纤维缠绕是一种主要用于制造空心、圆形或棱柱形零件(如管道和储罐)加工的技术。它是通过使用专用卷绕机将连续纤维束卷绕到旋转芯轴上实现。纤维缠绕零件通常用于航空航天、能源和消费品行业。
常见的纤维缠绕结构件
连续纤维束通过纤维输送系统送到纤维缠绕机,在纤维缠绕机上以预定的重复几何图案缠绕到心轴上。丝束位置由纤维输送头引导,纤维输送头连接在纤维缠绕机上的可移动托架上。
丝束与芯轴的相对角度(称为缠绕角度)可以调整,从而在所需方向上提供强度和刚度。当使用足够的丝束层时,所得到的层压板在心轴上固化。成品零件的总体尺寸和形状由芯轴形状和层压板厚度决定。
缠绕角度将决定复合材料零件的机械性能,如强度、刚度和重量。层压板的密度是缠绕过程中丝束张力控制的。通过这些方法制造的复合材料零件通常具有良好的强度-重量比特性。
缠绕工艺中主要材料体系包括:
树脂:通常为热固性树脂,如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂;
纤维:碳纤维、玻璃纤维等;纤维直接从筒子架上使用,而不是编织或缝合成织物形式。
纤维缠绕有两种不同的形式:湿法缠绕和干法缠绕。
湿法缠绕:在湿法缠绕中,纤维从粗纱上松开,并通过树脂混合物浴(即浸渍),然后缠绕在规定方向的芯轴上。放置模式由芯轴和进料或计量机构的旋转速率控制。
干法缠绕:干法使用预浸渍形式的纤维。当达到正确的层厚度时,组件在烘箱中固化。固化后,可移除型芯或将其用作成品零件的一部分。在固化过程中,发生交联,从而形成3D网络纤维。
纤维缠绕角
克莱罗关系:
正如著名的法国数学家Alexis Claude de Clairault所发现的那样,轴对称物体还有其他有趣的性质。Clairault关系式是经典微分几何中的一个公式。该关系适用于任意旋转曲面上测地线路径上的任何点:
r.sin(α)=常数
式中,r是测地路径上任何点与旋转轴之间的径向距离,α是切线向量与纬度圆之间的角度,或者,对于非数学家来说,α是缠绕角度。
带宽对于简单的轴对称情况(如管道),覆盖管道所需的回路数是通过考虑缠绕(螺旋)角α下的真实宽度B的纤维带来确定的。通过应用一些简单的三角学,圆周方向上的频带宽度为B/cos(α),并将其划分为管道周长,覆盖直径为D的管道所需的回路数(N)如下所示:
N=πDCos(α)/B
周期数始终为整数;具有给定的心轴直径D和带宽B,带宽B由e定义。考虑到所有其他变量,获得可能绕组角度的更好方法是
α=Cos-1(N.B/Pi.D)
根据上述方程式,现在可以改变N,以获得与FEM模拟相匹配的最接近的纤维方向。
优缺点分析
主要优势:
这是一种非常快速且经济的铺设材料的方法。
树脂含量可以通过辊隙或模具将树脂计量到每根纤维束上来控制。
由于在使用前不存在将纤维转化为织物的二次过程,因此纤维成本最小化。
层压板的结构性能非常好,因为直纤维可以以复杂的模式铺设,以匹配施加的载荷。
主要缺点:
工艺仅限于凸形部件。
纤维不能完全沿着组件的长度铺设。
大型部件的心轴成本可能很高。
部件的外表面未成型
通常使用低粘度树脂时,其机械、健康和安全性能较低。
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