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第 4 期纤维复合材料 No 4 2 8
2005 年 12 月 POSITES Dec ,2005
结构·设计
环形气瓶缠绕的纤维轨迹分析
李翠云,李辅安,张强
(西安航天复合材料研究所,西安 710025)
摘要通过讨论环形曲面上的测地线,对环形气瓶纤维缠绕规律和线型进行了分析,对于缠绕成型工艺的开发、
推广与应用有着现实的意义。
关键词复合材料;环形气瓶;测地线;线型
Fiber Path Analysis of Torus Pressure Vessel in Filament Winding
LI Cui - yun , LI Fu - an ,ZHANG Qiang
(Xi’an posites Research Institute , Xi’an ,710025)
ABSTRACT In this paper , we discussed the geodesic path on the torus vessel in filament winding technique. The winding theory
and pattern is analysed in detail , which is useful for further research and development application in filament winding process.
posites ; torus vessel ; geodesic ; pattern
1 前言目前主要应用于航空及航天系统动力气瓶、生命维
持系统如消防呼吸器等氧气瓶。尤其是 1/ 2 或 1/ 4
纤维缠绕成型作为高性能结构复合材料制造中
圆环纤维缠绕产品的生产方法,国内研究相对较
广泛应用的技术,其成型制品的比强度和比刚度高、少[7~9 ] 。
重量轻,更重要的是制品隔热、耐腐蚀,这正是纤维
本文对环形气瓶缠绕线型轨迹进行了分析,以
缠绕(FW) 技术的固有特长。由于缠绕成型工艺生
作为产品结构强度设计的依据,同时也对缠绕机的
产效率高、成本低、易于实现机械化和自动化生产,
运动控制提供了依据,从而有助于对环形气瓶纤维
可广泛应用于航空、航天、化工、能源及体育运动等
缠绕技术进行更深入的研究。
领域[1 ] 。
随着计算机控制系统在纤维缠绕机中的应用, 2 圆环曲面的参数方程
对于圆柱体、筒体、锥体、球体和某些正曲率回转体
制品的缠绕路径设计相对容易,已有不少研究者对
其纤维缠绕规律进行了研究[2、3 ] 。随着对 FRP 复合
材料结构需求的增长,非轴对称物体的纤维缠绕产
品应用越来越多,主要是异形管道的配件———弯管
和 T 形管以及双向弯曲的构件如整个圆环面、环壳
表面等。在非轴对称物体的纤维缠绕过程中,计算
机辅助轨迹设计比较困难,这是由于非轴对称物体
的结构非常复杂。而纤维轨迹的计算必须非常精
确,不仅要求纤维轨迹要有良好的几何性质,如要求
纤维能均匀布满芯模表面,相邻轨迹基本平行和回图 1 环形曲面及坐标系
头自然等,还要求它们满足相应的机械约束,如不打
滑、不架桥、厚度均匀、稳定性好等。由此可见,其缠环形容器的回