專利名稱：纏繞纖維與芯模表面間摩擦系數(shù)的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維纏繞成型復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種纏繞纖維 與芯模表面向摩擦系數(shù)的測量方法。
技術(shù)背景自1946年美國發(fā)明連續(xù)纖維纏繞成型工藝技術(shù)以來，纏繞工藝制品得到 了不斷的完善和發(fā)展。這種最初只在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的復(fù)合材料制品，現(xiàn)如 今已廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域。從纖維纏繞軌跡上來分，纏繞制品大體上可分為測地線纏繞制品和非測地線纏繞制品兩大類。測地線纏繞工藝?yán)w維軌跡長度最 短，制品質(zhì)量相對較輕。但是由于受制品幾何形狀的影響，測地線纏繞成型工 藝局限性較大。相比之下，非測地線纏繞制品相對設(shè)計(jì)空間就比較廣闊，除了 適合一般的軸對稱回轉(zhuǎn)體外，還能夠成型一些特殊要求及復(fù)雜形狀的制品，比 如等張力壓力容器、圓柱形壓力容器的過渡段纏繞、彎管等，并且最大的優(yōu)點(diǎn) 是可根據(jù)載荷條件對纏繞制品進(jìn)行變角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而，非測地線纏繞纖 維軌跡的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求纏繞纖維和芯模間要有明確可靠的摩擦系數(shù)值，以此來 判定非測地線纏繞軌跡是否穩(wěn)定、不滑線，進(jìn)而進(jìn)行纏繞角的計(jì)算求解以及線 型的規(guī)劃設(shè)計(jì)。因此如何獲得可靠又實(shí)用的摩擦系數(shù)，將直接影響到非測地線纏繞制品的 設(shè)計(jì)、成型。査閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，可知目前關(guān)于纏繞纖維與芯模間的摩擦系數(shù)測量方法概括起來主要有以下幾種1.采用圓柱形芯模，測量過程中通過 改變纏繞角度直到纖維滑線來獲得摩擦系數(shù)。由于要不斷的改變纏繞角度使得 該方法操作繁瑣，誤差較大，最終獲得的摩擦系數(shù)值誤差較大；2.采用喇叭 口型芯模，測量過程中施加兩個(gè)不同的力，增加其中的一個(gè)力值，直至纖維滑 線來獲得摩擦系數(shù)。由于難以施加纏繞工藝參數(shù)，使得該方法與實(shí)際纏繞工藝 差距較大，并且操作不易控制使得測量值精度難以控制；3.采用平板裝置或 斜坡法，測量過程中使芯模不斷的傾斜，直至達(dá)到一定的角度后，致使纖維打 滑來獲得摩擦系數(shù)。該方法從物理的角度出發(fā)進(jìn)行摩擦系數(shù)的測量，同樣也是難以施加纏繞工藝參數(shù)，使其與實(shí)際纏繞工藝差距較大，測量誤差較大。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的方法測量纏繞纖維與芯模表面之間摩擦系數(shù) 誤差大的問題，設(shè)計(jì)一種纏繞纖維與芯模表面間摩擦系數(shù)的測量方法。 本發(fā)明的測量步驟為-一、 制造芯模，過程如下步驟一 根據(jù)實(shí)際需要定芯模最大緯度圓半徑i 的數(shù)值；步驟二求常數(shù)C的數(shù)值(三+C)〃=0時(shí)，^"=1，將這組數(shù)值代入公式;^) = 1 -及—g/ 中，求得常數(shù)C; 步驟三求L的值，當(dāng)/(〃)=0時(shí)，r=L，將/(O-0、常數(shù)C代入公式 = /^)中求得L;步驟四依據(jù)公式/(0-i -e《+、每取一個(gè)r求得對應(yīng)的緯度圓半徑/(r) (OOW)，這樣芯模的母線軌跡被確定，制得芯模；及為芯模的最大諱度圓半徑； C為常數(shù)；/(0為芯模外表面任意一點(diǎn)的緯度圓半徑；r為半徑為/(0的緯度圓與最大緯度圓之間的距離； L為半徑為零的緯度圓與最大緯度圓之間距離；//(0為纖維帶在緯度圓半徑為/W時(shí)與芯模外表面之間的摩擦系數(shù)；二、 測量纖維帶與芯模外表面之間的摩擦系數(shù)//(0，其步聚如下 步驟一 將設(shè)計(jì)好的芯模裝夾在纖維纏繞機(jī)的三爪卡盤與頂尖之間； 步驟二纖維纏繞機(jī)做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲嘴從芯模的最大諱度圓側(cè)向另一側(cè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向平行于芯模的軸心線，將施加一定纏繞張力且浸 有樹脂的纖維帶環(huán)向纏繞到芯模上，此時(shí)纏繞角S取;r/2;步驟三當(dāng)施加一定纏繞張力的纖維帶纏繞到某點(diǎn)時(shí)，芯模上的纖維開始5打滑，確定該點(diǎn)處r的數(shù)值，代入公式/z(r)-l-^^求得該點(diǎn)的摩擦系數(shù)MO ，這個(gè)摩擦系數(shù)是纖維帶沿芯模母線方向纏繞與芯模表面間的最小摩擦系 數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明的芯模在固定纏繞角的情況下，纖維帶沿著芯模母線方向任意點(diǎn)的摩擦系數(shù)/^)與該處緯度圓與最大緯度圓之間的距離〃滿 足線性關(guān)系。利用該芯模進(jìn)行摩擦系數(shù)測量的優(yōu)點(diǎn)是只需通過簡單的機(jī)械控制 就能夠保證測量的穩(wěn)定性，減小誤差。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是回轉(zhuǎn)體曲面代表性單元示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本發(fā)明設(shè)計(jì)一個(gè)新型的 芯模，提供了一種能夠準(zhǔn)確測量纏繞纖維與芯模表面間摩擦系數(shù)的方法，為非 測地線纖維纏繞成型工藝提供設(shè)計(jì)參數(shù)，且成本低，簡便易行。本發(fā)明的測量步驟為一、制造芯模l，過程如下步驟一 根據(jù)實(shí)際需要定芯模1最大諱度圓半徑i 的數(shù)值； 步驟二求常數(shù)C的數(shù)值(丄+c)r-0時(shí)，/^)=1,將這組數(shù)值代入公式〃("=1 —^11_中，求得常數(shù)C; 步驟三求L的值，當(dāng)/(。-0時(shí)，r=L，將/(。=0、常數(shù)C代入公式 /0"(卜c)中求得L-;步驟四依據(jù)公式/(0 = *-^+。，每取一個(gè)/"求得對應(yīng)的諱度圓半徑/(r) (0^ W )，這樣芯模1的母線軌跡被確定，制得芯模1;及為芯模l的最大緯度圓半徑； C為常數(shù)；/(0為芯模1外表面任意一點(diǎn)的緯度圓半徑；r為半徑為/(/0的緯度圓與最大緯度圓之間的距離； L為半徑為零的緯度圓與最大緯度圓之間距離；為纖維帶2在諱度圓半徑為/(r)時(shí)與芯模1外表面之間的摩擦系數(shù)； 二、測量纖維帶2與芯模1外表面之間的摩擦系數(shù)//(0 ，其步聚如下 步驟一 將設(shè)計(jì)好的芯模1裝夾在纖維纏繞機(jī)的三爪卡盤與頂尖之間； 步驟二纖維纏繞機(jī)做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲嘴3從芯模1的最大緯度圓側(cè)向 另一側(cè)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向平行于芯模1的軸心線，將施加一定纏繞張 力且浸有樹脂的纖維帶2環(huán)向纏繞到芯模1上，此時(shí)纏繞角P取;r/2 ;步驟三當(dāng)施加一定纏繞張力的纖維帶2纏繞到某點(diǎn)時(shí)，芯模1上的纖維(丄+C)開始打滑，確定該點(diǎn)處r的數(shù)值，代入公式Mr)4-^^求得該點(diǎn)的摩擦系數(shù)/z(r)，這個(gè)摩擦系數(shù)是纖維帶2沿芯模1母線方向纏繞與芯模1表面間的最 小摩擦系數(shù)。如果采用數(shù)控纖維纏繞機(jī)，打滑點(diǎn)的坐標(biāo)根據(jù)數(shù)控程序輕易獲得，既而確定r的數(shù)值；如果不采用數(shù)控纖維纏繞機(jī)，打滑點(diǎn)的r值可通過用尺度量獲得。上述纖維纏繞機(jī)選用的型號(hào)為HG-2噴管大型數(shù)控纖維纏繞機(jī)。 絲嘴3為纖維纏繞機(jī)自帶部件，它沿著平行于芯模1軸心線的軌道運(yùn)動(dòng)， 其主要功能是讓纖維帶2從其中穿過，以定位纖維帶2的給線方向。 本發(fā)明的芯模設(shè)計(jì)原理對于非測地線纖維纏繞，纖維軌跡穩(wěn)定不滑線的條件為其中，——摩擦系數(shù)；、——芯模1曲面的測地曲率；&——芯模l曲面的法向曲率。 由微分幾何的知識(shí)可知，對于任意回轉(zhuǎn)體曲面S (如圖2所示)的參數(shù)方程為S(廣v) = {/O)cosv，/(r)sinv，r} 么V式二其中，S(r，v)-任意回轉(zhuǎn)體曲面；r,v——曲面坐標(biāo)，其中r是半徑為/(r)的緯度圓與最大緯度圓之間 的距離，v是母線/(r)在x、 y平面內(nèi)的投影與x軸的夾角；/(r)——回轉(zhuǎn)體母線方程，/(0>0，又是芯模1外表面任意一點(diǎn)的緯度圓半徑；求得該回轉(zhuǎn)曲面的第一類基本量為-五=1 + /'200 , = 0 G = /2(r) 公式三第二類基本量為〃 =， # 似=0 #五,F,G——參數(shù)曲面的第一類基本量； l,M，iV——參數(shù)曲面的第二類基本量； 根據(jù)歐拉公式A =—cos 6* +—sin 6 五 G求得其法向曲率為又有測地曲率& _ " ^ /'(r) =in。 將公式六和公式七代入公式一得到/'(> ) sin (9 + /(r)cos^公式四公式五公式六公式七1 +式中，^——纏繞角，半徑為/(0的緯度圓處纖維軌跡與母線間夾角; /'(0，/"(0——分別為求母線方程/(r)的一次導(dǎo)數(shù)和二次導(dǎo)數(shù)。公式八令纏繞角0-;r/2，在此環(huán)向纏繞的情況下，對公式六進(jìn)行簡化。這樣就直 接建立芯模1緯度圓半徑/W與該緯度圓處纖維帶2與芯模1外表面之間的摩 擦系數(shù)/^)間的關(guān)系，即<formula>formula see original document page 9</formula>由摩擦系數(shù)/z(r)e(0，l]區(qū)間，相應(yīng)地/("e(i ，0](及為芯模l的最大緯度圓 半徑)。所以有<formula>formula see original document page 9</formula>求解得<formula>formula see original document page 9</formula>式中，r——半徑/(r)的緯度圓與芯模l的最大緯度圓間的距離;C——常數(shù)。 '纖維帶2沿著芯模1母線方向任意點(diǎn)的摩擦系數(shù)/^)和該處諱度圓與最大 緯度圓之間的距離r滿足線性關(guān)系。
權(quán)利要求
1. 纏繞纖維與芯模表面間摩擦系數(shù)的測量方法，其特征在于它的測量步驟為一、制造芯模(1)，過程如下步驟一根據(jù)實(shí)際需要定芯模(1)最大緯度圓半徑R的數(shù)值；步驟二求常數(shù)C的數(shù)值r＝0時(shí)，μ(r)＝1，將這組數(shù)值代入公式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>μ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mi>R</mi><mo>-</mo><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>r</mi> <mi>R</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>C</mi><mo>)</mo> </mrow></msup> </mrow> <mi>R</mi></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100644554C00011.gif" wi="34" he="12" top= "93" left = "117" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->中，求得常數(shù)C；步驟三求L的值，當(dāng)f(r)＝0時(shí)，r＝L，將f(r)＝0、常數(shù)C代入公式
全文摘要
纏繞纖維與芯模表面間摩擦系數(shù)的測量方法，涉及纖維纏繞成型復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域。目的是解決現(xiàn)有的方法測量纏繞纖維與芯模表面之間摩擦系數(shù)誤差大的問題。本發(fā)明的測量步驟包括一、制造芯模；二、測量纖維帶與芯模外表面之間的摩擦系數(shù)μ(r)，將設(shè)計(jì)好的芯模裝夾在纖維纏繞機(jī)上；纖維纏繞機(jī)做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲嘴做勻速直線運(yùn)動(dòng)，將纖維帶沿芯模母線方向纏繞到芯模上，當(dāng)纖維帶纏繞到某點(diǎn)打滑時(shí)，確定該點(diǎn)處r的數(shù)值，代入上式，求得該點(diǎn)的摩擦系數(shù)μ(r)。本發(fā)明利用預(yù)先設(shè)計(jì)的芯模進(jìn)行摩擦系數(shù)測量的優(yōu)點(diǎn)是只需通過簡單的機(jī)械控制就能夠保證測量的穩(wěn)定性，減小誤差。
文檔編號(hào)G01N19/02GK101266206SQ20081006445
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者劉文博, 帆 楊, 王榮國, 矯維成, 赫曉東 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)