捕虾机电路图许家忠;刘丹;乔明;苗雅楠
【摘 要】本文提出了一种适用于热芯缠绕工艺的缠绕张力制度设计方法.与传统缠绕工艺不同的是,热芯缠绕工艺使复合材料在缠绕同时加热固化.该方法在考虑外部纤维张力对内部环向应力影响的基础上,考虑了缠绕过程中温度引起的热应力、固化收缩应力以及各参数变化,通过对各缠绕层环向应力的分析,推导出考虑温度影响的缠绕张力制度,使各缠绕层纤维受力均匀,从而提高复合材料壳体的强度和抗疲劳性能. 【期刊名称】《纤维复合材料》
【年(卷),期】2012(029)003
【总页数】4页(P20-22,7)
【关键词】复合材料壳体;热芯缠绕;热芯模;张力制度;热应力;固化收缩应力
【作 者】许家忠;刘丹;乔明;苗雅楠
【作者单位】哈尔滨理工大学自动化学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学自动化学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学自动化学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学自动化学院,哈尔滨150080
【正文语种】中 文
1 引言
复合材料壳体(简称“壳体”)中主要承受载荷的是沿纤维方向拉力，因此，使复合材料获得良好强度和疲劳性能的条件是每层纤维共同承受载荷［1］。壳体成型后的纤维状态取决于缠绕张力制度，因此缠绕张力制度对壳体性能影响很大。传统的成型工艺是使复合材料先缠绕再固化，缠绕均在室温下进行，在此过程中复合材料不发生固化反应，因此对缠绕张力制度的研究无需考虑温度的影响。热芯缠绕工艺是使复合材料边缠绕边固化，缠绕张力将受到温度变化引起的热应力、固化反应引起的固化收缩应力以及随温度改变的各参数的影响。显然，不考虑温度变化的张力制度设计方法不适合热芯缠绕工艺。
很多学者在缠绕张力问题方面做了大量研究。丁保庚［2］基于薄壳圆筒挠度理论考虑了正
在缠绕的纤维对已经缠绕完的各层纤维的放松效应，设计出各层张力计算公式;吴德会［3］利用弹性叠加原理建立了计算缠绕张力导致复合材料管内应力变化的模型和方法;任国瑞［4］提出了一种的只需确定纤维初张力和缠绕层数便可计算出任意一层布带的缠绕张力设计方法。但以上研究均非针对热芯缠绕工艺，没有考虑温度变化对缠绕张力的影响。
本文针对热芯缠绕工艺，考虑缠绕过程中温度变化引起的热应力、树脂固化反应引起的收缩应力以及各参数变化等因素，对壳体缠绕过程环向应力进行了分析，得出了缠绕张力与温度、缠绕层数及预应力之间关系式，从而对缠绕张力制度进行重新设计，以提高制品强度和疲劳性能。
2 热芯缠绕原理及张力制度概述
壳体热芯缠绕成型原理如图1所示。纤维浸渍环氧树脂后通过张力控制装置在小车轴向往复运动和芯模转动共同作用下逐层进行环向缠绕，同时，蒸汽按照一定的固化制度进入芯模内腔进行加热，实现从内而外逐层固化。传统的工艺通常采用恒张力缠绕，已缠绕的复合材料受缠绕层纤维的张力作用会产生收缩变形，使已缠绕纤维的预应力被部分释放，树脂间的粘性作用又使被释放的预应力无法传递给正在缠绕的纤维，继而导致纤维内松外紧，
使成型后的壳体中的纤维内外松紧一致以共同承受载荷的条件是使每层纤维的初张力(壳体未受载荷时内部纤维所受的张力)相同［5－6］。对于热芯缠绕工艺，缠绕同时复合材料受温度影响已经开始固化，因此已缠绕纤维层不仅受缠绕张力作用，还受热应力和固化收缩应力作用。
图1 热芯缠绕工艺成型原理图
生命晶石3 缠绕过程中环向应力分析
假设芯模为圆柱形薄壳件，当第一层纤维缠绕在芯模表面时，形成复合材料薄环，并与芯模一起形成“复合芯模”［7］。随着缠绕的进行，每最外层的纤维束缠绕到已有的复合芯模上时，又会形成新的薄环，由于外部第i层纤维缠绕时张力Ti的作用，内部的“复合芯模”会发生压缩变形，从而使内部各层的纤维发生松弛，影响内部任意各层环向应力σθ。固化过程中，热量从芯模向复合材料传递，复合芯模沿径向存在较大温度梯度，相比之下环向温差可以忽略，故假设每层复合材料的环向温度一致，则环向热应力为零。树脂发生固化反应时，会出现固化收缩现象，与其粘结的纤维将受到由该现象产生的应力Fch的作用而产生化学收缩应变。i
根据图2可知，当第i层纤维缠绕开始，其缠绕张力Ti和固化收缩力Fich都会使1到i－1缠绕层产生压缩变形，该两个作用力叠加之和为:
T'i是层间纤维受力和，而其内部环向压缩力值T压与T'i大小相等，方向相反。
图2 芯模和各缠绕层层间受力示意图
4 固化收缩应力分析
复合材料发生固化收缩后，固化收缩应变Δεchi可以表示为［8］:
产生的应力为:
其中，Ec为复合材料的弹性模量，单位面积上的产生的力为:
根据基本混合定律，复合材料弹性模量的表达式为［9］:
Ef为纤维的弹性模量，Vf为纤维的体积分数。固化过程中，树脂的弹性模量Em会随其化学反应不断发生变化，与固化过程相关的树脂弹性模量Em由混合律可以表示为［10］:
式中:αgel为凝胶时树脂的固化度，αend为固化完成时树脂的固化度，E0m树脂未固化时的弹性模量，E∞m树脂固化反应完成时的弹性模量。通过上式可以求得固化过程中任意树脂固化度时树脂的弹性模量。
将式(8)带入式(5)求出最终复合材料的随固化度变化的弹性模量为:
带入式(4)得出与固化过程相关的固化收缩力的变化值:
5 张力制度设计
基于热芯缠绕张力制度设计的目的是使各层纤维在固化完成后具有相同的初张力，达到等强度的状态，从而改善壳体的强度和疲劳性能［11－12］。
对缠绕张力制度计算作如下假设:
(1)在整个芯模上连续缠绕纤维，缠绕各层厚度相等。
(2)纤维是复合材料的主要承力材料，树脂仅对纤维起粘结、定位的作用。
(3)假设芯模为圆柱形薄壳件，忽略芯模形变对复合材料的影响。
设环向缠绕复合材料各层厚度为tθ，芯模厚度为芯模和复合材料弹性模量)，给定各层纤维预应力σ(0)f，复合材料共缠绕n层，第一层至最外层纤维缠绕张力分别为T1、T2…．Tn，每一层缠绕张力与收缩压力之和均为T'1、T'2…T'n。各层纤维的实际应力为各层缠绕张力对自身产生的拉应力与全部外层合力其产生的压应力之和，即:
施加缠绕张力的目的就是要使缠绕完成后各层缠绕纤维的预应力都相等，即:
以此类推可解得:
消去T'1得:
已知为T'n=σ(0)ftθ，并带入式(15)可得:
由式(1)、(10)、(16)得缠绕过程中与固化过程相关的张力制度计算公式:
分液罐由环氧树脂的固化反应动力学模型可以得出温度与固化度之间的关系式［4］:
其中k1、k2是由Arrhenius方程定义的固化速率常数:
其中T为复合材料的绝对温度;α为固化度;化能;R为气体常数;m、n是反应级数，这些参数均可由试验确定。在计算公式中，只要确定纤维预应力σ(0)f 、缠绕层数n、每一层的复合材料的绝对温度T，那么任一层纤维的缠绕张力就可以计算出来。
磁悬浮支架图片6 结语
热芯缠绕工艺作为一种新型高效成型工艺，已经逐渐应用在复合材料实际工艺生产当中。本文基于热芯缠绕工艺提出一种考虑复合材料固化因素影响的张力制度计算方法。该方法考虑缠绕过程中温度变化引起的热应力、树脂固化反应引起的收缩应力以及各参数变化等因素，得出了缠绕张力与温度、缠绕层数及预应力之间关系式，以每层预应力相等为原则对缠绕张先进树脂基复合材料的发展和应用力制度进行重新设计，从而提高壳体的性能。
参考文献
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三方通话
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