论文摘要
多向纤维缠绕复合材料制件是螺旋缠绕、环向缠绕和0°缠绕等多种方向缠绕形成的一种制品，它的特殊之处在于实现了0°缠绕(即缠绕角α=0°)，因而提高了制件的轴向拉伸和弯曲性能。国外已有许多学者给予关注，而在国内这种缠绕模式还未见报道。本文首先对多向纤维缠绕复合材料制件的几何结构进行了分析研究。以一个缠绕循环为基础，并假设纱线截面形状为跑道形，建立了纤维体积含量的计算模型，从该模型可知，纤维体积含量与纱线宽度、纱线厚度、纤维缠绕循环数、缠绕初始半径以及纱线间隙有关，而与制件长度无关；以此为基础，推导出了纤维取向的计算公式，对影响轴向纤维取向、环向纤维取向的因素进行了分析，并计算了纤维取向一致时的参数值；以实际缠绕的四个制件为样品，分别计算了理论值和实际值，结果显示，二者符合较好，但仍存在一定的差别，并对实际值偏小的原因进行了分析。其次，对自行研制的多向纤维缠绕设备进行了介绍。从总体结构、芯模零部件设计、传动系统设计以及控制系统设计等几个方面进行了介绍，重点对各种缠绕线形规律进行了设计计算。该设备的独创之处在于用自行设计的轴向挂线盘实现了0°缠绕，应用它我们已经成功制作出了十几个多向纤维缠绕圆筒，实际生产过程证明它能够满足多向纤维缠绕制件的制作要求。然后，对多向纤维缠绕制件的力学性能进行了理论和试验研究。以经典层合板理论为基础，通过Matlab语言编程，建立了多向纤维缠绕圆筒的力学分析模型，预测出了轴向拉伸和轴向压缩强度；分别对多个试件进行了轴向拉伸、轴向压缩和径向压缩力学性能的测试，并将测试结果与理论预测结果进行了对比，二者符合较好；对测试结果、应力—应变曲线和破坏形式分别进行了分析。结果显示，添加0°纤维层试件的轴向力学性能明显得到了改善。最后，对多向纤维缠绕制件的特性及应用前景进行了展望。多向纤维缠绕制件可以满足工业生产中对高内压及轴向载荷下制品可靠性的要求。