一文详细了解纤维缠绕工艺的特点、类型及优缺点分析

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

纤维缠绕工艺特点

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。层压板的密度是由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。

纤维缠绕工艺主要类型

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

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。