蔡金刚---我国缠绕技术历程与现状定稿

1我国纤维缠绕技术及产业发展历程与现状蔡金刚于柏峰杨志忠裴放哈尔滨玻璃钢研究院摘要:我国纤维缠绕技术从20世纪60年代初开始起步，到现在的成熟发展及广泛应用，大致经历了60年代初至60年代末的起步阶段、70年代初至80年代末的发展阶段、80年代末至90年代末技术完善阶段及21世纪初至今的成熟发展阶段。关键词：纤维纤维缠绕缠绕技术一、引言我国的纤维缠绕技术和产业从无到有、从小到大，经历半个世纪几代科技工作者的不懈努力，目前我国的纤维缠绕技术及装备已处于世界先进行列，纤维缠绕复合材料产业和产品产量已位居世界第一。今天，我们在这里进行纪念活动，回顾我国纤维缠绕技术和产业的发展历程，让我们对老一辈纤维缠绕技术的创立和开拓者、纤维缠绕产业的创立和开拓者，以及所有对我国纤维缠绕复合材料做出贡献的人士犹然起敬。中国纤维缠绕技术的发展历程，充满了许许多多自主创新的故事，是一部自力更生、艰苦奋斗的发展史，她伴随着我国的航天航空事业而诞生和成长。同时，中国纤维缠绕技术和产业的发展史也是中国复合材料发展史的缩影，在中国复合材料发展中占有显著地位，为中国成为复合材料产量大国做出了重要贡献。二、纤维缠绕技术发展历程我国纤维缠绕技术的发展历程大致可分为三个阶段：起步阶段（20世纪60年代初—20世纪60年代末）2发展阶段（20世纪70年代初—20世纪80年代末）完善和成熟发展阶段（20世纪80年代末至20世纪90年代末技术完善阶段，21世纪初至今成熟发展阶段）1.纤维缠绕技术起步阶段我国的纤维缠绕技术起步于20世纪60年代初。哈尔滨玻璃钢研究院（原哈尔滨玻璃钢研究所）、北京玻璃钢研究院有限公司（原北京251厂）分别在哈尔滨和北京开展了纤维缠绕技术的研究。1964年，哈尔滨玻璃钢研究院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。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。1964年，北京玻璃钢研究院有限公司实现了标准线（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。1964年，北京玻钢院复合材料有限公司研制出我国第一只复合材料气瓶。1965年，在全国新材料展览会上，哈尔滨玻璃钢研究所展出了链条式和小零字机床式两台机械缠绕机及缠绕制品，在国内首次实现全机械化缠绕。哈玻院20世纪60年代研制的缠绕机见图1—4图1卧式缠绕机图2立式缠绕机3图3轨道式缠绕机图4缠绕工艺1966至1969年，七机部43所派技术人员到哈尔滨玻璃钢研究院全面学习纤维缠绕技术，是我国纤维缠绕技术的第一次公开培训。到1965年，我国已完全掌握了缠绕速比、増量等基本概念，实现了全机械化螺旋缠绕，1969年正式发表了“螺旋缠绕的基本规律”的论文，至此标志着中国纤维缠绕技术的诞生。2.纤维缠绕技术发展阶段1970年至1987年是我国科技工作者对纤维缠绕技术开展全面研究的阶段。这一阶段，完成了纤维缠绕基本规律、异型缠绕规律的研究、完善了机械式纤维缠绕设备的设计与制造，开展了纤维缠绕制品的设计、工艺、结构及性能测试等方面研究，纤维缠绕技术得到全面发展。取得了以下标志性进展和成果：1971年，哈尔滨玻璃钢研究院在国内首次开展了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（异型缠绕技术研究）。1974年11月，编写完成异型缠绕技术总结报告，并于1975年—1983年间，相继发表了“玻璃钢异型制品螺旋缠绕的基本原理”、“非测地线稳定缠绕的基本原理”、“异型截面制品螺旋缠绕的‘相当圆’假设”等多篇论文，提出的异型制品截面的“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。图5是当时开展的回转体变截面（发动机喷管模型）、椭圆截面模型、非回转体无端头（机翼型制品模型）及六边形截面带端头等异型制品螺旋缠绕研究。4图5各种截面螺旋缠绕1974年，哈尔滨玻璃钢研究院从德国引进W250数控缠绕机，是我国首次从国外引进纤维缠绕设备；1974年，北京玻璃钢研究院有限公司研制成功X1型和X2型行星式纤维缠绕机；1974年—1976年，北京玻璃钢研究院有限公司发表了“纤维缠绕内压容器中几个设计计算公式的推导”、“纤维缠绕内压容器封头缠绕包角的计算”等多篇论文。1975年—1979年，北京玻璃钢研究院有限公司借鉴WE-250，研制成功数字程序控制电液伺服纤维缠绕机（SYC—250），1984年获得建筑材料和非金属矿工业科技贡献奖1975年，北京玻璃钢研究院有限公司推导出容器封头缠绕包角计算公式；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；1975年，哈尔滨玻璃钢研究所利用国产碳纤维开展纤维缠绕工艺研究；1978年，哈尔滨玻璃钢研究院在全国纤维缠绕工艺与设备交流会上发表了“带喷管玻璃钢火箭发动机壳体纤维缠绕排线的基本原理探讨”论文，文中首次提出“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；1978年，“玻璃钢异形缠绕规律”（哈玻院）、“纤维缠绕喷管”（北玻院）、“滤水管及自动缠绕机”（北玻院）、“纤维缠绕内压容器的设计计算及基本规律”（哈玻院、北玻院）、“玻璃钢压力容器及其成型设备”（哈玻院、北玻院）荣获全国科学大会重大贡献奖；1978年1月，哈尔滨玻璃钢研究院“纤维缠绕基本规律”在黑龙江省科学5大会上获省级奖励；1978年，哈尔滨玻璃钢研究院“大型缠绕玻璃钢贮、运罐及芯模的设计和制造、玻璃钢液化石油气罐”、“纤维缠绕玻璃钢压力容器成型工艺”、“玻璃钢消摇鳍(机翼型截面)”、“玻璃钢波导管”、“缠绕工艺、缠绕基本规律”项目，分别获国家建材局部级奖励；1978年，发布GB1458—78《纤维缠绕增强塑料环形试样拉伸试验方法》和GB1461—78《纤维缠绕增强塑料环形试样剪切试验方法》两项国家标准。1979年，北京玻璃钢研究所发表“纤维缠绕压力容器的缠绕规律及其选择”论文1980年，哈尔滨玻璃钢研究院完成了圆锥体的等缠绕角与等厚度缠绕，并相继发表了两篇论文。1980年，北京玻钢院复合材料有限公司研制的某飞机玻璃钢气瓶，某导弹用玻璃钢气瓶获得国防科技三等奖。1980年，广州电器科学研究所研制的纤维缠绕绝缘筒，首次用于油断路器灭弧室。1981年，北京玻璃钢研究院有限公司推导出缠绕机运动方程；1983年，北京玻璃钢研究院有限公司推导出回转表面上非测地线缠绕计算公式；1983年，哈尔滨玻璃钢研究院纤维缠绕“碳纤维杆羽毛球拍”获轻工业部部级三等奖；1985年，哈尔滨玻璃钢研究院发表了“纤维缠绕等网格加筋复合材料圆柱壳”的论文，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（见图6、图7）。图6缠绕加筋框结构图7缠绕内加筋外缠绕蒙皮结构1985年，发布GB/T6058—1985《纤维缠绕压力容器制备和内压试样方法》、GB/T5350—1985《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试样方法》、6GB/T5351—1985《纤维增强热固性塑料管短时水压失效压力试样方法》、GB/T5352—1985《纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试样方法》四项国家标准。1986年，哈尔滨玻璃钢研究院“DSC-1型多功能实验室用纤维缠绕机“项目，获国家建材局部级三等奖；1987年，北京玻璃钢研究院有限公司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。1987年，哈尔滨玻璃钢研究院“纤维缠绕增强塑料标准化研究”项目，获国家建材局部级科技进步三等奖1987年，哈尔滨玻璃钢研究院纤维缠绕“碳纤维/环氧复合材料结构件—锥壳、柱壳、杆件”获国家建材局部级科技进步二等奖；1987年，哈尔滨玻璃钢研究院纤维缠绕“FG-20玻璃钢发动机壳体”，获部级科技进步二等奖和国家科技进步三等奖；1987年，哈尔滨玻璃钢研究院发表了“网格结构纤维缠绕计算原理”的论文，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阶段。1972年—1987年间，我国科技工作者在国内各类期刊共发表纤维缠绕相关论文132篇，其中纤维缠绕规律类文章20篇、纤维缠绕设备类文章23篇、纤维缠绕制品设计、结构、工艺、性能类文章52篇、纤维缠绕制品类文章23篇、纤维缠绕综合类文章14篇。3.纤维缠绕技术完善和成熟发展阶段20世纪80年代中后期，我国开始进入微机控制纤维缠绕机研究和应用时代，同时随着纤维缠绕玻璃钢管罐生产线技术的引进，纤维缠绕技术开始在玻璃钢规模化生产上应用。从20世纪90年代中后期开始，纤维缠绕技术发展进入成熟和快速发展阶段，多轴、多功能缠绕机出现并得到发展、出现纤维缠绕工艺与多种工艺复合技术与产品、固化技术多样化，开始研究热塑性复合材料缠绕技术。这一时期，纤维缠绕技术和制品为我国航空航天、国防建设和高技术领域提供了不可或缺的技术和材料保障。同时，商用领域进一步扩展，纤维缠绕产品在我国石油化工、城市给排水、环保、水工业、体育休闲、电力等行业得到认可和大量使用。随着纤维缠绕技术日益完善和成熟，中国纤维缠绕技术进入世界先进行列。这一时期的表现是技术进步大，成果众多。1）纤维缠绕技术及缠绕机持续完善，并向高层次发展20世纪80年代，哈尔滨玻璃钢研究院、哈尔滨工业大学等单位在微机控制7缠绕机的控制理论和纤维缠绕实践方面开展了大量研究工作，提出了不同的控制模式、研究了微机控制下的纤维缠绕规律，制造出了我国自己的微机控制缠绕机。1985年，哈尔滨工业大学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。1988年，哈尔滨玻璃钢研究院开发成功“计算机辅助纤维缠绕软件包”；1990年，“由泰山科技专著出版基金”资助的《纤维缠绕原理》专著由山东科技出版社出版，该书“是一本在新兴科技领域———复合材料方面的具有我国特色的开拓性专著”。1990年至1999年，浙江大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学等先后发表了“旋转面计算机辅助缠绕设计中的拟测地线算法”等多篇相关缠绕理论、缠绕CAD/CAM软件、机器人缠绕方面研究论文。1991年，哈尔滨玻璃钢研究院“JKC-320型纤维缠绕机（包括计算机辅助纤维缠绕软件包）”，获部级三等奖1993年，哈尔滨玻璃钢研究院“非线性缠绕理论的研究及其应用”，获部级三等奖。1984年—1997年，哈尔滨玻璃钢研究院先后研制成功球形、环形缠绕机，开发出纤维缠绕球形和环形制品。2004年，“环形容器缠绕机”获国家发明专利授权。图8球形缠绕机及单极孔球形、环形制品2000年，哈尔滨工业大学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。图9哈工大工程应用的六轴联动纤维缠绕机82005年，南京航空航天大学完成了国内第一台自动铺丝原理样机和CAD/CAM软件原型研制。在此基础上与北京航空材料研究院研制成功国内第一台8丝束小型工程自动铺丝机，完成了某型飞机S进气道的研制与装备。图10国内研制的第一套自动铺丝原理样机与工程样机2006年，哈尔滨工业大学“数控纤维缠绕机及关键技术”项目通过鉴定，其关键技术达到国际同类产品的先进水平，部分指标处于国际领先水平。2）纤维缠绕制品在航空航天、军工等领域得到广泛应用，取得了众多成果1995年11月28日和12月8日，采用哈玻院研制的纤维缠绕大型玻璃钢壳体EPKM—17近地点变轨发动机，成功将亚洲—2号和美国艾科斯达—1号卫星由停泊轨道送到远地点为3.6万公里的地球同步轨道。EPKM上面级纤维缠绕大型玻璃钢发动机壳体的研制成功，标志着我国高性能、高精度固体上面级发动机壳体制造技术取得突破性进展，促进了我国复合材料在航天领域的应用。2003年10月15日，采用纤维缠绕碳纤维复合材料结构件的神州飞船将航天员杨