1. 引言

纖維纏繞技術是將浸過樹脂膠液的連續纖維或布帶，按照一定規律纏繞到芯模上，然后固化、脫模獲得制品的工藝過程。根據纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術領域。

我國的纖維纏繞技術歷經半個多世紀的發展，從無到有、從小到大，伴隨著我國航空航天和國防事業的發展而不斷壯大。

2. 纖維纏繞技術的誕生

20世紀60年代初，根據國家軍工配套和國民經濟發展需要,哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司（原哈爾濱玻璃鋼研究所）、北京玻鋼院復合材料有限公司（原北京251廠）分別開展了纖維纏繞技術的研究。

哈爾濱玻璃鋼研究院于1964年提出螺旋纖維纏繞基本規律（即切點法），并給出了這一規律的數學表達式，即纏繞速比計算；在國內首次提出封頭曲面上的纖維軌跡位于一個平面內，順利解決了封頭曲面纖維纏繞中心角的計算問題，為纏繞機的設計和工藝設計提供了理論依據，依據這個規律，哈玻院設計制造了機械式纏繞機，如圖1所示。利用這些設備,研制出若干類型壓力容器,實現了我國纖維纏繞工藝的機械化。同時，在纏繞制品的結構設計、原材料選擇及防滲內襯等工藝技術關鍵問題方面都取得了突破性進展。北京玻鋼院復合材料有限公司1964年實現了標準線（當時稱“北極星纏繞”）纏繞（即標準線法），歸納總結出纏繞規律的通用公式，建立了測地線纏繞規律運動方程，描述了一個線型中各量之間的關系。

到1965年，我國已完全掌握了螺旋纏繞的基本規律，實現了全機械化螺旋纏繞。中國纖維纏繞技術于20世紀60年代初正式誕生。

圖1 哈玻院研制的纏繞機

3. 纖維纏繞技術的發展

在20世紀70年代至90年代末的20多年間，我國對纖維纏繞技術進行了全面研究。完成了纖維纏繞基本規律、異型纏繞規律的探索、完善了機械式纖維纏繞設備的開發，對纖維纏繞制品的設計、制造工藝、結構計算和性能測試進行研究。這一時期，全面發展的纖維纏繞技術主要表現在理論的進一步探索和完善以及裝備的研發上。

3.1 纖維纏繞技術的理論探索和完善

北京玻鋼院復合材料有限公司于1975年推導出了纖維纏繞內壓容器中的設計計算公式以及計算出容器封頭纏繞包角公式。1987年，編制成功纏繞機運動方程組計算機程序，使氣瓶及其他回轉制品纏繞規律的運動設計和實施趨于完善、科學，為機械式纏繞機的運動設計、計算機控制纏繞機的軟件設計提供了依據。

1965年我國完全掌握了纏繞規律和纏繞速比計算方法，實現了螺旋纏繞排線機械化。1971年起哈玻院開始研究異型件纏繞，提出了異型件截面的“相當圓假設”原理，解決了異型件截面纖維纏繞的近似計算問題。1987年提出了網格結構纖維纏繞計算原理，這項新技術的實現，不僅解決了某衛星的關鍵技術，而且標志著我國纖維纏繞技術進入了一個新的發展階段。1996～1998年，一類新的非測地線---擬測地線路徑算法被提出，它主要用于回轉體的纖維纏繞穩定軌跡設計。

哈爾濱玻璃鋼研究院于1971年在國內首次開展了異型纏繞技術研究，包括多邊形等截面非回轉體纏繞、變截面纏繞，以及不帶端部封頭的無端頭纏繞研究，見圖2，并提出了異形制品截面的“相當圓假設”原理，解決了異型制品截面纖維纏繞的近似計算問題。1978年，哈爾濱玻璃鋼研究院首次提出“非測地線穩定纏繞的基本理論”并給出了圓柱體非測地線穩定纏繞的具體計算公式；1985年，哈爾濱玻璃鋼研究院在國內首次提出用連續纖維纏繞法制造加筋框復合材料結構，并且得出了“網格結構纖維纏繞計算原理”，在國內首次提出用連續纖維纏繞法制造加筋復合材料結構。這項技術的實現，標志著我國纖維纏繞技術進入了一個新的發展階段。

圖2 各種截面螺旋纏繞 

3.2 纖維纏繞設備的研發

哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司于1974年從德國進口大型液壓伺服數控W250數控纏繞機，是我國首次從國外引進纖維纏繞設備。

圖3  W250纏繞機工作現場

北京玻鋼院復合材料有限公司借鑒WE-250，研制成功數字程序控制電液伺服纖維纏繞機（SYC—250），北京玻鋼院復合材料有限公司還開發了X1型和X2型行星式纖維纏繞機；1975年—1978年，哈爾濱建工學院（現哈爾濱工業大學）、武漢建材學院（現武漢理工大學）等先后研制出步進式8瓣模連續纏管機和凸輪推動鋼帶式連續纏管機；1984年—1997年，哈玻院先后研制成功球形、環形纏繞機，并開發出纖維纏繞球形和環形制品，見圖4，應用于航空航天領域。

圖4  球形纏繞機及單極孔球形、環形制品

哈爾濱工業大學1985年研制成功多坐標高性能纏繞機原理樣機和3,4坐標閉環微機數控纏繞機,開發了具有非測地線機理的纏繞軟件包。2000年，研制成功六軸微機控制纏繞機，這一成果標志著我國在纖維纏繞工藝、控制軟件和硬件等方面取得了巨大的進步。

及至20世紀90年代末期，我國纖維纏繞技術步入全面發展時期。纖維纏繞技術開始了管、罐等玻璃鋼行業的工業化生產階段。纏繞機運動靈活性和功能性更強，微機控制纖維纏繞機,能實現三維控制,已形成系列進人商品化生產階段；纖維纏繞工藝與其他工藝結合，促進了復合材料制造工藝的復合化，國內開始進行熱塑性復合材料纏繞技術的研究。纖維纏繞技術的快速發展為我國航空航天、國防建設提供了強大的支持和保障。纖維纏繞產品也在石油、化工、給排水、電力、礦山、環保、水工等民用各行業、多領域得到應用。

4. 纖維纏繞技術的發展成就

進入21世紀，我國纖維纏繞技術經過近60年的發展，已經取得了很大成就。主要表現在纖維纏繞基礎研究、設備、制品應用以及相關標準和專利等四方面。

4.1 纖維纏繞技術的基礎研究方面

在穩定纏繞理論、多坐標運動數學模型、纖維纏繞CAD/CAM軟件、精密張力控制系統、重型纏繞設備研發制造及驅動等關鍵技術方面獲得了多項成果。已完全掌握機械主機、多軸聯動纏繞CAD/CAM軟件包、電控系統、張力控制、溫度控制、測量/數據采集、質量保證系統等技術。在許多關鍵技術方面有自主知識產權和軟件著作權。

4.2 纖維纏繞設備方面

纖維纏繞設備的先進程度是纏繞技術的發展水平的體現。我國基本實現了微機全伺服控制，兩軸、三軸、四軸微機控制纖維纏繞機在管道、儲罐、各種壓力容器、電絕緣產品，以及體育休閑產品的纏繞成型方面發揮了重要作用。運動軸達6軸的微機控制纖維纏繞機在復合材料制品的研制和生產中已有應用。盡管我國在纏繞設備開發上取得了一定的成就，但是在高性能纖維纏繞機方面的研究和應用方面與先進國家差距很大。

4.3 纖維纏繞制品方面

我國纖維纏繞制品品類豐富，應用廣泛，包括應用于航空航天及武器裝備高尖端領域的神舟飛船承力構件、衛星結構件、航空氣瓶、空間系統壓力容器、固體火箭發動機殼體、大型發射筒等高性能纖維纏繞制品；應用于國民經濟各工業領域的管、罐、壓力容器、氣瓶、傳動軸、輥筒等纏繞制品；應用于體育休閑領域的球拍、釣魚竿、樂器等制品。圖5是哈玻院研制的SPTM-14和EPKM-17近地點變軌固體火箭發動機復合材料殼體，同“長征二號”運載火箭配套成功用于發射“亞星二號”衛星和美國“艾克斯達”衛星，是我國第一個用于商業發射服務的大型固體火箭發動機玻璃鋼殼體。  圖6是用于嫦娥一號的定向天線復合材料伸展臂。圖7 是第一個國產纖維纏繞玻璃鋼錐環用于300兆瓦、600兆瓦汽輪發電機，替代進口，填補國內空白；圖8是國產纖維纏繞碳纖維復合材料輥在紡織機械上的應用。

4.4 纖維纏繞標準、專利方面

產品標準規范是產品的成熟的標志，同時產品標準化也促進了產品的更廣泛應用。截至目前，我國發布實施的纖維纏繞方法及產品國家標準、國軍標、行業標準及規范30余個，表1是部分纏繞制品現行標準規范。纏繞技術及相關產品獲專利授權約1000余項。其中復合材料管道工藝、制造、設備、設計等專利達到800余項。

5. 纖維纏繞技術及設備的未來發展趨勢

目前，我國纖維纏繞技術、裝備呈現以下發展趨勢：

（1） 纖維纏繞工藝復合化，纏繞工藝與拉擠、編織、RTM、鋪放、模壓等工藝相結合。 并開發出纏繞拉擠薄壁管、復合材料螺紋筋、柔性連續復合管道、復合材料板簧等產品。

（2） 纏繞機械高自動化，高集成化和高智能化；機器人用于纖維纏繞，具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優點，尤其適合纏繞小型復雜構件，包括軸不對稱和雙凹面部件。

（3） 新型固化技術及在線固化監測技術不斷應用。紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術大量用于纏繞制品的固化成型中。

（4）  纖維纏繞制品朝著高性能低成本方向發展。

表1 纏繞制品現行標準規范

玻纖https://www.hongyantu.com/index.php?r=new%2Fview&id=2719