《航天複合材料成型工藝概述》課程大作業
題目：__碳纖維纏繞成型太空飛行器儲罐的工藝過程
姓名：________王志強_________
學號：_____1120830218________
授課教師：_______劉俊巖
哈爾濱工業大學航空宇航製造系
2023年 4 月 2 日
1、引言
碳纖維複合材料在航天、軍工、電子、等等諸多領域都有著很廣泛的應用。尤其是碳纖維複合材料桿件是航空航天結構中最重要的組成部分，常用於飛機和太空飛行器的內部骨架以及發動機等零件的固定支架等。碳纖維複合材料的強度要高於銅，自身重量卻小於鋁，在與玻璃纖維相比，碳纖維還有高強度、高模量的特點，是非常優秀的增強型材料。
它不僅可以對塑料、金屬、陶瓷等材料進行增強。還可以作為新型的非金屬材料進行應用，它的組要特點有；高強度、耐疲勞、抗蠕變、導電、高模量、抗高溫、抗腐蝕、傳熱、比重小和熱脹脹係數小等優異效能。此外，纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續纖維或布帶、預浸紗按照一定規律纏繞到芯模上，然後經固化、脫模，獲得製品的工藝過程，具有比強度高、可靠性高、生產效率高、成本低等優點。
本文對碳纖維纏繞成型太空飛行器儲罐的工藝過程進行介紹。
2、纏繞成型工藝過程
纏繞成型是將連續纖維浸樹脂膠後按照預定角度纏繞到芯模上，然後得到成品。工藝優點是纏繞成形工藝效率高，可使製品最大限度地獲得所要求的結構效能。碳纖維纏繞成型太空飛行器儲罐的工藝過程如圖1。
圖1 纏繞成型工藝過程
2.1纏繞成型
碳纖維纏繞成型可分為濕法纏繞和乾法纏繞，其中濕法纏繞由於其成本較低、工藝性好，因此應用較為廣泛，圖2為濕法纏繞體系工藝圖。濕法纏繞裝置主要包括纖維架、張力控制裝置、浸膠槽、吐絲嘴以及旋轉芯模結構。國際上較先進的六維纏繞技術能夠很好地控制纖維走向，實現環向纏繞、旋向纏繞以及平面纏繞相結合。
實際生產中多採用旋向纏繞與環向纏繞相結合的方式，環向纏繞可消除氣瓶受內壓而產生的環向應力，旋向纏繞可提供縱向應力，提公升氣瓶整體效能。
圖2濕法纏繞工藝圖
纖維纏繞層的設計需要考慮纖維的各向異性，根據其結構要求，通常採用層板理論和網格理論來計算容器封頭、內襯、纖維纏繞層的應力分布情況，進而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。通過環向纏繞與旋向纏繞交替進行實現多層次結構，選擇適當纖維堆疊面積和縱向纏繞角度與旋向纏繞線型，不僅滿足強度要求，同時使封頭處能夠合理鋪覆。為了實現穩定纏繞，纏繞角度要使纖維在芯模表面落紗穩定且滿足不打滑、不架空兩方面的要求。
給纖維施加一定的纏繞張力，在浸膠槽浸潤樹脂後，通過纏繞裝置纏繞到芯模內襯上，最後通過烘箱旋轉固化得到製品。
2.2芯模製備
碳纖維纏繞成型中空製品的內模稱芯模。一般情況下，纏繞製品固化後，芯模要從製品內脫出。芯模設計的基本要求 ①要有足夠的強度和剛度，能夠承受製品成型加工過程中施加於芯模的各種載荷，如自重、製品重，纏繞張力，固化應力，二次加工時的切削力等；②能滿足製品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；③保證產品固化後，能順利從製品中脫出；④製造簡單，造價便宜，取材方便。
纏繞成型芯模材料分兩類：熔、溶性材料和組裝式材料。熔、溶性材料是指石蠟，水溶性聚乙烯醇型砂，低熔點金屬等，這類材料可用澆鑄法製成空心或實心芯模，製品纏繞成型後，從開口處通入熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從製品中流出，流出的溶體，冷卻後重複使用。
組裝式芯模材料常用的有鋁、鋼、夾層結構、木材及石膏等。另外還有內襯材料，內襯材料是製品的組成部分，固化後不從製品中取出，內襯材料的作用主要是防腐和密封，當然也可以起到芯模作用，屬於這類材料的有橡膠、塑料、不鏽鋼和鋁合金等。
2.3纏繞機
纏繞機主要由芯模驅動和繞絲嘴驅動兩大部分組成。為了消除繞絲嘴反向運動時纖維松線，保持張力穩定及在封頭或錐形纏繞製品紗帶布置精確，實現小纏繞角（0°～15°）纏繞，在纏繞機上設計有垂直芯軸方向的橫向進給（伸臂）機構。為防止繞絲嘴反向運動時紗帶轉擰，伸臂上設有能使繞絲嘴翻志的機構。
機械式纏繞機型別：（1）繞臂式平面纏繞機其特點是繞臂（裝有繞絲嘴）圍繞芯模做均勻旋轉運動，芯模繞自身軸線作均勻慢速轉動，繞臂（即繞絲嘴）每轉一周，芯模轉過乙個小角度。此小角度對應纏繞容器上乙個紗片寬度，保證紗片在芯模上乙個緊挨乙個地布滿容器表面。
芯模快速旋轉時，繞絲嘴沿垂直地面方向緩慢地上下移動，此時可實現環向纏繞，使用這種纏繞機的優點是，芯模受力均勻，機構執行平穩，排線均勻，適用於乾法纏繞中小型短粗筒形容器。 （2）滾翻式纏繞機這種纏繞機的芯模由兩個搖支承，纏繞時芯模自身軸旋轉，兩臂同步旋轉使芯模翻滾一周，芯模自轉乙個與紗片寬相適應的角度，而纖維紗由固定的伸臂供給，實現平面纏繞，環向纏繞由附加裝置來實現。由於滾翻動作機構不宜過大，故此類纏繞機只適用於小型製品，且使用不廣泛。
（3）臥式纏繞機這種纏繞機是由鏈條帶動小車（繞絲嘴）作往復運動，並在封頭端有瞬時停歇，芯模繞自身軸作等速旋轉，調整兩者速度可以實現平面纏繞、環向纏繞和螺旋纏繞，這種纏繞機構造簡單，用途廣泛，適宜於纏繞細長的管和容器。（4）軌道式纏繞機軌道式纏繞機分立式和臥式兩種。紗團、膠槽和繞絲嘴均裝在小車上，當小車沿環形軌道繞芯模一周時，芯模自身轉動乙個紗片寬度，芯模軸線和水平面的夾角為平面纏繞角。
從而形成平面纏繞型，調整芯模和小車的速度可以實現環向纏繞和螺旋纏繞。軌道式纏繞機適合於生產大型製品。（5）行星式纏繞機芯軸和水平面傾斜成纏繞角。
纏繞成型時，芯模作自轉和公轉兩個運動，繞絲嘴固定不動。調整芯模自轉和公轉速度可以完成平面纏繞、環向纏繞和螺旋纏繞。芯模公轉是主運動，自轉為進給運動。
這種纏繞機適合於生產小型製品。 （6）球形纏繞機球形纏繞機有4個運動軸，球形纏繞機的繞絲嘴轉動，芯模旋轉和芯模偏擺，基本上和搖臂式纏繞機相同，第四個軸運動是利用繞絲嘴步進實現紗片纏繞，減少極孔外纖維堆積，提高容器臂厚的均勻性。芯模和繞絲嘴轉動，使纖維布滿球體表面。
芯模軸偏轉運動，可以改變纏繞極孔尺寸和調節纏繞角，滿足製品受力要求。（7）電纜式縱環向纏繞機縱環向電纜式纏繞機適用於生產無封頭的筒形容器和各種管道。裝有縱向紗團的轉環與芯模同步旋轉，並可沿芯模軸向往復運動，完成縱向紗鋪放，環向紗裝在轉環兩邊的小車上，當芯模轉動，小車沿芯模軸向作往復運動時，完成環向紗纏繞。
根據管道受力情況，可以任意調整縱環向紗數量比例。（8）新型纏管機新型纏管機與現行纏繞機的區別在於，它是靠管芯自轉，並同時能沿管長方向作往復運動，完成纏繞過程。這種新型纏繞機的優點是，繞絲嘴固定，為工人處理斷頭、毛絲以及看管帶來很大方便；多路進紗可實現大容量進絲纏繞，纏繞速度快，布絲均勻，有利於提高產品重量和產量。
3、總結
隨著對航空航天結構材料的需求提高，碳纖維纏繞成型在太空飛行器儲罐的加工工藝過程中的應用越來越重要，我們對該工藝過程的研究的意義凸顯，進一步提高碳纖維纏繞成型的效率。
4、參考文獻
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