曲面仿形織物縮比卷取模具設計

朱立平，唐亦囡，楊 成，潘 梁

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

復合材料補強是提高碳纖維殼體的內壓承載性能的有效手段［1-3］，目前報道的補強方法主要包括：鋪放補強、封頭帽補強和纏繞補強［4-8］。鋪放補強效率、質量可靠性相對較低；封頭帽補強型面吻合性較差；纏繞補強材料浪費量大。仿形織物是按部件的外形輪廓設計織造的單層機織物［9，10］，織物可呈曲面結構，在成型時將仿形織物纏繞或層合起來，應用方便，同時可保證經緯紗的夾角［11～13］?；诜滦慰椩旒夹g，崔蓓等人成功織造了可直接纏繞成氣瓶的回轉體仿形織物［14］。

當仿形織物應用于大尺寸回轉構件時，設計織造中存在以下問題：對于曲面曲率變化快的回轉構件，卷取過程中易發生紗線滑移，織物質量控制困難；對于大尺寸回轉構件，若使用構件等尺寸卷取模具，對場地要求較高。因此根據回轉構件模型對仿形織物卷取模具進行縮比設計，降低仿形面曲率及卷取模具尺寸是必要的。本文建立了一種仿形織物縮比卷取模具設計評價方法，為大尺寸回轉構件用仿形織物設計織造提供有力支持。

1 縮比模具設計

回轉構件用仿形織物要求織物在構件模具上纏繞時具備良好的貼服性，織物厚度均勻且經紗保持周向，卷取模具的仿形設計決定了所需織造的曲面仿形織物的形狀［15］，合理的卷取模具設計是實現仿形織物設計的第一步。

1.1 設計方法

如圖1為曲面回轉構件及按其曲面織造的仿形織物，織物幅寬與構件母線長度一致，經紗長度與其所在高度的回轉半徑成正比。

圖1 回轉構件用仿形織物［13］

在設計仿形織物縮比卷取模具時，應保證：

（1）卷取模具母線與構件母線長度相同；

（2）若以母線大直徑端點為起點，回轉構件模具母線Cd上距起點距離L的點Pr與卷取模具母線Cr上距起點距離L的點Pd，Pd與Pr回轉半徑之比應等于縮比倍數，參照圖2所示。

如圖2，在Cd上取一系列點Pdi（rdi，zdi），Ldi為Cd上點Pd（i-1）與點Pdi間的曲線距離。Cr為待求曲線，設Cr上的一系列點Pri（rri，zri），Pr（i-1）與Pri以直線連接，兩點直線距離為Lri。

式中：

N——卷取模具對回轉構件模具的縮比倍數；

Cd——回轉構件模具母線。

Cd已知，其上點Pdi（rdi，zdi）及Ldi均可由CAD軟件獲得。

以（3）為初始條件，根據公式（1）-（2）可計算出一系列Pri點，從而獲得一條長度與Cd相同的曲線Cr，作為卷取模具母線，見圖2。

圖2 縮比卷取模具設計

1.2 評價方法

織物主要依靠剪切變形實現與模具曲面的帖服，但剪切變形造成經緯紗之間不再垂直。為分析基于縮比卷取模具設計的仿形織物在回轉構件模具上的紗線分布，本文基于雙軸織物鋪覆分析SIB算法開發曲面仿形織物鋪覆分析軟件［16］。

如圖3所示，為軟件在卷取模具上生成變緯密織物網格，并可計算織物在回轉構件的模面鋪覆過程的織物變形。

圖3 基于卷取模具生成的織物網格

最終根據織物在回轉構件模具上經緯紗分布評價卷取模具的適用性。

2 設計實例

以圖4所示回轉體用仿形織物的卷取模具設計為例，分析卷取模具設計對仿形織物在構件模面上應用的影響。

圖4 回轉體三維模型

2.1 卷取模具構型的影響

如圖5，Cd_product為圖4所示構件模具母線，上端為橢圓曲線（I區），下端直線（II區）與之相切，母線長度414.8 mm；Cr_Line為兩段直線，連接處以圓弧平滑過渡，母線長度414.4 mm；Cr_design為根據2.1節方法建立的卷取模具母線，卷取模具對構件模具縮比倍數N=2，母線長度414.8 mm。分別以Cr_Line、Cr_design為母線建立卷取模具模型，生成360°變緯密織物網格，并分析織物在圖4模面上的鋪覆變形，結果見圖6-圖7。

圖5 卷取模具母線

如圖6所示，以Cr_Line為母線的卷取模具，其仿形織物向產品模具曲面鋪覆時，織物在模具I區產生了較大的剪切變形，經緯紗角度不再保持垂直，環向的經紗向小直徑端偏移；當織物剪切變形大于鎖緊角時將出現褶皺［17］，一般平紋織物鎖緊角在30°左右。如圖6，1/2模面鋪覆分析結果顯示，織物已發生了約51°的剪切變形，即織物應用時將產生褶皺缺陷，影響織物補強效果。

圖6 Cr_Line仿形織物鋪覆變形

如圖7，以Cr_design為母線的卷取模具，其仿形織物向產品模具曲面鋪覆時，剪切變形可忽略，1/2模面成型時織物經緯紗夾角控制在90°±1°范圍內，經紗的環向取向保持較好。由此，本文所述的縮比卷取模具設計方法合理。

圖7 Cr_design仿形織物鋪覆變形

2.2 縮比倍數N的影響

基于2.1節所述方法，建立不同縮比倍數的卷取模具，卷取模具母線形式見圖8，提高N可以縮小模具大/小直徑端尺寸差距，降低卷取過程中的剪切變形［18］。

圖8 不同縮比數卷取模具母線比較

取卷取模具母線上的點Pri（Lri=1），并分析該點在曲線上的曲率，見圖9?；剞D構件模具曲面曲率較大且變化速率快，使用縮比模具有效降低模面的彎曲程度，減少紗線滑移［19］。

圖9 卷取模具母線曲率比較

在實際設計時，卷取模具的縮比倍數選擇還需考慮卷取設備軸芯尺寸、場地需求等因素。

2.3 成型曲面的影響

隨卷取織物厚度增加，織物成型模面變化，以原始模型的母線沿半徑方向偏移距離 t 建立新的成型曲面，模擬仿形織物在已有一定厚度織物的模具表面應用時鋪覆變形情況。

如圖10，當回轉構件模具表面已有5 mm、10 mm厚的預成型織物時，仿形織物在1/2模面鋪覆時織物發生的剪切變形分別為21.2°及47.5°。由此，成型曲面的變化將引起仿形織物的鋪覆變形，當剪切變形過大，環向紗線取向變化或褶皺缺陷顯著降低織物補強效果時，可根據新成型曲面設計縮比卷取模具及仿形織物。

圖10 成型曲面偏移引起的織物鋪覆變形

3 結論

卷取模具的仿形設計決定了所需織造的曲面仿形織物的形狀，合理的卷取模具設計是實現仿形織物設計的第一步。本文建立了仿形織物縮比卷取模具設計方法，并使用織物鋪覆分析手段作為應用評價，獲得以下結論：

（1）本文所建立的縮比模具設計方法合理，可有效降低模面的彎曲程度，且基于縮比模具設計的仿形織物在構件模具上鋪覆時織物剪切變形小；

（2）成型曲面的變化將引起織物鋪覆變形，若剪切變形過大，鋪覆缺陷顯著降低織物補強效果時，可根據新成型曲面設計縮比卷取模具及仿形織物。