不等开口压力容器非测地线缠绕的CAD CAM技术.pdf

２０１０年第３期玻璃钢／复合材料２ｌ不等开口压力容器非测地线缠绕的ＣＡＤ／ＣＡＭ技术李翠云，李辅安（西安航天复合材料研究所西安７１００２５）摘要：本文针对两端封头开口比大的复合材料容器在缠绕工艺中遇到的纤维滑线问题，对圆筒段路径采用非测地线，封头为近测地线的轨迹，详细讨论了不同结构形式容器缠绕角的求解方法，从而实现非测地线路径设计。并给出非测地线稳定缠绕的判别公式，对缠绕可行性进行了分析判断。最后在此基础上开发了缠绕程序，实现了缠绕工艺的自动化铺层设计和缠绕成型，对不等开口容器的缠绕设计和工艺具有指导性作用。关键词：不等开口；压力容器；非测地线；线型中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１０）０３００２１０４纤维缠绕工艺能充分发挥材料的优点制作高性能结构复合材料，其自动化程度很高，主要体现在缠绕线型的计算机辅助设计和缠绕运动的计算机控制。计算机控制纤维缠绕机能够实现复杂曲面的缠绕成型，如发动机壳体、高压容器等。如果将ＣＡＤ／ＣＡＭ技术应用于缠绕成型工艺中，集产品设计与制造于一体，用计算机模拟以确定最佳参数，然后由计算机控制整个缠绕过程，这样不仅可以大大缩短设计周期、降低成本、提高生产效率及产品质量，而且还可以较大地改进工作环境，提高生产过程的自动化水平，为先进制造技术在缠绕成型工艺中的开发、推广与应用提供了广阔的发展前景。计算机辅助设计又是计算机辅助制造的基础，它可以将制品的形状、强度、刚度、线型、厚度以及丝嘴的位置、运动等归集到一个设计系统。压力容器的螺旋缠绕是一种连续的纤维缠绕过程，缠绕轨迹是由筒身段的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线组成。对于螺旋缠绕可以采取两种形式即测地线和非测地线。测地线是曲面上任意指定两点间的最短连线，又叫短程线，也是曲面上两点间最稳定的连线。测地线缠绕是在不考虑芯模表面摩擦力的情况下讨论的，其普遍应用了回转曲面测地线的Ｃｌａｉｒａｕｔ定理。但采用测地线缠绕时，缠绕角有时不可控制，工程中常用的不等开口容器等不可用测地线理论进行缠绕。而实际物理系统芯模表面却存在摩擦力，非测地线缠绕利用了摩擦机理，使得纤维轨迹可以在一定范围内偏离测地线，为缠绕制品的设计提供了灵活性，因此也可以采用非测地线缠绕的方式实现纤维的稳定缠绕。对于筒形回转体容器，缠绕角是确定缠绕轨迹是否稳定以及封头和圆筒段轨迹是否有效过渡的关键因素，当封头的两个极孔半径相同时，在缠绕成型中筒段的缠绕角是固定不变的，可以实现封头和圆筒段均为测地线的稳定缠绕轨迹。当封头的两个极孔半径相差很大时，尤其是在湿法缠绕工艺中，若圆筒段仅采用单一的缠绕角，就会在两端的封头产生滑线现象，严重时甚至无法进行缠绕。本文针对不等开口内压容器缠绕中存在的滑线问题，对大开口比压力容器筒段采用非测地线缠绕，封头采用测地线缠绕轨迹，重点分析了圆筒段采用不同的缠绕角进行的线型分析和计算，并编制了计算机缠绕程序。１不等开口容器缠绕模型不等开口容器由圆筒段和两端封头组成。对于开口比最大３：１，筒径比不超过８０％的容器采用本文中的方法可以实现湿法缠绕工艺。本文对其缠绕模型的分析采用芯模静态分析法，即假设芯模不动，缠绕的实现通过绕丝嘴围绕芯模的转动来完成。因此，建模的基本坐标采用空间笛卡尔坐标，参照点为所选笛卡尔坐标系的原点，建模坐标系（Ｘ轴垂直纸面向外）及参数如图１所示。收稿日期：２００９－０２－０２基金项目：中国航天科技集团公司第四研究青年基金作者简介：李翠云（１９８０－），女，硕士，工程师，主要从事结构复合材料成型工艺及缠绕仿真技术研究。Ｆ＇ＩｌＩ／ＣＭ２Ｏｌ０。Ｎｏ・３２２不等开口压力容器非测地线缠绕的ＣＡＤ／ＣＡＭ技术２０１０年５月图１不等开口容器基本参数Ｆｉｇ．１Ｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｌａｒｏｐｅｎｉｎｇｓｖｅｓｓｅｌ基本参数如下：Ｄ０为简体段直径；Ｌ０为芯模筒体段长度；ｄｌ，ｄ２分别为前、后封头的极孔直径；Ｈ１，Ｈ２分别为前、后封头的高度；ａ，ｂ分别为椭圆封头长、短轴长度；仪，分别为前、后封头赤道处缠绕角。２缠绕路径的设计本文中圆筒段和封头均采用非测地线缠绕路径。对于测地线方程，圆筒段的纤维轨迹是一直线，而非测地线在圆筒曲面展开图中是一条弧线，缠绕角不是恒定值，是否能稳定缠绕取决于浸渍纤维与芯模曲面或纤维层间的摩擦力，因此缠绕角的选取有一定的限制。下面分三类容器对非测地线稳定缠绕角进行分析。２．１长径比大的容器由克列洛定理，两端赤道处测地线缠绕角为：…ｅｓｉｎ（ｄＩ）（１）…ｃｓｉｎ（为此，筒段非测地线采用缠绕角均匀递增的方法，便可满足封头不滑线的要求。根据非测地线缠绕稳定公式：≥（一）（２）其中，Ｋ为缠绕不滑线安全系数，取值范围为１．０～２．０，根据影响因素和经验确定；ＯＬ，：分别为圆筒段缠绕起点和终点缠绕角。若满足上述公式，≥则不会滑线。反过来说，根据不滑线公式Ｌ。（＿『ｌ＿一＿Ｌ），在工艺上只要不滑线，安全系数Ｋ和摩擦力能够保证此式右边的值小于筒段长度，则筒段可按非测地线缠绕，从而封头可采用测地线轨迹设计，便可实现稳定缠绕。ＦＲＰ／ＣＭ２０ｌＯｉＮｏ．３２．２短粗型容器通常纤维缠绕容器的封头稳定缠绕角在赤道处与产品设计要求之缠绕角不一致，此时要利用非测地线原理对封头部分进行线型设计。尤其对于大开口比的短粗型容器，圆筒段的非测地线稳定偏差缠绕角很小，只能靠两个封头的非测地线稳定偏差角来调整，使圆筒段变为等缠绕角区段，从而改善不等开口容器的滑线情况。△：≤△【】，［ｚｉ】为允许稳定缠绕角，Ｊ由查表得出，取两封头中较小者。若满足此式，则大开口缠绕角可减为，小开口缠绕角可增加为＝一△△，小开口缠绕角可增加为＝＝，＋０ｃ。２．３一般大小开口容器这种容器既利用筒身的非测地线稳定缠绕，又利用了两封头的非测地线稳定缠绕。由开口比和椭△△球比查表１得［】，【口】：，其中，表中尺。为封头Ⅱ最大半径，ｒ０为封头开口半径，Ｈ为封头高度，为ｎ０△椭圆比，为开口比，［】为稳定偏差角（单位：ｎＯ度）。则两封头非测地线缠绕角为：ｏｔｌｔ￣△１＋［仪】ｌ２非＝２一【Ａａｌ，（３）表Ｉ开口封头非测地线稳定缠绕偏差角Ｔａｌｂｅ１Ｄｉｆ—ｆｅｒｅｎｃｅａｎｇｌｅｏｆｎｏｎｇｅｏｄｅｓｉｃｓｔａｂｌｅｗｉｎｄｉｎｇｏｎｏｐｅｎｉｎｇｄｏｍｅＯ．３０．４０．５Ｏ．７１．Ｏ１．５２．Ｏ９．１７．０５。９４．９４．５５．Ｏ５．６８．２６．３５．８４．７４．６５．１５．７５．２４．０３．６４．０４．７５．８６．３因此，将仅啡，仅：非代入不滑线公式判断是否稳定，若满足则筒身可以实现非测地线。当然，大开口比容器非测地线稳定缠绕在工艺上的可实现性，主要取决于摩擦力。如纤维种类，胶液粘度、丝嘴速度、张力大小（张力越大，非测地线轨迹越容易滑线）以及被缠绕层表面情况等因素都反应摩擦力的大小，从而影响缠绕工艺的可行性。２０１０年第３期玻璃钢／复合材料２３由上述分析可得，筒体段变缠绕角的芯模中心角为：Ｏ：—．．一．（４）ｉ一’＇ｒｅＤｏ…ｉｎＣＯＳ￣ｉＬ４）其中，ｎ为筒段离散点数；。为筒身段起始点缠绕角；为筒身段任意截面ｉ处缠绕角；０为筒段任一微元相对起点的芯模中心角。“”封头段落纱点轨迹工程上常采用截平面法近似求解，其计算（图２）的芯模包角为：：—２（６＋９０）：２（ａｒｃｓｉ三兰＋９０）０（５）椭球体封头的测地线缠绕轨迹用Ｌｉｏｕｖｉｌｅ公式推导结果为：一二三二匦ｄ一０ｚ√≤≤≤≤焉，。２仃，。ｚ日（６）一兰！垒—ｄｚｂ一Ｚ２／————，一图２封头包角的计算Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｄｏｍｅｃｅｎｔｒａｌａｎｇｌｅ３ＣＡＤ／ＣＡＭ程序结构及功能筒形压力容器缠绕成型ＣＡＤ／ＣＡＭ系统主要由两大部分组成，即ＣＡＤ模块和ＣＡＭ模块。由主界面统一进行管理，各部分结构及功能如图３所示。图３ＣＡＤ／ＣＡＭ系统组成Ｆｉｇ．３ＦｒａｍｅｏｆＣＡＤ／ＣＡＭｓｙｓｔｅｍ３．１程序的功能当选定封头型面及容器内压后，ＣＡＤ模块可以进行缠绕制品的工艺设计、结构设计和线型设计等，设计的结果是控制主要完成以下工作：（１）输入产品的性能要求（如压强等）和芯模的结构尺寸，主要有极孔直径、筒身直径、筒身长度、封头型面参数（如封头为椭球形，椭圆的长、短轴长度），为后续的设计提供参数依据。（２）选定原材料和工艺设计参数，并根据强度设计的网格理论方法计算结构铺层，如缠绕方式、层数、缠绕角等。（３）根据工艺和结构计算参数进行线型设计，如测地线和非测地线轨迹，设计流程图如图４所示，得到缠绕线型参数，如切点数、线型、带距、芯模转角等。图４线型设计程序流程图Ｆｉｇ．４Ｐｒｏｃｅｓｓｐｌｏｔｏｆｗｉｎｄｉｎｇｌｉｎｅｔｙｐｅｄｅｓｉｇｎ（４）判断线型轨迹的平稳性和精确性，并显示工艺参数如壁厚、缠绕角、带距、强度沿轴向的变化图。当输入缠绕机设备参数和各运动参数后，ＣＡＭ模块主要是运动控制，依据缠绕线型和运动方程精ＦＲＰ／ＣＭ２０１００『ｏ．３不等开口压力容器非测地线缠绕的ＣＡＤ／ＣＡＭ技术２０１０年５月确地控制各个独立运动轴的运动，从而控制缠绕过程及其参数变化，以达到设计要求。本模块主要完①成的工作有：对缠绕轨迹进行描述显示，查看实际②缠绕过程；由芯模结构可选择绕丝嘴的运动路线；③自动计算机器控制运动坐标，并显示丝嘴的运动④轨迹；自动将控制文件输出到数控缠绕机进行缠⑤绕；操作者根据工艺要求可修改参数，以取得最优结果。３．２程序设计特点程序设计采用面向对象的模块化方法，利用芯模形状的共性，编制各种专用功能子程序，模块与模块之间既有区别又有联系，界面友好，运算速度快，①具体有以下特点：回转曲面简体采用解析方程法，“”精确度高，封头包角采用平面假设法，计算过程②准确；求解过程中离散数量根据容器的尺寸自动选取合适的步长，以满足纤维轨迹的计算精度和程③序的运算速度；将计算量大的线型优化参数，如带距、缠绕角的迭代计算程序独立出来，提高计算机运④行速度；公用过程和模块的设计尽量一般化，以满足所有缠绕制品的设计。４结语本文给出了不等开口容器非测地线缠绕缠绕角的计算方法及椭球封头测地线微分方程，由此可进行内压容器的结构设计和缠绕线型设计。本文设计的ＣＡＤ／ＣＡＭ程序可在计算机上完成从性能要求、结构参数、工艺参数、缠绕控制等产品设计和制造的完整流程，保证缠绕的可靠性。而且，控制系统可生成数控Ｇ代码文件，为设计人员、工艺人员进行缠绕运动参数和产品的设计、制造提供了一套实用的工具。参考文献［１］冷兴武．纤维缠绕原理［Ｍ］．济南：山东科学技术出版社．１９８９．—ＬＥＮＧＸｉｎｇ－ｗｕ．Ｔｈｅｏｒｙｏｆｆｉｌａｍｅｎｔｗｉｎｄｉｎｇ［Ｍ］．ＪＩＮＡＮ：ＳｈａｈｄｏｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｅｓｓ，１９８９．［２］胡俊，李鹏，吴耀楚．螺旋缠绕厚壁压力容器封头段的线型调整［Ｊ］．化工机械．２００３，１（３Ｏ）：２６－２８．ＨＵＪｕｎ，ＬＩＰｅｎｇ，ｅｔａ１．ＬｉｎｅａｒＡｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅＨｅａｄｏｆａＳｐｉｒＭ—ＷｏｕｎｄＴｈｉｃｋ．ＷａｌｌＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌ『Ｊ］．ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ，２００３，ｌ（３Ｏ）：２６－２８．［３］梅向明，黄敬之．微分几何［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００３．———ＭＥＩＸｉａｎｇｍｉｎｇ，ＨＵＡＮＧＪｉｎｇｚｈｉ．ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＧｅｏｍｅｔｒｙ［Ｍ］Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎＰｒｅｓｓ，２００３．［４］ＢｏｂＲｅｓｅｌｍａｎ，ＲｉｃｈａｒｄＰｅａｓｌｅｙ（美）．实用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００１，３ＢｏｂＲｅｓｅｌｍａｎ，ＲｉｃｈａｒｄＰｅａｓｌｅｙ．ＰｒａｃｔｉｃａｌＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６ｔｕｔｏｒｉａｌ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｎｇ：Ｓｉｎｇｈｕａｎｉ・ｖｅｍｉｔｙＦｅｓｓ，２００１．［５］吴耀楚，姚天海，刘第楷．玻璃钢缠绕成型工艺的计算机辅助分析、设计和控制［Ｊ］．中国建材装备，１９９６，（１２）：２２－２５．——ＷＵＹａｏｃｈｕ，ＹＡＯＴｉａｎｈａｉ，ｅｔａ１．Ｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｅｓｉｇｎ—ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆＦＲＰｗｉｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓ［Ｊ］．ＣＨＩＮＡＢＵＩＤＩＮＧＭＡＴＥＲＩＡＬＥＱＵＩＭＥＮＴ，１９９６，（１２）：２２－２５．’’ＣＡＤ／ＣＡＭＦ０ＲＮｏ－ＧＥ０ＤＥＳｌＣＷｌＮＤｌＧ０ＩＨＥＰＲＥＳＳＵＲＥＶＥＳＳＥＬＳⅡＷｒｒＨＤＦＥＲＥＮＴＰｏＬＡＲｏＰＥＮＩＮＧＳ——ＬＩＣｕｉｙｕｎ，ＬＩＦｕａｎ’（ＸｉｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎ７１００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｓｌｉｐｐｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｉｎｄｉｎｇｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｌａｒ—ｏｐｅｎｉｎｇｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓｎｏｎｇｅｏｄｅｓｉｃｐａｔｈｔｏｃｙｌｉｎｄｅｒｓｅｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅｍａｎｄｒｅ１．Ｔｈｅｗｉｎｄｉｎｇｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔａｂｌｅｗｉｎｄｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｆｕｌｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖｅｓｓｅｌｓｗｉｔｈｔｈｅｂｉｇｇｅｒｐｏｌａｒｏｐｅｎｉｎｇｓｉｎｆｉｌａｍｅｎｔｗｉｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｌａｒｏｐｅｎｉｎｇｓ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ；ｎｏｎ－ｇｅｏｄｅｓｉｃ；ｐａｔｔｅｒｎＦＲＷＣＭ２０１ｏ．Ｎｏ．３