大直径复合材料容器湿法缠绕纤维排布均匀性控制策略

一、纤维排布均匀性的影响因素分析

（一）纤维张力与牵引控制对均匀性的影响

张力控制是湿法缠绕过程中控制纤维排布均匀性的核心环节。张力过高易导致纤维拉伸偏薄，形成局部强度差异；张力过低则纤维纠缠、松弛，影响层间结合质量。应在缠绕机张力传感器反馈下维持张力恒定，通过 PID 控制器实现张力误差实时校正。缠绕系统中，牵引辊与导向套管的摩擦特性被集成建模，为控制系统提供精确的摩擦力补偿值。通过动态调整收卷张力与供料张力差，实现纤维铺设张力与缠绕路径的耦合匹配，改善纤维垂向排布。精细化张力控制可在壁厚方向形成均匀纤维分布，减少气泡和空洞风险，提高容器结构稳定性。

（二）缠绕路径规划与角度控制对结构一致性的作用

湿法缠绕中缠绕路径规划影响纤维在大直径结构上的排布规律，角度控制决定应力分配均匀度。通过制定多变角度缠绕策略，如 ±55^∘ 、 ±90^∘ °交错铺设，并设计合理的层间角度偏差范围，可实现容器承载方向力学性能的均衡。路径规划通过 CATIA 模型，运用CADWIND 缠绕仿真软件进行精确的测地线/ 非测地线路径规划与模拟，预测潜在的干涉、滑线、架桥等问题，并优化小车运动轨迹和速度曲线。并引入几何误差检测模块，对路径计划与实际轨迹偏差进行对比分析，实现误差预处理与偏移补偿。路径优化结合有限元仿真分析缠绕方向的壁厚变化与应力集中区域，并依据结果微调缠绕角度与层间交叉方式，从而优化纤维冲击面和主应力方向，对“层间跳线”“末端重叠”现象进行调整，保障大直径容器的排布一致性。

（三）湿润剂配比与纤维浸润效率对纤维铺设质量的影响

纤维与树脂预浸关系直接影响缠绕后的粘结力与成型质量。湿法缠绕工艺中需控制湿润剂浓度、浸润时间与张力同步配合，以确保纤维表面浸渍均匀。湿润剂含量偏高会造成厚层树脂聚集，引发流挂与气泡；含量偏低则纤维间空隙未被填充，降低壁厚致密性。通过建立湿润模型，模拟湿润剂渗透率与张力、缠绕速度之间的耦合关系，并搭配在线浸渍监测系统对湿度进行反馈校正，实现树脂湿润率在设定范围内运行。湿法缠绕系统中引入湿润剂浓度传感器、纤维湿度传感器，并结合湿润效率仿真模型，对湿润过程实施闭环控制，可形成树脂、纤维与缠绕同步一致的固化基础。

二、纤维均匀性控制策略与实施路径

（一）张力闭环控制系统设计与实现

张力闭环控制系统是实现纤维均匀排布的核心。硬件由高精度张力传感器与电机驱动器构成，软件层面采用PID 或模型预测控制（MPC）算法，根据传感器反馈信号调节牵引轮速度，确保张力始终维持设定值窗口中。控制系统需考虑纤维湿润状态对摩擦系数变化，建立张力增益衰减模型，实现对树脂浸润后摩擦特性的实时补偿。张力控制模块与路径控制模块同步联动，当缠绕角度或直径变化时动态调整张力参考值，以适配张力分布的变化趋势。实验环境下，对比开启与关闭张力闭环控制两种情况的喷缠样件，后者存在明显厚度不均与纤维错层现象，而在张力闭环稳定后缠绕层厚波动控制在 ±2% ，排布更为一致稳定。该机制显著提高了大直径容器的结构一致性与耐压能力。

（二）基于仿真分析的路径优化与角度补偿技术

路径优化与角度补偿技术需要通过 CATIA 三维建模与有限元结构仿真结合实现。首先提取容器几何尺寸与预定缠绕层数，将路径规划纳入离散化结构网格，并在仿真环境下建立缠绕过程模型。通过仿真分析不同角度排列对壁厚波动与应力分布的影响，识别缠绕层内角度偏差与缠绕间隙对局部厚度影响区域。应用路径补偿算法，根据仿真结果自动对缠绕角度和速度进行微调设计，从而平衡缠绕路径厚度。实施过程中，路径控制器可引入路径偏移补偿功能，纠正偏移引发的角度失配现象。验证阶段截取缠绕样本测量壁厚结构数据，与仿真预测值对比，差异控制在 ±1% ，表明优化路径在提升排布均匀性方面具备显著作用。结合机器学习算法对多组仿真数据训练，构建缠绕参数预测模型，实现不同容器规格下路径与角度的自适应优化，提升技术普适性。

（三）湿润闭环检测系统与树脂均匀性控制

湿润闭环检测系统通过在线传感器对纤维湿度与树脂涂层厚度进行实时监控，控制系统依传感指令自动调整湿润剂浓度与浸润速度。设计中配备电容式湿度传感器与激光式厚度监测模块，对纤维入口与缠绕出口进行湿润状况扫描，生成湿润率轮廓数据，用于评估湿润质量。系统软件引入湿润效率模型，计算湿润剂粘度与纤维渗透通道之间的关系，实现湿润浓度和速度差动态补偿控制。缠绕过程结束后，对照干燥后的纤维层截面结构分布图，发现通过湿润闭环控制方式，树脂分布均匀性提升约 15% ，减少因过润或干润造成的结构分层问题。同时提高了复合材料界面结合强度和渗透密实度，对后续树脂固化性能具有积极效应。

（四）实时检测反馈机制与质量追溯系统

实时检测反馈机制起到整体系统的监控和优化作用，将张力、路径与湿润数据集成监控平台，实现缠绕全过程质量追溯。在线检测设备包括张力传感器、视觉系统、激光测厚仪与湿润检测模块，通过工业控制总线（CAN 或 EtherCAT）将数据采集汇入控制中心。控制系统设定警戒阈值，一旦检测参数偏离目标，自动触发停缠并提示操作调整，在生产线上形成“报警—判定—校正—记录”闭环流程。所有采集数据被存入数据库，可用于再生产分析与质量评估。在缠绕结束后进行厚度、湿润率与力学性能试验，对比动态监控数据，优化后流程的容器均匀性指标提升超过 20% 。该系统不仅提升了纤维层结构质量，也为批量生产提供质量可控与追溯保障能力。

结束语

纤维排布均匀性的提升是确保大直径复合材料容器结构性能的重要前提。通过张力闭环控制、路径角度优化、湿润闭环检测与实时质量追溯系统的协同应用，能有效提升纤维结构一致性与壁厚稳定性。未来可拓展至缠绕复杂曲面结构，为高压力、高性能复合容器生产提供标准化与智能化支撑。

参考文献

[1] 张铭 . 湿法缠绕工艺纤维排布均匀性研究 [J]. 复合材料科学与工程 ,2023,43(02):98- 103.

[2] 周焕红 . 浸渍缠绕结构优化设计与控制策略 [J]. 新材料工业 ,2023,43(04):115- 120.