和“位置相邻”的概念 在极孔圆周上按时间顺序相继出现的两个切点称 为时序相邻的两切点 时序相邻的切点的位置只能有两种情况： 1) 两切点紧密排布，中间不能再加入其他切点， 称为两切点“位置相邻” 2) 两切点之间还可以加入其他切点，称两切点位 置不相邻 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 b、单切点与多切点的概念 多切点缠绕 单切点缠绕 完成一个完整循环缠 绕，极孔圆周上只有 一个切点的情况 完成一个完整循环 缠绕，极孔圆周上 有多个切点的情况 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 完成一个完整的循环缠绕有两种情况： 1) 时序相邻的两切点位置也相邻。

即在出现 与初始切点位置相邻的切点以前，极孔上只 有一个切点，这种缠绕线形称单切点线型 2) 在出现与起始切点位置相邻的切点以前，极孔上 已经出现了两个或两个以上切点，即时序相邻切点 位置不相邻，这种缠绕线形称为多切点线型 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 在极孔上的切点线型排布 单切点与双切点排布图 1 23 3 1 2 4 单切点线型 双切点线型 纤维从切点1绕到 与它时序相邻的切 点2时，芯模转过 中心角为360o/2 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 多切点的排布图 n=3 n=4 n=5 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 4 2 5 3 1 3 5 2 4 1 5 4 3 2 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 c、一个完整循环的n个切点必将等分极孔圆周 由于芯模匀速转动，丝嘴每往返一次的时间又相同 因此，一个完整循环的n点切点必将等分极孔圆周 3）纤维在芯模表面均匀布满的条件 a、一个完整循环的诸切点均布在极孔圆周上。

b、位置相邻的两切点所对应的纱片在筒身 段错开的距离等于一个纱片宽度 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 3.2.2 纤维缠绕芯模转角(即缠绕中心角)与线型的关系 设完成一个n切点的完整循环缠绕，芯模转角 为θ，导丝头每往返一次芯模转角为θn，则： θn＝θ/n θn的推导： 单切点： θ1=(1+N)360°±Δθ （N=0，1 ，2，······） 其中Δθ是使位置相邻的两切点对应 的纱片在筒身段错开一个纱片的距离 1 23 当从切点1绕到切点2或从切点2绕到切 点3时，芯模转过中心角将是360°土 Δθ，或者再加上360 °的整数倍 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 两切点：一个完整循环导丝头 往返2次才错过一个Δθ，导丝 头往返一次时应错开Δθ/2 3 1 2 4 θ2=[(1+N)360°±Δθ]/2 =(1/2+N) 360°±Δθ/2 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 三切点： n个切点： n=3 1 2 3 1 2 3 θ3=[(1+N)360°±Δθ]/3 =(1/3+N) 360°±Δθ/3 θn=[(1+N)360°±Δθ]/n =(1/n+N) 360°±Δθ/n 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 则对于θn有：θn＝（K/n +N）360°±△θ/n K值需要使K/n为最简真分数。

但是，n≥3时各切点的排序与时间顺序不一定一致，例 如θ3有2个值： θ3-1=（1/3+N）360°±Δθ/3 θ3-2=（2/3+N）360°±Δθ/3 θ5有4个值： θ5-1=（1/5+N）360°±Δθ/5 θ5-2=（2/5+N）360°±Δθ/5 θ5-3=（3/5+N）360°±Δθ/5 θ5-4=（4/5+N）360°±Δθ/5 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 在一个完整循环中，切点数不同，纤维缠绕的线 型不同，导丝头往返一次芯模转角不同；如果在一个 完整的循环中，切点数相同而切点排布顺序不同，则 线型也不相同，导丝头往返一次的芯模转角也不同 1 n=3 n=4 n=5 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 4 2 5 3 3 5 2 4 1 5 4 3 2 导丝头往返一次 的转数可作为缠 绕线型的“代号” 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 “线型”以导丝头往返一次芯模旋转的转数来表示: S0＝ θn /360° M=K + nN S0-表示线型；M——一个完整循环芯模转数； n——切点数，也是一个完整循环导丝头往返次数 。

不考虑芯模 转角微调量 θn＝(K/n +N)360°±△θ/n S0＝ K/n + N＝M/n 连续纤维缠 绕在芯模表 面上的排布 型式 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 3.3 螺旋缠绕的转速比 单位时间内，芯模转数与导丝头往返次数之比，完 成一个完整循环，芯模转数与导丝头往返次数之比 一个完整循环的芯模转数 一个完整循环中导丝头往返数 不同的线型严格对应 着不同的转速比 定义线型在数值 上等于转速比 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 考虑到速比微调部分(即纱片宽度对应角度)的影响， 实际转速比： θn=(K/n+N)360°±Δθ/n 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 3.4 缠绕工艺设计 缠绕工艺设计包含内容： (1) 根据产品使用和设计要求、技术质量指标，进行结 构造型、缠绕线型和芯模设计； (2) 选择原材料； (3) 根据产品强度要求、原材料性能及缠绕线型进行缠 绕层数计算； (4) 根据选定的原材料和工艺方法，确定工艺流程及工 艺参数； (5) 根据缠绕线型选定缠绕设备，或为缠绕设备设计提 供参数。

高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 3.5 缠绕类型的选择 缠绕类型选择考虑因素 制品的结构形 状和几何尺寸 强度要求 载荷特性 缠绕设备 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 (1) 制品的结构形状和几何尺寸 平面缠绕适合于球形、扁椭球形、长径比小于4的 筒形制品也适用于两封头不等极孔容器的缠绕 长形管状制品一般采用螺旋缠绕 为防止纤维打滑，平面缠绕通常采用预浸纱缠绕， 同时，极孔直径一般不超过筒体直径的30% 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 纤维在筒身上交叉程度相当大， 从强度观点看是不利的 螺旋缠绕 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 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，并因而减轻制品质量 平面缠绕 (2) 强度要求 高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室 (3) 载荷特性 当制品受到内压以外的荷载，设计灵活 性较大只要改变各方向玻璃纤维的数量就 能独立和方便地调变纵向和环向强度。