纖維纏繞技術的案例
我國纖維纏繞技術發展簡史分享
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。
展開 我國纖維纏繞技術發展簡史分享
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。
展開 庭田科技攜手某新媒體平臺Cadfil軟件助力高壓儲氫氣瓶纖維纏繞技術
而氫燃料電池汽車的關鍵部件之一便是高壓儲氫氣瓶，它的技術水平直接影響著汽車的續航能力。
1.2 庭田科技與某新媒體平臺的合作
庭田科技作為Cadfil在中國的總代理，始終致力于為國內企業提供最先進的氫能相關技術。近期，庭田科技與某新媒體平臺達成合作，共同推廣和普及基于Cadfil軟件的儲氫高壓復合材料氣瓶纖維纏繞技術。為了讓更多行業內人士了解并掌握這一技術，庭田科技將與某新媒體臺共同舉辦線上公開課。
1.3 課程內容介紹
庭田科技邀請到了Cadfil軟件專家（高級攻城獅）為大家講解這一技術。在這次公開課中，Cadfil軟件專家將為大家詳細介紹IV型高壓儲氫氣瓶的結構及應用，以及如何利用Cadfil軟件進行氣瓶纖維纏繞仿真。課程內容將涵蓋以下幾個方面：
1）IV型高壓儲氫氣瓶的結構與特點
2）纖維纏繞技術在儲氫氣瓶上的應用
3）Cadfil纖維纏繞軟件的功能及應用領域
4）基于Cadfil軟件的氣瓶纖維纏繞仿真實例演示
圖一 典型IV型高壓儲氣瓶結構示意圖
1.4 課程收益與合作展望
參與這次線上公開課的企業和個人將在Cadfil軟件專家的指導下，學習到實用的纖維纏繞技術和Cadfil軟件操作技巧，深入了解纖維纏繞技術在高壓儲氫氣瓶制造中的關鍵作用，以及如何利用Cadfil軟件進行高效、精確的纏繞仿真，更好地掌握IV型高壓儲氫氣瓶的設計與制造技巧，這將有助于提高企業在氫能產業的競爭力，為氫能產業的發展提供強大技術支持。
展開 基于隱形飛機噴氣式發動機雙S彎噴管的纖維纏繞工藝
在設計雙S彎噴管時，必須提前通過工藝設計仿真工具（CAD/CAM）創建準確的纖維放置和纏繞軌跡。然而，對于非軸對稱的纏繞仿真，是相當困難的。
Cadfil 有幾種不同的纏繞非標準幾何形狀的設計策略。因為雙S彎噴管是一個復雜的管道（可變截面的多彎曲管），所以使用了基于相對彎曲脊柱生成的螺旋路徑的方法。這類似于相對軸線為直線的普通圓管的纏繞螺旋線。
關鍵詞：非軸對稱繞組仿真、纖維纏繞工藝仿真
在現代戰爭中，戰斗機、轟炸機和無人作戰飛行器 (UCAV) 的隱身技術是通過確保空中優勢來決定戰爭勝負的重要因素。隱身是指一種避免被敵方雷達和紅外探測器探測到的技術。在紅外（IR）信號檢測的情況下，飛機本身的熱量，尤其是高溫的發動機和后機身發出的熱量輻射量最大。
由于必須設計飛機發動機噴嘴以實現紅外信號抑制，因此應用了S形噴嘴（雙S彎噴管），以使發動機的高溫部分不可見。此外，采用大縱橫比的出口形狀來降低廢氣羽流溫度的紅外特征（圖 1）。多層復合材料需滿足發動機排氣噴嘴的功能和結構要求。
圖1 (a) UCAV進氣管（綠色）和排氣噴嘴（橙色）的3D草圖 (b) 3種不同幾何形狀的排氣噴嘴
(c) 應用不同噴嘴后的紅外特征模擬結果
噴嘴的最內層由碳纖維增強碳化硅 (C-SiC) 復合材料制成，具有出色的熱穩定性和耐腐蝕性。最外層由碳纖維增強塑料 (CFRP) 組成，這是一種輕質材料，可保持結構強度以抵抗軸向推力和內部壓力。最后，為了粘合和絕緣，在C-SiC和CFRP材料之間使用了陶瓷材料。
采用纖維纏繞技術的非軸對稱形狀
對于簡單的軸對稱噴嘴結構（圓柱形/圓形噴嘴），可以使用纖維纏繞工藝，這比其他復合材料預成型工藝更便宜。另一方面，對于具有急彎的非圓柱形的飛機組件，使用纖維纏繞工藝是極具挑戰的。
展開 
基于隱形飛機噴氣式發動機雙S彎噴管的纖維纏繞工藝
在設計雙S彎噴管時，必須提前通過工藝設計仿真工具（CAD/CAM）創建準確的纖維放置和纏繞軌跡。然而，對于非軸對稱的纏繞仿真，是相當困難的。
Cadfil 有幾種不同的纏繞非標準幾何形狀的設計策略。因為雙S彎噴管是一個復雜的管道（可變截面的多彎曲管），所以使用了基于相對彎曲脊柱生成的螺旋路徑的方法。這類似于相對軸線為直線的普通圓管的纏繞螺旋線。
關鍵詞：非軸對稱繞組仿真、纖維纏繞工藝仿真
基于隱形飛機噴氣式發動機雙S彎噴管的纖維纏繞工藝
在現代戰爭中，戰斗機、轟炸機和無人作戰飛行器 (UCAV) 的隱身技術是通過確保空中優勢來決定戰爭勝負的重要因素。隱身是指一種避免被敵方雷達和紅外探測器探測到的技術。在紅外（IR）信號檢測的情況下，飛機本身的熱量，尤其是高溫的發動機和后機身發出的熱量輻射量最大。
由于必須設計飛機發動機噴嘴以實現紅外信號抑制，因此應用了S形噴嘴（雙S彎噴管），以使發動機的高溫部分不可見。此外，采用大縱橫比的出口形狀來降低廢氣羽流溫度的紅外特征（圖 1）。多層復合材料需滿足發動機排氣噴嘴的功能和結構要求。
圖1 (a) UCAV進氣管（綠色）和排氣噴嘴（橙色）的3D草圖 (b) 3種不同幾何形狀的排氣噴嘴
(c) 應用不同噴嘴后的紅外特征模擬結果
噴嘴的最內層由碳纖維增強碳化硅 (C-SiC) 復合材料制成，具有出色的熱穩定性和耐腐蝕性。最外層由碳纖維增強塑料 (CFRP) 組成，這是一種輕質材料，可保持結構強度以抵抗軸向推力和內部壓力。最后，為了粘合和絕緣，在C-SiC和CFRP材料之間使用了陶瓷材料。
采用纖維纏繞技術的非軸對稱形狀
對于簡單的軸對稱噴嘴結構（圓柱形/圓形噴嘴），可以使用纖維纏繞工藝，這比其他復合材料預成型工藝更便宜。
展開 Abaqus纖維纏繞模擬之“草木皆可為劍”
“ 草木竹石皆可為劍” -金庸
編織的纖維
01—巧妙的“走馬機”
在生活中，我們可能會注意到有些導線為了增強抗拉性能，其外層會包覆有編織結構，這種編織結構通常是由下圖所示的“走馬機”將一股股絲線纏繞而成。
“走馬機”編織過程
隨著人們對輕量化的追求，復合材料在工程上越來越得到重視，碳纖維纏繞成型結構是比較常見的一種，比如某些油箱、高壓氣瓶、槍炮管、導彈結構、火箭發動機殼體等，具有很高的比強度和比剛度，目前碳纖維纏繞成型工藝越來越成熟，這種結構也正在快速地應用于體育器材、交通工具和醫療器械等民用產品。
纖維纏繞增強技術
碳纖維纏繞成型系統中的纏繞機有著類似于“走馬機”的運行原理，一股股絲線錯綜復雜，運行起來讓人眼花繚亂。
02—Abaqus纏繞模擬之“草木皆可為劍”
無論采用什么工具進行問題分析或仿真模擬，一個核心思想就是抽象簡化，只要找到復雜系統中最重要的、最簡單的組分，然后把這部分的基礎問題剖析透徹，那么上一層級的問題就迎刃而解。
“草木皆可為劍”
要模擬“走馬機”絲線纏繞也是這樣的過程，我們只需要對最重要、最簡單的那一部分進行剖析、建模就可以了。
“走馬機”Abaqus模型里最簡單的組分
簡單組分的圓形陣列
“走馬機”原理：導向環往復+圓周運動的復合運動
Abaqus纖維纏繞模擬
通過抽象思考進行仿真建模，用最簡單的組分模擬復雜的過程，此為有限元仿真模擬之“ 草木竹石皆可為劍”。
展開 可用于小批量生產和手工生產的長絲纏繞機
可用于小批量生產和手工生產的長絲纏繞機。對于纖維纏繞技術領域的手工生產電池，羅斯復合機械開發了1-ECO型
對于羅斯，這是一個進入系列生產的長絲纏繞機。1型生態機器配備了所有基本功能，并提供特別注重成本意識的新的纖維纏繞技術，屬性穩健，耐用性和精確性。這臺新機器以其多達四個主軸的模塊化概念使人信服。最多可配置四個卷軸和兩個長度變體(4，000和10，000毫米)。
每個主軸是單獨驅動，因此，一個簡單和成本效益的改造是可行的.這家公司用這種機器類型擴展了它的機器程序。
羅斯復合機械公司銷售總監Bernd Fischer宣布：
“這臺新機器正以一種有意義的方式補充我們的產品范圍。由于其獨特的靈活性，我們的客戶有可能擴大機器的成本效益，并可以使其適應日益增長的需求。這臺機器隨著新的生產要求和個別任務而成長。“
除了標準化的機器，羅斯還提供復雜的工廠，自動化程度最高，遠遠超過了通常最先進的技術。羅斯復合機械生產線安裝時間短，保證了生產的快速啟動，取得了成功。該制造商開發、規劃和生產長絲纏繞機已有50多年的歷史，在開發這一部門完全自動化的工廠方面擁有近30年的經驗。
環氧樹脂https://www.hongyantu.com/index.php?r=new%2Fview&id=2738
展開 可用于小批量生產和手工生產的長絲纏繞機
可用于小批量生產和手工生產的長絲纏繞機。對于纖維纏繞技術領域的手工生產電池，羅斯復合機械開發了1-ECO型
對于羅斯，這是一個進入系列生產的長絲纏繞機。1型生態機器配備了所有基本功能，并提供特別注重成本意識的新的纖維纏繞技術，屬性穩健，耐用性和精確性。這臺新機器以其多達四個主軸的模塊化概念使人信服。最多可配置四個卷軸和兩個長度變體(4，000和10，000毫米)。
每個主軸是單獨驅動，因此，一個簡單和成本效益的改造是可行的.這家公司用這種機器類型擴展了它的機器程序。
羅斯復合機械公司銷售總監Bernd Fischer宣布：
“這臺新機器正以一種有意義的方式補充我們的產品范圍。由于其獨特的靈活性，我們的客戶有可能擴大機器的成本效益，并可以使其適應日益增長的需求。這臺機器隨著新的生產要求和個別任務而成長。“
除了標準化的機器，羅斯還提供復雜的工廠，自動化程度最高，遠遠超過了通常最先進的技術。羅斯復合機械生產線安裝時間短，保證了生產的快速啟動，取得了成功。該制造商開發、規劃和生產長絲纏繞機已有50多年的歷史，在開發這一部門完全自動化的工廠方面擁有近30年的經驗。
展開 纖維纏繞復合材料高壓氣瓶設計
技術條件輸入: 1)確定壓力容器的尺寸;2)確定工作壓力;3) 確定爆破壓力; 4)確定使用年限;5)確定內襯類型:鋁合金，塑 料;6)確定封頭極孔直徑;7)確定纖維類型:碳纖維，芳綸纖維, 玻璃纖維; 8)確定樹脂類型及含量;9)確定纏繞紗片寬度;以及其 他相關技術要求。 設計內容:1)進行封頭、容器強度及金屬接嘴的強度設計;2) 在滿足強度的前提下，以質量最輕為目標，進行優化設計;3)采用計 算機模擬氣瓶的承壓性能; 4)其他你認為有益的設計內容。
Abaqus/WCM纖維纏繞壓力容器建模案例
Abaqus /WCM模塊用于三維纏繞復合材料壓力容器建模，可以準確預測纖維纏繞壓力容器的性能。三維壓力容器模型包括：內襯和纏繞層，如下圖所示。
1.內襯建模，可以通過其它軟件導入，也可以直接在Abaqus中建模。下圖是通過Abaqus直接建模。
2.將內襯導入WCM中
3.纏繞層在WCM中建模
4.在WCM模塊中對三維模型劃分網格，并生成材料特征。
上圖為模型的材料屬性顯示圖，WCM模塊自動根據不同的纏繞角度，給單元賦予不同的材料特征。
來源：有限元在線的博客，版權歸作者所有。
采用3D纏繞工藝的超輕碳纖維結構座椅 重量僅10公斤
CSI 發展技術公司（德國巴登 - 符騰堡州）、Alba 模具＆工程公司（德國薩爾茨堡福爾施陶）、汽車管理咨詢公司（德國潘茨堡AMC）與其他四個合作伙伴合作，花了七個月制訂了輕質座椅聯合項目的可行性研究。該項目開發不僅需要最新技術，還需要更快的工作方法。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/40144.html
由AMC設計的創新纖維復合材料部件纏繞工藝可以減輕大部分重量。 3D工藝中獲得專利的xFK采用浸漬樹脂的連續纖維纏繞成型為部件，并且不產生廢料。
CSI 發展技術公司利用座椅結構設計中的工藝優勢打造輕質座椅，該座椅設計非常適合超級跑車、跑車或未來的空中出租車。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/39979.html
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展開 
在HyperMesh中通過曲線定義材料方向（模擬纖維纏繞方向） ￥9.9
根據之前的帖子，復合材料坐標系調整http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1189958
我們知道了通過坐標系、向量、以及角度的方式調整復合材料鋪層坐標系（定義纖維0度方向），但是對于比較復雜的曲面，如果還是按照這種方式定義可能就不太準確，如下：
如果圓球面是通過纏繞方式成型的，那么我們按照上圖，定義的方式就不正確，因此需要通過其他方式來進行定義：
本案例講解在HyperMesh中定義上述纏繞方式成型的復合材料方向：
可精確擊毀單兵或車輛 美空軍加緊生產高精度可控碳纖維炸彈
這家公司的一份聲明稱：“這些武器使用噴氣發動機-火箭動力公司提供的碳纖維纏繞技術制成的彈殼。碳纖維復合材料外殼會解體而不是破碎，這增加了對其周邊的爆炸力，但是卻減少了附帶損害。”
碳纖維彈
碳纖維炸彈俗稱石墨炸彈、軟炸彈（Soft Bomb），因其不以殺傷敵方兵員為目的而得名。又因其對供電系統的強大破壞力而被稱為斷電炸彈（Blackout Bomb）。 是選用經過特殊處理的碳絲制成， 每根碳絲的直徑相當小，僅有幾千分之一厘米，因此，可在高空中長時間漂浮。
破壞原理
（1）激光制導的炸彈炸開、旋轉并釋放出100－200個小的罐體，每個約有可樂罐大小。
（2）每個小罐均帶有一個小降落傘，打開后使得小罐減速并保持垂直。
（3）小型的爆炸 裝置起爆，使小罐底部彈開，釋放出石墨纖維線團。
展開 200噸級碳纖維火箭發動機研制成功,未來國產導彈更輕,射程更遠
中國航天科技集團研制200噸推力先進固體火箭發動機地面熱試車獲得圓滿成功，標志著中國固體火箭發動機技術又向前邁進了一大步。
國產固體火箭發動機碳纖維外殼，看起來不起眼的東西，卻是國產導彈技術一個飛躍
從相關資料來看，國產200噸推力固體火箭發動機直徑為2.65米，裝藥71噸，太陽同步軌道運載能力為1.5噸，它采用了多項先進技術，綜合性能達到當今一流水平。
國產JL-2導彈，海外資料認為它采用的是有機纖維殼體
在國產200噸推力固體火箭發動機采用多項先進技術這中有一項最為引人注目，那就是大直徑碳纖維纏繞復合材料殼體技術，這應該是中國第一次公開已經掌握大型固體火箭發動機碳纖維纏繞復合材料殼體技術，眾所周知，固體火箭發動機殼體也是導彈殼體，它的工作環境極為惡劣，包括發動機工作產生的高溫、高速飛行產生的氣流沖擊、溫度聚然變化、對方反導攔截武器攻擊等等，因此要求發動機殼體具備良好的耐高溫、耐腐蝕、強度高、抗沖擊等方面性能。
早期導彈發動機多采用金屬殼體，例如超高強度鋼、鈦合金等，但是金屬材料重量大，影響導彈射程和載荷，因此導彈發動機殼體發展趨勢就是采用高強度非金屬材料，起初主要采用玻璃纖維、芳綸、石墨等，在相同尺寸下，發動機殼體質量可以減少50%左右，戰略導彈投擲重量可以提高1倍以上，可以說效果非常明顯，不過這類材料在強度、剛度等方面還存在一定缺陷，因此上世紀80年代之后，碳纖維開始在固體發動機殼體上面得到運用。碳纖維與芳綸相比，剛度和強度可以提高80%和30%，殼體重量再一次下降30%，另外碳纖維殼體熱膨脹系數小，發動機工作期間尺寸穩定，可以提高發動機工作可靠性，碳纖維還具備一定雷達吸波能力，可以提高導彈隱身性能，有助于增強導彈突防能力。
展開 中國火箭發動機采用碳纖維外殼 助洲際導彈射程更遠
碳纖維與芳綸相比，剛度和強度可以提高80%和30%，殼體重量再一次下降30%，另外碳纖維殼體熱膨脹系數小，發動機工作期間尺寸穩定，可以提高發動機工作可靠性，碳纖維還具備一定雷達吸波能力，可以提高導彈隱身性能，有助于增強導彈突防能力。
三叉戟-2導彈采用碳纖維殼體，作戰能力得到有力增強
法國M51導彈正在生產，可以看到它的殼體也是由碳纖維纏繞而成
正是因為碳纖維纏繞殼體具備以上優點 ，所以現代導彈都傾向采用這種技術，上世紀80年代美國研制三叉戟-2（UGM-133A）潛射彈道導彈就采用這個技術，導彈性能迅速提高，至今還是美國主力潛射彈道導彈，法國M-51潛射彈道導彈也采用了碳纖維殼體，從而在導彈增加威力的情況射程突破1萬公里，成為法國新世紀戰略威懾力量的基石。
從海外資料來看，國產DF-31、JL-2等導彈固體火箭發動機殼體采用的是第二代有機纖維，例如芳綸等，它的重量明顯高于三叉戟-2、M51導彈，這樣就影響了導彈載荷和射程，或者實現同樣投擲重量，國產導彈體積和重量更大，因此中國將大直徑固體火箭發動機碳纖維纏繞殼體技術作為一個重點領域進行攻關，此前制約國產固體火箭發動機采用碳纖維殼體主要問題就是國產碳纖維水平偏低，難以滿足導彈使用要求，進入新世紀，國產碳纖維水平突飛猛進，T800級碳纖維已經實現1000噸級生產能力，T1000也達到100噸級，M60J級碳纖維也研制成功，這表明國產碳纖維在三個重要方向（高強高模量、高強度、高模量）都實現了突破，從而為碳纖維在國產導彈和運載火箭上面運用打下了堅實的基礎。
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