复合材料干法缠绕成型技术探索研究

较常规的复合材料湿法缠绕工艺而言,干法缠绕工艺具有树脂含量控制精度高、缠绕效率高、张力施加精准等明显优势,是高精密复合材料壳体结构件缠绕工艺的技术发展趋势。研究开展了干法缠绕成型技术在某复合材料转子成型的初步探索;开展了高质量预浸纤维制备工艺技术研究,确定了牵引张力、浸胶方式、树脂加热温度、胶量控制、卷绕速度等主要工艺参数;执行该参数获得了满足展纱宽度、树脂含量等技术指标要求的预浸纤维;开展了基于CADWIND的缠绕线型及工艺设计,确定了满足性能要求并与缠绕设备、模具等机械结构相匹配的缠绕铺层及设计线型。通过试验件制备完成缠绕工艺验证,所制备试验件各项力学性能均满足专用设备设计指标要求,且试验件环向强度较湿法缠绕有明显提升。

固体火箭发动机壳体干法缠绕成型技术研究

相比传统湿法缠绕成型工艺,干法缠绕环保清洁,无树脂污染,可以解决去手工化问题,提高生产效率,同时精确控制预浸料树脂含量,提高产品质量的可靠性,具有诸多优点,有望成为未来固体火箭发动机复合材料壳体缠绕成型工艺技术的主流方向。本文以T700丝束预浸纱为原料,通过干法缠绕制备了单向板及NOL环试样,与湿法缠绕试样相比,拉伸性能略低,层间剪切强度较高。最后在固体缩比发动机壳体上进行了干法缠绕应用,壳体爆破压力达到12.15MPa,纤维强度发挥率达到85%。

干法缠绕用碳纤维增强环氧树脂预浸纱线的设计及其性能研究

干法缠绕能有效提高复合材料制品的质量稳定性,是目前复合材料制备的研究重点之一。本文开发了一种适用于干法缠绕的环氧树脂体系,并采用热熔法制备出可室温储存的预浸纱线。通过对环氧树脂工艺性能、力学性能、玻璃化转变温度和非等温流变曲线的研究,确定了树脂体系的组分配方。与此同时,系统地研究了预浸纱线的室温储存性能。研究结果表明,所开发的最优环氧树脂体系在满足干法缠绕工艺性能的同时具有优异的力学性能,拉伸强度为69 MPa,弯曲强度为109 MPa,断裂韧性与冲击强度分别为1.36 MPa·m^(1/2)和42.8 kJ/m^(2)。由该环氧树脂体系制备的预浸纱线的储存稳定性良好。在室温储存60 d后,预浸纱线的工艺性能及环氧树脂的力学性能没有发生明显变化。

基于干法缠绕的固体火箭发动机壳体补强工艺研究

本文开展了基于干法缠绕成型工艺固体火箭发动机复合材料壳体样件的力学特性研究。通过建立基于三次样条厚度预测方法的封头精细化数值模型,利用Hashin失效判据对壳体爆破压强进行预测,并结合试验结果,分析了固体火箭发动机壳体的水压爆破失效行为。基于该数值模型,探究了补强角度、补强厚度和补强区域对壳体爆破行为的影响。结果表明:封头精细化补强对壳体的承载性能有较大提升,通过40°补强层进行封头补强,壳体爆破压强提升了约50%;在一定范围内,壳体的爆压压强随着补强层的增加而增加;针对破坏位置的局部补强对壳体水压爆破强度有一定的提升,但壳体封头处未补强的区域会因为强度不足而发生破坏。研究成果对基于干法缠绕工艺的固体火箭发动机壳体的研制具有重要参考意义。

国产碳纤维干法缠绕成型工艺研究

开发了一套预浸纱制备系统,可快速、无损制备干法缠绕预浸纱。通过预浸纱树脂性能测试,明确预浸纱固化工艺为:90℃/2h→120℃/2h。通过对预浸纱复合材料进行测试,验证预浸纱干法缠绕成型工艺可行性。最后,采用6.8L铝内胆干法缠绕制备复合材料气瓶,气瓶水压爆破压力达到118.9MPa。经计算,干法缠绕复合材料气瓶纤维强度发挥率0.91,高于湿法缠绕纤维强度发挥率。

干法缠绕成型工艺制备压力容器

碳纤维复合材料压力容器因其轻质、高强、耐腐蚀等特点广泛应用于航空航天领域。其工艺多采用湿法缠绕成型,存在着操作环境差,含胶量和制品质量不易控制等问题。因此,本文采用干法缠绕成型工艺制备6.8L复合材料气瓶,经气密试验,水压试验,疲劳试验和爆破试验,验证气瓶合格。通过干/湿法缠绕成型气瓶爆破压力对比分析,结果表明,干法缠绕6.8L复合材料气瓶爆破值稳定,偏差系数(CV)可以控制在3%以内,优于湿法缠绕成型。

干法缠绕用碳纤维复合材料耐压支撑管铺层优化设计

碳纤维复合材料(CFRP)具有高刚度、高强度等优势,是进行轻量化结构设计的先进新型材料。铺层优化设计是CFRP制件结构设计的重要内容之一。基于ABAQUS对CFRP耐压支撑管铺层结构进行优化。确立以[(90°/±20°)_(5)/90°/(±20°)_(9)/90°/(±20°/90°)_(5)]为最终铺层方案。采用干法缠绕成型工艺制备CFRP耐压支撑管,以有限元法和试验法对方案进行验证。结果表明:模拟分析CFRP耐压支撑管的抗压强度为817.4 MPa,抗压模量为167.7 GPa,对应的强度安全系数为1.84,模量安全系数为1.86。CFRP耐压支撑管的平均抗压强度为683.85 MPa,平均抗压模量为137.9 GPa,对应的强度安全系数为1.54,模量安全系数为1.53,均能够满足技术性能指标要求。

缠绕张力对干法缠绕复合材料结构残余应力及回弹变形的影响

开展纤维缠绕结构缠绕与固化后残余应力评估是开展缠绕工艺优化设计、实现服役前预应力设计的重要前提。本文采用干法缠绕工艺,基于钢芯模和尼龙6(PA6)芯模分别制备了恒定张力(40 N)、内松外紧(20 N-40 N-60 N)和内紧外松(60 N-40 N-20 N)3种不同张力制度的复合材料缠绕圆筒,通过测试切割过程应变释放量与回弹变形对内部残余应力进行对比分析。借助生死单元法,建立了复合材料圆筒的逐层缠绕过程分析模型,模拟缠绕后残余应力分布;并基于CHILE(Tg)本构模型,开展了复合材料圆筒固化过程模拟,预测固化后残余应力及切割后回弹变形。研究表明:固化应力与缠绕张力均对总残余应力产生贡献,但由于固化过程剩余缠绕张力进一步放松,固化后总残余应力水平低于缠绕残余应力与固化应力之和。固化过程不会改变缠绕张力对最终残余应力分布的影响;缠绕张力对总残余应力的影响程度与芯模材质相关,芯模热变形越大,缠绕张力的影响越弱。当采用相同芯模时,内松外紧(20 N-40 N-60 N)张力制度产生的切割回弹角最小,内紧外松(60 N-40 N-20 N)张力制度产生的回弹角最大;当采用相同张力制度时,PA6芯模制备的缠绕圆筒试样切割后回弹角远大于钢芯模制备试样。

干法缠绕用预浸纱制备工艺优化及其性能

干法缠绕是缠绕成型工艺的重要分支,其缠绕过程含胶量均匀、缠绕效率高、环境污染小,更容易实现工业自动化生产。开发具有良好加工性能的预浸纱,对干法缠绕的推广应用具有重要意义。通过动态DSC和恒温DSC,结合流变测试,研究了所用环氧树脂体系固化特性,基于自催化模型建立树脂固化反应动力学方程,并与实测固化度对比验证。搭建预浸纱制备平台,采用改进热熔法制备干法缠绕用预浸纱,分析制备过程中不同固化度对预浸纱表面质量的影响。在此基础上通过响应面法分析不同工艺参数(纱架张力、收卷速率、烘道温度)对预浸纱含胶量的影响。结果表明:自催化模型与实验结果基本吻合,适用于干法缠绕预浸纱最佳固化度范围为5%~10%,对含胶量影响最大的因子是收卷速率,其次是放纱张力,烘道温度影响最小。综合考虑各工艺参数影响规律,获得优化的制备工艺参数:烘道温度为180℃,收卷速率为8 m/min,放纱张力为6 N,此时树脂含胶量为30.1wt%。NOL环拉伸强度可达2536.1 MPa,拉伸模量为162.3 GPa,层间剪切强度为57.3 MPa。

用混编布带缠绕薄壁圆筒的研究

用F - 12 /碳纤维混编布带干法缠绕成型了Ф15 0mm薄壁圆筒 ,测试了薄壁圆筒的轴压力学性能 ,着重分析了布带预热温度、缠绕张力以及压辊压力等缠绕工艺参数对薄壁圆筒层间结构的影响。试验结果表明 :当工艺参数选择适当时 ,用混编布带缠绕成型的Ф15

高性能碳纤维加筋圆柱壳的研制

复合材料网格加筋结构是先进结构材料和先进结构形式的良好结合。本文根据ϕ500 mm加筋圆柱壳的研制要求,开展了其材料选择、仿真计算、模具设计和工艺方案的研究。通过对其产品外观、内部质量以及力学性能的考核,证明了HF40A/EH108高性能碳纤维预浸料体系良好的力学性能和工艺性能,以及仿真计算方法、组合模具设计和对模成型工艺对该类型产品的可行性。

玻纤/环氧高强支撑的成型工艺与力学性能分析

玻璃纤维/环氧高强支撑采用半干法缠绕铺放成型工艺,成型过程中首先制作玻璃纤维预浸带,利用有限元方法进行了校核,该结构未失效;对支撑进行了力学性能试验,结果表明:支撑性能完全达到技术指标。

基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法及验证分析

提出了一种基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法。通过编写PYTHON脚本程序,实现将缠绕软件生成的信息文件进行数据处理,导入ABAQUS中参数化生成有限元模型的建模功能。通过数值分析中的B样条函数法对缠绕软件导出的波动数据进行光滑处理,并分析其在压力载荷工况下的力学性能变化。使用干法预浸带缠绕壳体,通过水压爆破实验结果与有限元结果进行对比,验证建模方法的准确性。结果表明,快速化建模方法建立的壳体有限元模型在压强为26.02 MPa时发生了失效,水压爆破实验中内压达到27 MPa时壳体失效,有限元模型的位移和失效形式等均能与实验结果吻合较好。基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法能较准确地对壳体的实际工作情况进行预测。

新一代高性能增强织物

欧文斯科宁最近推出了"HiPer-texTM"高性能增强织物产品系列,其中"WindStrandTM"是为适合风力机叶片制造中树脂灌注和预浸料工艺要求而专门设计的。HiPer-tex新技术可以使强度提高35%,模量增加17%,抗冲性更好,而且耐腐蚀和高温,尤其是疲劳性能比传统的E-玻纤层合板提高很多。这一优越的性能正是风能、压力容器、装甲、航空和轻质结构件市场所需要的。本文用各种不同类型的层合板对上述性能进行了测量,并逐一叙述。