课程设计实验报告
课题题目：纤维缠绕式复合管道实验
学生姓名：别体武
学号：1213221316
院系材料科学与工程
班级: 复材11201
专业：复合材料与工程
教师：刘欣
组员：全班同学
2015年11月16日至2015年12 月4 日
一课题设计目的
1 .了解纤维缠绕工艺的基本特点，熟悉缠绕规律；
2. 观察纤维在轴对称模具上的分布状态，结合网格理论的强度分
析，加深对纤维缠绕件结构特点的认识；
3．通过对压力容器、定长管非测地线稳定缠绕的操作实践，基本掌握四轴微机控制纤维缠绕机的线性设置与调试方法。
二课题背景
管道是现代工业中流体（气体或液体）输送的重要材料，传统的管道有钢管、混凝土管和铸铁管，但由于其易锈蚀、质量大，已不能满足现代工业的需要，又由于玻璃钢的诸多优势，使得玻璃钢管道（简称GRP管）应运而生。
原材料的选择与工艺过程对其性能有着主要的影响。
1．原材料的选择
管道的原材料包括：基体材料(树脂体系)、增强材料(玻璃纤维)、辅助材料（引发剂、促进剂等)。
（1）基体材料选择
树脂是玻璃钢管道的基体材料，其作用是传递载荷，并使载荷
平衡，基体材料的性能，如耐腐蚀、耐热性等，直接决定玻璃
钢管道的性能。
常用的树脂包括：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、
酚醛树脂三大类，其中以不饱和聚酯树脂使用最为广泛。
不饱
和聚酯树脂相对密度在1.11~1.20左右，固化时体积收缩率较
大。
其性能特点有：①耐热性：大多数不饱和聚酯树脂热变形
温度在50~60℃；②力学性能：不饱和聚酯树脂具有较高的拉
伸、弯曲、压缩等强度；③耐化学腐蚀性：不饱和聚酯树脂稀
酸、稀碱性能较好。
环氧树脂的特性有：①收缩性低：和不饱
和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩
性（小于2％）；②力学性能：固化后环氧树脂体系具有优良
的力学性能；③化学稳定性：通常情况下固化后的环氧树脂体
系具有耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。
综合考虑以上因素，选择
不饱和聚酯树脂作为基体材料。
（2）增强材料选择
作为增强材料的玻璃纤维及其织物是玻璃钢主要的承载组分
材料，对玻璃钢管道的强度和刚度有着直接的影响。
常用的缠
绕用增强材料包括：各种无捻粗纱、表面毡、针织毡、短切毡、方格布等。
（3）辅助材料
为使树脂按工艺要求固化，以及改进树脂的理化性能或固化后
制品的某些性能如阻燃抗静电、耐磨等性能通常在树脂配方中
加入某些助剂如固化剂、引发剂、促进剂、阻燃剂、脱模剂、低收缩剂等。
2. 实验方法的进展
复合管道具有优异的综合技术性能，但决不是简单地将FRP 和塑料二者性能进行迭加就能实现的，必须经过合理的结构设计、
材料设计和工艺设计才能实现。
FRP/塑料复合管道的成型工艺主要包括结构层成型所采用的玻璃纤维缠绕工艺、管接头成型所采用的常温模压工艺和界面处理工艺。
热塑性树脂的纤维缠绕可以象热固性树脂的干法缠绕一样，在芯模上干缠，然后在固化炉或热压罐中加热加压固结。
最后一种方法是缠绕时将预浸纱加热发粘，以便很好地同芯模粘接，形成“半固结”产品，然后送入固化炉或热压罐中后固结。
后固结的时间并不长，可迅速升温至成型温度，保温几分钟，待树脂完全熔化并形成一整体后，冷却即成为产品。
从缠绕到原地固结，整个过程仅需几十分钟，与热固性树脂相比短得多。
热塑性树脂及其复合材料有着广泛的发展前景和相当大的应用潜力。
目前国内外对热塑性树脂的研究涉及到基础理论、合成、改性、加工工艺等各个领域。
国外已能大量生产热塑性树脂，并已在战斗机、直升机上开始使用热塑性树脂基复合材料。
同时，许多新的成型设备亦相继推出，原地固结工艺日益成熟，大大减少了制造费用。
与国外相比，我国在热塑性树脂研究上起步较晚，目前的研究仍处于实验阶段，尚无厂家能大批量生产热塑性树脂。
为了加速我国热塑性树脂及其复合材料的研究和应用，我们要大力克服原材料缺乏、无完善的热塑性树脂纤维缠绕一固结工艺设备等困难，充分认识这类基体的优缺点，并使之在航空航天上得以广泛应用。
三课题设计过程
1．造型设计
地面铺设管道是将管道的底面铺设到地表面高度的管基上，本设计采用弯管连接，应要求管道连接处不允许产生相对位移，采用承插胶结连接并外包缠。
2．性能设计
根据输送的介质及使用条件，进行基体材料、增强材料、辅助材料的选择。
管壁分内表层、结构层和外表层。
内表层选择不饱和聚酯树脂，增强材料选无碱玻璃纤维表面毡和短切毡；结构层选用不饱和聚酯树脂，增强材料选用无捻玻璃纤维粗纱；外表层选用不饱和聚酯树脂和玻璃纤维表面毡，为增强管道的抗老化性能，加入20﹪的UV9紫外线吸收剂。
3．结构设计
结构设计分为玻璃钢管应力分析、管道壁厚计算和刚度校核。
管道内径为250mm，工作压力Pw=1.2MPa，经计算管壁厚为7.5mm，经刚度校核满足使用要求。
4.工艺设计
玻璃钢管道制造方法有手糊成型法、纤维缠绕成型法、拉挤缠绕成型法等，本设计采用纤维缠绕成型，纤维缠绕制管工艺是将连续玻璃纤维，浸渍树脂胶液后，按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模、获得管材。
四试验过程
1．实验原料
乙醇PVB 玻璃纤维
2.实验仪器设备
纤维缠绕设备烘干机玻璃钢管道拉出设备电子天平电动
搅拌机烧杯钥匙称量纸等
3.实验内容
（1）实验流程图如下：
（2）主要步骤
1.在老师的指导下，熟悉计算机控制缠绕机的操作程序，
开启缠绕机，在“机器调整”的窗口下使小车、伸臂、丝嘴分别以较慢的速度正反向动作一次，并回到原点。
2.根据轴对称压力容器缠绕模具的基本尺寸和缠绕线性要
求设定缠绕机的材料参数、工艺参数并保存好缠绕文件。
4．工艺参数
参数项目管长管壁厚度角度
理论参数50mm 10mm 55°
实际参数9.6mm 约54°
设备参数
五结果与讨论
1.在实验开始时，必须要设置仪器设备的工艺参数，以大致确定
实验样品的大小尺寸。
但是实际上，纤维缠绕仪器设备是很难
得到我们预设数据的样品的，实际生产的样品的各项工艺参数
和理论之间存在一定误差。
2.在配制不饱和树脂基体胶黏剂时，乙醇和PVB的质量比约为
100:8。
若PVB用量较少，则配置的胶液可能粘度不够，玻璃纤
维丝不能很好的粘合在一起，容易拔出或脱粘，影响玻璃钢管
道的性能。
若PVB的用量较多，会使PVB在乙醇中的溶解时间
过长，胶液的粘度太大，流动性不好，影响玻璃纤维的浸胶过
程以及后续的相关工艺程序。
六实验结论及改进
在第一天的预实验中，理论角度设置为55°，管长设为25mm。
但是在缠绕工艺完成之后，由于玻璃纤维管的长度太短，织物的角度偏小，同时，玻璃纤维未经过浸胶这一道工艺程序就直接进行缠绕编织，使得绕成的管道的外观性能上不好。
因此，在第二天的实验中，将管长的理论参数改为50mm。
实验完成后，玻璃钢管道的表面光滑平整，在外观性能上有了很大改善。
但是由于玻璃纤维在转轴上缠绕得太过紧密，以至于玻璃钢管道很难从转轴上被拉出，因此，只能用剪刀剪开再取下成品。
取下玻璃钢管道以后，我们可以感觉到，边缘部分的管壁的厚度要比中间部分的管壁厚度稍微大一些。
这是因为仪器在进行缠绕编织时，转向时由于惯性的作用，速度要比一般速度稍微慢一些，停留时间更长一些，所以导致边缘部分的管壁厚度变大。
在以后的实验中，纤维的缠绕力度是需要改进的一个方面。
怎样改进纤维的缠绕力度，才能使玻璃钢管道紧致密实，同时又方便拔脱。
第二个需要改进的地方，就是机器的转向速度。
我们要尽可能地找出影响机器转向速度的因素，尽量解决这些问题，让编织出的玻璃钢管道壁厚更均匀。
七体会
此次实验让我认识到我们不仅要学好专业知识，更重要的是要将它应用到实践中去。
在实际操作中总会遇到诸多影响实验的因素，这
时候我们理论上计算得到的参数需要修改，这就需要我们不停地进行摸索，实验，从而得到更好的产品。
因此，在以后的学习中，我们要尽可能的多做实验多动手，理论结合实践，让自己在学习理论知识之外更多一份实践经验，而并不仅仅只是纸上谈兵。