帶織物層疊纏繞玻璃鋼管的設(shè)計(jì)與纏繞成型

婁紅莉 郭興峰 (天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387)

直管是復(fù)合材料常用結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體的一種，玻璃鋼直管采用纖維或布帶纏繞成型工藝，是將纖維或布帶按照一定規(guī)律的路線層層纏繞而成的。為了使纖維或布帶能夠均勻穩(wěn)定地纏繞在芯模上，不架空、不滑線，并防止纖維纏繞成型的制品出現(xiàn)纖維縱向和橫向強(qiáng)度差異較大的現(xiàn)象［1-2］，必須進(jìn)行復(fù)雜的規(guī)律設(shè)計(jì)。卷管成型工藝是用預(yù)浸膠布在卷管機(jī)上熱卷成型的一種復(fù)合材料制品成型方法，預(yù)浸布卷制管浸膠均勻，管材口徑不受限制，可生產(chǎn)各種規(guī)格的產(chǎn)品。但是制品的成型性不好，使用過(guò)程中容易產(chǎn)生剪切變形［3］。

用帶織物層疊纏繞生產(chǎn)玻璃鋼管道是一種新方法，這里帶織物的織造采用仿形織造法［4］。仿型織造法即按照回轉(zhuǎn)體的展開(kāi)曲面設(shè)計(jì)、生產(chǎn)預(yù)成型機(jī)織布。這種織物在纏繞成型回轉(zhuǎn)體時(shí)，無(wú)需裁剪設(shè)計(jì)，織物與芯模的貼覆性好，同時(shí)對(duì)于負(fù)曲率回轉(zhuǎn)體的纏繞成型也有很好的貼覆性。本文從原理上對(duì)采用仿型織造法織造的帶織物層疊纏繞玻璃鋼管的纏繞角度進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

1 帶織物層疊纏繞圓直管原理

1.1 傳統(tǒng)帶織物纏繞圓直管

在采用傳統(tǒng)的平面機(jī)織物纏繞成型時(shí)，由于各處經(jīng)紗長(zhǎng)度相等，為使織物貼覆在芯模上，只能實(shí)現(xiàn)單層纏繞，而且接縫處的纖維不連續(xù)，影響了制品的力學(xué)性能。

多層纏繞結(jié)果如圖1所示:管徑會(huì)逐漸增加，而且織物與模具間出現(xiàn)空隙，不貼覆。若想實(shí)現(xiàn)多層纏繞，只能增大織物的變形能力，使織物能夠貼覆在模具上，避免出現(xiàn)褶皺。通常需要對(duì)織物進(jìn)行裁剪，例如將膠布帶沿45°方向裁剪成窄布條［5］。裁剪織物不僅會(huì)導(dǎo)致纖維不連續(xù)，增加了工藝流程，還不可避免地產(chǎn)生邊角余料，最終降低復(fù)合材料的力學(xué)性能，增加其制造成本。

1.2 預(yù)成型織物層疊纏繞圓直管

預(yù)成型織物與傳統(tǒng)帶織物最大的區(qū)別在于其經(jīng)紗長(zhǎng)度不相等。它采用仿形織造技術(shù)，按照制品的輪廓形狀生產(chǎn)單層機(jī)織布［6-7］，生產(chǎn)的織物經(jīng)(緯)紗不等長(zhǎng)，織物可成曲面結(jié)構(gòu)。因?yàn)榭椢锍醪骄哂辛酥破返男螤?，在?fù)合成型時(shí)不需裁剪，將所需層數(shù)的這種預(yù)成型織物纏繞或?qū)雍掀饋?lái)［8-9］，即可成型復(fù)合材料制品。

將預(yù)成型織物在圓柱形模具上采用螺旋纏繞法進(jìn)行纏繞，即將織物以螺旋線層疊形式與成型輥進(jìn)行層疊纏繞，形成連續(xù)纏繞成型管道。纏繞過(guò)程如下(見(jiàn)圖2):若織物纏繞層數(shù)為三層時(shí)，第一層織物直接纏繞在成型輥上;第二層織物以一定的螺旋角纏繞在第一層織物上，并且保證第二層織物的下邊緣與第一層織物固定幅寬處的螺旋線重合;第三層織物又在第二層織物的基礎(chǔ)上以一定的螺旋角進(jìn)行纏繞，并且保證第三層織物的下邊緣與第二層織物固定幅寬處的螺旋線重合。以此類推。

圖2 帶織物層疊纏繞過(guò)程示意圖

2 層疊纏繞用帶織物的設(shè)計(jì)

為滿足管道所受載荷的要求，使管道的成型性良好，需要對(duì)圓直管道預(yù)成型織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圓直管道預(yù)成型織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括經(jīng)緯紗螺旋角度、經(jīng)紗長(zhǎng)度、織物組織、幅寬等參數(shù)的選擇。

2.1 經(jīng)緯紗螺旋角度

如圖3所示，螺旋纏繞的纏繞角度根據(jù)織物纏繞升距及管道直徑確定為:

式中:α——纏繞角度;

D——管道直徑;

h——織物纏繞時(shí)的升距。

圖3 預(yù)成型織物螺旋纏繞模具示意圖

若織物的幅寬為L(zhǎng)，將織物螺旋纏繞在模具上，纏繞層數(shù)為n，則需要沿幅寬方向?qū)⒖椢锓譃閚個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域彼此之間用3K碳纖維隔開(kāi)，因此存在n個(gè)條帶，如圖4所示。

圖4 多條帶纏繞示意圖

織物纏繞升距h為:

由式(1)和式(2)得出:

依據(jù)式(3)，圓直管道預(yù)成型織物的纏繞角取決于織物幅寬L、纏繞層數(shù)n和管道直徑D。當(dāng)選定管道直徑后，纏繞角的設(shè)計(jì)可通過(guò)調(diào)整織物幅寬和纏繞層數(shù)來(lái)滿足要求。

2.2 經(jīng)紗長(zhǎng)度

設(shè)織物厚度為H，模具半徑為R。假如纏繞一個(gè)n層圓直管，織物在幅寬方向被分為n個(gè)部分，如圖3所示，則各個(gè)部分的經(jīng)紗長(zhǎng)度Tj依次為:

2.3 織物組織和幅寬

由式(3)可知，當(dāng)纏繞層數(shù)、管道直徑一定時(shí)，織物幅寬越大則纏繞角度越大，由此造成層間拼接長(zhǎng)度的改變。復(fù)合材料層間強(qiáng)度和彈性模量低，層間是薄弱環(huán)節(jié)。因?yàn)閷娱g沒(méi)有增強(qiáng)纖維，所以它的層間剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都較低，充其量也只是樹(shù)脂本身的強(qiáng)度。為此應(yīng)合理設(shè)計(jì)鋪層拼接長(zhǎng)度，在層間不發(fā)生剪切破壞情況下，使載荷分布均勻。Bassetti、王強(qiáng)、游文等人［10-12］在關(guān)于復(fù)合材料鋪層拼接長(zhǎng)度對(duì)拉伸性能的影響方面都做過(guò)大量的研究，認(rèn)為隨著拼接長(zhǎng)度的增加，應(yīng)力集中效應(yīng)減弱，抗拉強(qiáng)度增加;當(dāng)拼接長(zhǎng)度達(dá)到某個(gè)值后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。因此，織物幅寬的設(shè)計(jì)必須滿足制品對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的要求?？椩炜椢飼r(shí)一般根據(jù)織物的使用要求對(duì)組織進(jìn)行選擇。在織造曲面織物時(shí)，一般選擇簡(jiǎn)單組織作為基礎(chǔ)組織，如平紋、斜紋等。這樣不僅設(shè)計(jì)織物組織圖較容易，而且簡(jiǎn)單組織的交織點(diǎn)多，織物質(zhì)地堅(jiān)牢，預(yù)成型織物的剪切變形小。但是不同的織物組織，對(duì)復(fù)合材料圓直管道性能的影響也不同。平紋組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但是交織頻繁，紗線屈曲多，壓縮時(shí)經(jīng)緯紗之間作用較強(qiáng)烈，導(dǎo)致環(huán)剛度減小;斜紋組織交織點(diǎn)少，織物纏繞時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定，經(jīng)緯紗易產(chǎn)生滑移，破壞了原有結(jié)構(gòu)，使環(huán)剛度減小。

3 層疊纏繞帶織物的纏繞成型

本試驗(yàn)采用350 tex無(wú)堿玻璃長(zhǎng)絲作為經(jīng)緯紗，其捻度為7捻/(10 cm)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的圓直管道的內(nèi)徑為38 mm，在經(jīng)改造的小樣機(jī)上進(jìn)行織造。表1為織物參數(shù)設(shè)計(jì)表，圖5為圓直管預(yù)成型織物實(shí)物圖。

表1 織物參數(shù)設(shè)計(jì)表

圖5 圓直管預(yù)成型織物實(shí)物圖

圖5中所示織物纏繞層數(shù)為3層，預(yù)成型織物在寬度方向被平均分成三部分。經(jīng)紗方向加入了3K碳纖維作為示蹤紗，這樣不僅方便織物后期的纏繞成型，還便于對(duì)經(jīng)緯紗間的角度進(jìn)行控制。由圖5可知，采用平紋時(shí)的成型效果較好，2/2斜紋較差?？椢锝M織為平紋時(shí)，經(jīng)緯交織點(diǎn)多，經(jīng)緯紗交織緊密，織物結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定;而2/2斜紋的經(jīng)緯紗交織點(diǎn)相對(duì)較少，織物相對(duì)較稀松，容易使織物出現(xiàn)鏤空現(xiàn)象?？椢锵聶C(jī)后按照一定的要求層疊纏繞在模具上，經(jīng)緯紗的垂直交織狀態(tài)發(fā)生傾斜。由于平紋織物較緊密，經(jīng)緯紗不易發(fā)生傾斜，織物卷繞成型圓直管的效果不好;而2/2斜紋組織織物卷繞成型圓直管的效果較好。

本試驗(yàn)所用織物的上機(jī)幅寬L為60 mm，纏繞層數(shù)n為3層，管道內(nèi)徑D為38 mm，代入式(3)可得

從圖6可以看出，采用仿形織造方法織造的帶織物可以與芯模貼覆，其貼覆性較傳統(tǒng)帶織物(圖1)有較大改觀。

4 結(jié)語(yǔ)

采用仿形織造法生產(chǎn)帶織物，纏繞成型玻璃鋼管道，這種方法織造出的織物不僅可使螺旋纏繞持續(xù)進(jìn)行，還避免了織物纏繞時(shí)出現(xiàn)架空或褶皺現(xiàn)象，從而可獲得成型良好的圓直管道。

圓直管道預(yù)成型織物的纏繞角取決于織物幅寬、纏繞層數(shù)和管道直徑。同時(shí)，織物的經(jīng)紗長(zhǎng)度不等，按照一定的規(guī)律隨纏繞層數(shù)的增加而增加。

圖6 纏繞實(shí)物圖

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