干货丨我国纤维缠绕技术发展简史

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1. 引言

纤维缠绕技术是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模获得制品的工艺过程。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。

我国的纤维缠绕技术历经半个多世纪的发展，从无到有、从小到大，伴随着我国航空航天和国防事业的发展而不断壮大。

2. 纤维缠绕技术的诞生

20世纪60年代初，根据国家军工配套和国民经济发展需要,哈尔滨玻璃钢研究院有限公司（原哈尔滨玻璃钢研究所）、北京玻钢院复合材料有限公司（原北京251厂）分别开展了纤维缠绕技术的研究。

哈尔滨玻璃钢研究院于1964年提出螺旋纤维缠绕基本规律（即切点法），并给出了这一规律的数学表达式，即缠绕速比计算；在国内首次提出封头曲面上的纤维轨迹位于一个平面内，顺利解决了封头曲面纤维缠绕中心角的计算问题，为缠绕机的设计和工艺设计提供了理论依据，依据这个规律，哈玻院设计制造了机械式缠绕机，如图1所示。利用这些设备,研制出若干类型压力容器,实现了我国纤维缠绕工艺的机械化。同时，在缠绕制品的结构设计、原材料选择及防渗内衬等工艺技术关键问题方面都取得了突破性进展。北京玻钢院复合材料有限公司1964年实现了标准线（当时称“北极星缠绕”）缠绕（即标准线法），归纳总结出缠绕规律的通用公式，建立了测地线缠绕规律运动方程，描述了一个线型中各量之间的关系。

到1965年，我国已完全掌握了螺旋缠绕的基本规律，实现了全机械化螺旋缠绕。中国纤维缠绕技术于20世纪60年代初正式诞生。

图1 哈玻院研制的缠绕机

3. 纤维缠绕技术的发展

在20世纪70年代至90年代末的20多年间，我国对纤维缠绕技术进行了全面研究。完成了纤维缠绕基本规律、异型缠绕规律的探索、完善了机械式纤维缠绕设备的开发，对纤维缠绕制品的设计、制造工艺、结构计算和性能测试进行研究。这一时期，全面发展的纤维缠绕技术主要表现在理论的进一步探索和完善以及装备的研发上。

3.1 纤维缠绕技术的理论探索和完善

北京玻钢院复合材料有限公司于1975年推导出了纤维缠绕内压容器中的设计计算公式以及计算出容器封头缠绕包角公式。1987年，编制成功缠绕机运动方程组计算机程序，使气瓶及其他回转制品缠绕规律的运动设计和实施趋于完善、科学，为机械式缠绕机的运动设计、计算机控制缠绕机的软件设计提供了依据。

1965年我国完全掌握了缠绕规律和缠绕速比计算方法，实现了螺旋缠绕排线机械化。1971年起哈玻院开始研究异型件缠绕，提出了异型件截面的“相当圆假设”原理，解决了异型件截面纤维缠绕的近似计算问题。1987年提出了网格结构纤维缠绕计算原理，这项新技术的实现，不仅解决了某卫星的关键技术，而且标志着我国纤维缠绕技术进入了一个新的发展阶段。1996～1998年，一类新的非测地线---拟测地线路径算法被提出，它主要用于回转体的纤维缠绕稳定轨迹设计。

哈尔滨玻璃钢研究院于1971年在国内首次开展了异型缠绕技术研究，包括多边形等截面非回转体缠绕、变截面缠绕，以及不带端部封头的无端头缠绕研究，见图2，并提出了异形制品截面的“相当圆假设”原理，解决了异型制品截面纤维缠绕的近似计算问题。1978年，哈尔滨玻璃钢研究院首次提出“非测地线稳定缠绕的基本理论”并给出了圆柱体非测地线稳定缠绕的具体计算公式；1985年，哈尔滨玻璃钢研究院在国内首次提出用连续纤维缠绕法制造加筋框复合材料结构，并且得出了“网格结构纤维缠绕计算原理”，在国内首次提出用连续纤维缠绕法制造加筋复合材料结构。这项技术的实现，标志着我国纤维缠绕技术进入了一个新的发展阶段。

图2 各种截面螺旋缠绕

3.2 纤维缠绕设备的研发

哈尔滨玻璃钢研究院有限公司于1974年从德国进口大型液压伺服数控W250数控缠绕机，是我国首次从国外引进纤维缠绕设备。

图3 W250缠绕机工作现场

北京玻钢院复合材料有限公司借鉴WE-250，研制成功数字程序控制电液伺服纤维缠绕机（SYC—250），北京玻钢院复合材料有限公司还开发了X1型和X2型行星式纤维缠绕机；1975年—1978年，哈尔滨建工学院（现哈尔滨工业大学）、武汉建材学院（现武汉理工大学）等先后研制出步进式8瓣模连续缠管机和凸轮推动钢带式连续缠管机；1984年—1997年，哈玻院先后研制成功球形、环形缠绕机，并开发出纤维缠绕球形和环形制品，见图4，应用于航空航天领域。

图4 球形缠绕机及单极孔球形、环形制品

哈尔滨工业大学1985年研制成功多坐标高性能缠绕机原理样机和3,4坐标闭环微机数控缠绕机,开发了具有非测地线机理的缠绕软件包。2000年，研制成功六轴微机控制缠绕机，这一成果标志着我国在纤维缠绕工艺、控制软件和硬件等方面取得了巨大的进步。

及至20世纪90年代末期，我国纤维缠绕技术步入全面发展时期。纤维缠绕技术开始了管、罐等玻璃钢行业的工业化生产阶段。缠绕机运动灵活性和功能性更强，微机控制纤维缠绕机,能实现三维控制,已形成系列进人商品化生产阶段；纤维缠绕工艺与其他工艺结合，促进了复合材料制造工艺的复合化，国内开始进行热塑性复合材料缠绕技术的研究。纤维缠绕技术的快速发展为我国航空航天、国防建设提供了强大的支持和保障。纤维缠绕产品也在石油、化工、给排水、电力、矿山、环保、水工等民用各行业、多领域得到应用。

4. 纤维缠绕技术的发展成就

进入21世纪，我国纤维缠绕技术经过近60年的发展，已经取得了很大成就。主要表现在纤维缠绕基础研究、设备、制品应用以及相关标准和专利等四方面。

4.1 纤维缠绕技术的基础研究方面

在稳定缠绕理论、多坐标运动数学模型、纤维缠绕CAD/CAM软件、精密张力控制系统、重型缠绕设备研发制造及驱动等关键技术方面获得了多项成果。已完全掌握机械主机、多轴联动缠绕CAD/CAM软件包、电控系统、张力控制、温度控制、测量/数据采集、质量保证系统等技术。在许多关键技术方面有自主知识产权和软件著作权。

4.2 纤维缠绕设备方面

纤维缠绕设备的先进程度是缠绕技术的发展水平的体现。我国基本实现了微机全伺服控制，两轴、三轴、四轴微机控制纤维缠绕机在管道、储罐、各种压力容器、电绝缘产品，以及体育休闲产品的缠绕成型方面发挥了重要作用。运动轴达6轴的微机控制纤维缠绕机在复合材料制品的研制和生产中已有应用。尽管我国在缠绕设备开发上取得了一定的成就，但是在高性能纤维缠绕机方面的研究和应用方面与先进国家差距很大。

4.3 纤维缠绕制品方面

我国纤维缠绕制品品类丰富，应用广泛，包括应用于航空航天及武器装备高尖端领域的神舟飞船承力构件、卫星结构件、航空气瓶、空间系统压力容器、固体火箭发动机壳体、大型发射筒等高性能纤维缠绕制品；应用于国民经济各工业领域的管、罐、压力容器、气瓶、传动轴、辊筒等缠绕制品；应用于体育休闲领域的球拍、钓鱼竿、乐器等制品。图5是哈玻院研制的SPTM-14和EPKM-17近地点变轨固体火箭发动机复合材料壳体，同“长征二号”运载火箭配套成功用于发射“亚星二号”卫星和美国“艾克斯达”卫星，是我国第一个用于商业发射服务的大型固体火箭发动机玻璃钢壳体。 图6是用于嫦娥一号的定向天线复合材料伸展臂。图7 是第一个国产纤维缠绕玻璃钢锥环用于300兆瓦、600兆瓦汽轮发电机，替代进口，填补国内空白；图8是国产纤维缠绕碳纤维复合材料辊在纺织机械上的应用。

4.4 纤维缠绕标准、专利方面

产品标准规范是产品的成熟的标志，同时产品标准化也促进了产品的更广泛应用。截至目前，我国发布实施的纤维缠绕方法及产品国家标准、国军标、行业标准及规范30余个，表1是部分缠绕制品现行标准规范。缠绕技术及相关产品获专利授权约1000余项。其中复合材料管道工艺、制造、设备、设计等专利达到800余项。

5. 纤维缠绕技术及设备的未来发展趋势

目前，我国纤维缠绕技术、装备呈现以下发展趋势：

（1） 纤维缠绕工艺复合化，缠绕工艺与拉挤、编织、RTM、铺放、模压等工艺相结合。 并开发出缠绕拉挤薄壁管、复合材料螺纹筋、柔性连续复合管道、复合材料板簧等产品。

（2） 缠绕机械高自动化，高集成化和高智能化；机器人用于纤维缠绕，具有自由度多、运动灵活、工艺范围宽等优点，尤其适合缠绕小型复杂构件，包括轴不对称和双凹面部件。

（3） 新型固化技术及在线固化监测技术不断应用。红外加热、微波加热、火焰加热、电子束固化等技术大量用于缠绕制品的固化成型中。

（4） 纤维缠绕制品朝着高性能低成本方向发展。

表1 缠绕制品现行标准规范

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来源：SAMPE 北京分会