CN100350089C - 一种可使编织成型方向折转的三维整体编织方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可使编织成型方向折转的三维整体编织方法，该编织方法对于制件成型方向不变的部分均按圆型或方型编织方法编织，其特征在于对于制件成型方向折转的部分采用局部编织方法编织，即首先根据制件尺寸和折转角度的变化规律，在制件折转部位沿编织成型方向以花节长度为间距设计花节线，并根据花节线的长度设计相应的横向花节数量和纵向花节数量；其次，在编织过程中按设计的横向花节数量和纵向花节数量仅对编织机底盘上对应的部分携纱器排列按所述的变化规律进行编织。该编织方法编织的制件，其内部纤维连续，结构整体性好，方法简单、实用性强、成本低。

Description

一种可使编织成型方向折转的三维整体编织方法

技术领域

本发明涉及一种三维编织技术，用于复合材料增强体使用的三维编织预成型制件的制造，具体为一种通过局部编织来实现编织成型方向折转的三维整体编织方法，国际专利主分类号拟为Int.Cl⁷ D04C 1/00。

背景技术

复合材料的增强结构或支撑体预成型制件的形状结构及其品质基本决定了复合材料的性能。高性能先进复合材料增强结构的重要形式是采用三维编织技术制备的三维编织预成型制件。其主要特点是：1.纤维束在制件中相互交织、多方向取向，从而形成一个整体的结构，使制件在各个方向、特别是在厚度方向上得到增强，避免了分层。2.可以直接编织出各种形状、不同尺寸的三维整体异型制件，例如三维整体厚壁圆管、圆柱体、锥套体、工型梁、T型梁、L型梁、盒型梁等。用其制成的复合材料制件不需再加工，避免了加工造成的纤维损伤。3.可以使用各种高性能纤维，如碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维以及普通纤维等进行编织。因此，三维编织技术近年来得到迅速的发展，并成为航空、航天等高技术领域所使用复合材料构件的关键制备技术之一，具有很好的发展前景。

目前三维编织技术以四步法三维编织工艺为主，它源于弗罗亭(R.A.Florentine)在其专利(US 4312261)中描述的四步法三维编织方法。李维(W.Li)等也在其“三维编织复合材料预成型制件的结构分析I：四步法预成型编织工艺”(纺织研究，1990.4.81页Structural Analysis of 3-D BraidedPreforms for Composites Part I：The Four-step Preforms，J.Text.Inst.，1990，81 NO.4)中系统描述了方型和圆型四步法三维编织工艺，并分析了编织过程中编织纱线的运动规律。该工艺可包含两个纱线系统，即编织纱线系统和轴纱系统(第五向纱线系统)。其中编织纱线系统为主纱线系统，轴纱系统为根据需要加入的辅助纱线系统。所有纱线沿编织成型方向悬挂排列于编织机底盘上。编织纱线的排列形式和编织形式由制件的横截面形状决定：1.制件横截面为矩形或矩形组合，例如T型、工型、L型、盒型等，编织纱线按行和列方式排列成制件的截面形状，这种编织方法为方型编织；2.制件的横截面为圆形或圆环形，编织纱线则按环向行和径向列的方式排列成制件的截面形状，这种编织方法称为圆型编织。编织过程中，编织机按行列交替方式运动，四步为一个编织机循环，编织纱按一定设计规律运动，轴纱沿编织方向不动，这样形成一个不分层的三维四向(不含轴纱)或三维五向(含轴纱)整体结构，经过若干编织机循环，就可制成一定长度等截面的三维编织预成型件。中材科技股份有限公司在其专利“复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法”(CN 1614114)中报道了一种复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法。其原理是利用三维编织纱锭(动纱和不动纱)运动的特点，将编织纱不断减少或者减细，从而实现编织物横截面积的减小。该方法可实现横截面积逐渐变化的三维编织预制件的编织。

在基本四步法等截面制件或仿形减纱变截面制件的编织工艺中，纱线上都存在一定的张力，所有纱线上张力的合力方向始终要与编织机底盘平面垂直，因此预成型制件的成型方向在编织过程中是连续的且不发生变化，始终垂直编织机底盘平面，例如编织一定长度的平板或圆管以及截面渐变的锥套体等。但在工程应用中，有一类复合材料制件的成型方向在编织过程中也是连续的，但是方向发生变化，即沿复合材料的长度方向出现一定空间角度的弯折。例如直角接头制件(参见图1)，制件两端的横截面形状和尺寸一致，中间出现90°的弯折；又例如折杆制件(参见图2)，截面为矩形，中间部位成型方向出现160°弯折。对于这类成型方向出现弯折的方型预成型制件，弯折部位的编织花节数量和排列规律沿宽度方向应有所不同，传统的四步法三维编织由于张力作用无法保持花节的平整均匀；还例如圆管弯接头(参见图3)，两圆管为斜交，交线为椭圆。现有的净体仿形三维编织技术只能编织连续且在一个轴向上的圆管，无法转向编织，也无法实现斜交。对于上述复杂形状结构的复合材料制件，无法采用传统的三维编织方法完成，不能满足高性能复合材料对预成型件的要求。目前主要的解决办法是采用金属材料成型，或采用机械加工的方法把纤维增强的复合材料进一步加工成所需形状。显然，这样的加工不仅会破坏预成型制件的整体性，造成材料的极大浪费和制件性能的下降，而且也增加了工序，降低了生产效率，提高了制件的制造成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种可使编织成型方向折转的三维整体编织方法，该方法可以实现矩形或矩形组合截面制件的弯折拐角连续编织成型，也可以实现圆管制件的连续编织弯折成型，并且制件为净体成型，制成复合材料后无需再加工，同时方法简单，适用性广。

本发明解决所述编织方法技术问题的技术方案是：设计一种可使编织成型方向折转的三维整体编织方法，该编织方法对于制件成型方向不变的部分均按圆型或方型编织方法编织，其特征在于对于制件成型方向折转的部分采用局部编织方法编织，即首先根据制件尺寸和折转角度的变化规律，在制件折转部位设计折转边界线将制件分成两个部分，每个部分按各自的编织成型方向以花节长度为间距设计花节线，并根据花节线的长度设计相应的横向花节数量和纵向花节数量；其次，每个部分按各自的编织成型方向以设计好的横向和纵向花节数量进行编织，先编织制件折转边界线的一个部分，然后将编织到折转边界线的制件按设计要求旋转一定角度后，继续编织折转边界线的另一个部分。在编织过程中按设计的横向花节数量和纵向花节数量仅对编织机底盘上对应的部分携纱器排列按所述的变化规律进行编织。

与现有技术相比，本发明在基本的方型或圆型的四步法三维四向或五向编织工艺的基础上，通过局部编织技术，每个花节长度间距编织不同的横向花节数量，可以实现矩形截面制件或圆管制件弯折部位的连续整体编织成型。以局部编织方法实现的异型预成型制件，其内部增强纤维保持连续，制件结构保持整体性。本发明方法可使预成型制件完全按照产品尺寸设计实现编织，避免或减少了复合固化后机械加工造成的纤维损伤，提高复合材料的整体性和综合性能；同时减少了加工工序，可降低制造成本。另一方面，由于本发明所述方法巧妙设计了局部编织纱线的连接方法，因此，本发明编织方法具有方法简单、实用性强、成本低的特点。本发明编织方法可以用于成型方向在编织过程中发生折转的方型编织制件，也适用于圆型编织制件。

附图说明

图1为本发明编织方法的一种实施例，编织盒型直角接头制件的示意图；

图2为本发明编织方法的另一种实施例，编织盒型非直角折杆制件的示意图；

图3为本发明编织方法的再一种实施例，编织斜交圆管接头制件的示意图；

图4为本发明编织方法的第四种实施例，编织梯形体制件的示意图；

图5为本发明编织方法所述的方型局部编织示意图；图5中，I表示编织成型方向，1为携纱器，2为编织机底盘，3为编织纱线，4为编织预成型制件；

图6为本发明编织方法所述的圆型局部编织示意图；图6中的标记同图5。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，本发明不受实施例的限制。

本发明设计的一种可使编织成型方向折转的三维整体编织方法(以下简称编织方法)，该编织方法对于制件成型方向不变的部分均按圆型或方型编织方法编织，例如采用制件要求的传统三维四向或五向圆型或方型编织工艺方法编织，其特征在于对于制件成型方向折转的部分采用局部编织方法，即首先根据制件尺寸和折转角度的变化规律，在制件折转部位沿编织成型方向以花节长度为间距设计花节线，并根据花节线的长度设计相应的横向花节数量和纵向花节数量；其次，在编织过程中按设计的横向花节数量和纵向花节数量仅对编织机底盘上对应的部分携纱器排列按所述的变化规律进行编织。

本发明的进一步特征是该编织方法采用三维四向或三维五向圆型或方型的局部编织方法编织制件成型方向折转的部分。

本发明编织方法所述花节，是指三维编织预成型件表面纱线交织结构的最小重复单元。所述花节长度，是指一个编织机循环所编织出的预成型件的长度。所述编织成型方向，是指编织过程中花节长度形成的方向。所述纵向花节数量，是指沿编织成型方向花节的个数。所述横向花节数量，是指垂直于编织成型方向花节的个数。所述花节线，是指沿编织成型方向以花节长度为间距获得的一系列等高线。

本发明方法所述局部编织方法或技术，是指仅对编织机底盘携纱器排列的一部分进行编织，另一部分不动，所形成的织物一部分纱线相互交织，并改变方向，另一部分纱线不交织，仍按原来方向排列的编织方法。

下面分别以方型编织的直角盒型接头类制件和圆型编织的斜交圆管接头类制件的编织过程为例，进一步详细说明本发明编织方法。

首先说明直角盒型接头类制件的编织方法(参见图1)：

第一，选定编织成型方向，并排列悬挂编织纱线。本例选择垂直于盒型直角接头制件(以下简称盒型制件)的截面方向为编织成型方向I，依该盒型制件横截面尺寸设计所用编织纱根数和第五向纱线根数，第五向纱线可以根据预成型制件的设计要求加入，以提高制件在此方向的力学性能。编织纱线在编织机底盘上按行列方式或方型编织方法排列成盒形，边纱间隔排列在主体纱的内侧和外侧，纱线平行于制件的编织成型方向。

第二，编织制件的成型方向不变部分。按盒型制件或方型编织工艺(参见图5)沿成型方向开始编织盒型制件的成型方向不变部分或者等截面部分，直至盒型制件的弯折部位。

第三，设计花节线。将盒型制件弯折部分按折转边界线B分成两个三角形部分或区域，每部分或区域按各自的编织成型方向以一个花节长度为间距设计相互平行的花节线P，两个区域的花节线P1-P4与P6-P9在折转边界线B处相交。

第四，采用局部编织方法编织盒型制件的弯折部分。当盒型制件的等截面部分编织完并设计好花节线后，采用三维四向或三维五向方型的局部编织方法或技术编织盒型制件的弯折部分，即从本例的花节线P1处采用局部编织方法编织。在局部编织过程中，根据各条花节线的长度，确定下一个编织机循环需要编织的横向花节数量，也即编织机底盘上对应的纱线列数，并使该部分的纱线参加编织，其余的纱线仍然悬挂不动，不参加编织。不同花节线对应不同的纱线列数，从花节线P1到花节线P5，逐渐减少参加编织的纱线列数，到花节线P5时花节线的长度为零。此时完成了折转边界线B左边三角形区域的局部编织。将编织好的盒型制件部分旋转90度角，继续编织折转边界线B右边的三角区域，按照从P6到P9的顺序，逐渐增加参加编织的纱线列数，到花节线P9处时，所有的纱线均参与编织，即盒型制件的弯折部分局部编织成型完成。

第五，编织盒型制件余下部分。按第二步所述的方法继续编织盒型制件的余下部分，直至整个盒型制件编织完成。

下面再说明斜交圆管接头类制件的编织过程(参见图3)：

第一，选定编织成型方向，并排列悬挂编织纱线。本例选择垂直于斜交圆管接头制件(以下简称圆管制件)的圆管横截面方向为编织成型方向I。编织纱线按圆型编织方法排列于编织机底盘上(参见图6)，可根据需要加入第五向纱线。

第二，编织圆管制件的等截面部分。按圆管制件的编织工艺，沿所述成型方向开始编织圆管制件的等截面部分，直到圆管接头的相交部位。

第三，设计花节线。将圆管制件以折转边界线B分成两部分，每部分按各自的编织成型方向以一个花节长度为间距设计平行花节线P，使两部分的花节线P在折转边界线B处相交。

第四，采用局部编织方法编织圆管制件的弯折部分。本例的两斜交圆管的轴线在空间有一定的夹角，为保证圆管制件编织成型的均匀性，采用三维四向或三维五向圆型的局部编织工艺或方法进行圆管弯折部分的编织成型。基本方法是根据各条花节线的长度，确定下一个编织机循环需要编织的横向花节数量，也即编织机底盘上对应的纱线列数，并使该部分的纱线参加编织，其余的纱线仍然悬挂不动，不参加编织。由于圆型编织中，编织纱线在编织机底盘上排列成一个圆环形状，因此需要在编织机底盘上选择一个局部编织的基准点。该基准点可任选为编织机底盘上相邻两列携纱器的列间中线，对应于本例中两圆管相交的根点(起始花节线P与边界线B的交点)。以选定的局部编织基准点为中心，对称地确定每条花节线所对应的纱线排列和携纱器位置。首先对称地逐渐减少参加编织的纱线列数，进行局部编织，完成圆管弯折部位第一部分的编织。然后，将编织好的盒型制件部分旋转设计要求的度角(本例为135度角)，继续编织圆管弯折部位第二部分，按与编织第一部分相反的顺序，对称地逐渐增加参加编织的纱线列数，直到整个圆周上所有携纱器都参加编织，完成圆管相交部位的整体成型为止。一般来讲，若弯折相交的两部分对称，则局部编织每次增加和减少的纱线列数相同。

第五，编织圆管制件余下部分。圆管制件的弯折部分编织成型后，按第二步所述的方法继续编织圆管制件的余下部分，直至整个圆管制件编织完成。

虽然所述盒型制件和圆管制件实施例的形状对称规整，但本发明编织方法同样适用于不对称的直交或斜交的盒型类或圆管类接头制件的编织，具有广泛的适用性，很强的实用性。

本发明编织方法的特点在于巧妙而科学地设计了局部编织方法，从而可以使编织成型方向折转的复杂异型预成型制件可由纤维束一次连续编织而成，避免了复合固化后机械加工造成的纤维束损伤，保证了制件内增强纤维束的连续性和编织结构整体性。按照本发明方法编织的预成型制件，其内部增强纤维束交织成三维整体网状结构，并且制件为净体成型，制成复合材料后无需再加工，极大地提高了制件的结构整体性和机械力学性质，且方法简单，适用性广。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面再进一步给出本发明的具体实施例。

实施例1：

采用本发明编织方法编织盒型直角接头制件(参见图1、5)。

盒型制件的截面尺寸45*45mm，各边厚度均为7mm，采用四步法三维五向方型编织，以垂直于盒型制件的截面方向为编织成型方向I，编织纱线3为T300-6K碳纤维，编织角22°，设计编织所需纱线根数为2108根。花节线P1及以上的盒型制件等截面部分，采用传统方型编织方法编织，即所有沿此方向的纱线均参加编织。花节线P1以下的左折转部分采用本发明局部编织方法编织。从P1开始所有纱线编织一个花节长度到P2位置，根据花节线P2的长度，保持靠近折转边界线B的1/4纱线列不动，其余的3/4纱线列参加编织；编织一个花节长度到P3位置，保持靠近折转边界线B的1/2纱线列不动，其余的1/2纱线列参加编织；编织一个花节长度到花节线P4，保持靠近折转边界线B的3/4纱线列不动，其余的1/4纱线列参加编织；编织一个花节长度到花节线P5时，所有纱线列均不参加编织。转换编织轴向或方向90度后，继续采用局部编方法编织余下的折转部分，编织规律和所述左半折转部分的局部编织相似，但参加编织的纱线列不是逐渐减少而是相反，从花节线P5的0到花节线P6处的1/4，再依次增加到P9处的全部纱线列均参加编织。最后继续采用传统方型编织方法编织余下的盒型制件等截面部分，直至整个盒型制件全部编织完成。

本例中，局部编织部分只有4个花节长度，如果盒型制件弯折部分较长，按照花节线P所分段的数量，可同样依照上述方法处理。不难理解，参照本实施例，本发明编织方法可适用于两成型方向相互不垂直的盒型制件。

实施例2：

采用本发明编织方法编织折杆制件(参见图2)。

折杆制件的截面为矩形，尺寸35*8mm，编织采用三维五向结构，方型编织，编织纱线3为T300-12K碳纤维，编织角30°，设计编织所需纱线根数为296根。弯折部分的局部编织共分两组6次(P1-P3，P5-P7)，在P1处所有纱线均参加编织，编织一个花节长度到P2处，将参加编织的纱线数减少到188根；编织一个花节长度到P3处，再将参加编织的纱线数减少到54根；编织一个花节长度后停止(P4处)；将编好的制件部分折转到折杆制件要求的角度，使未编织部分与编织机底盘2垂直。弯折后的编织从P5处开始编织，共有54根纱线参加编织，但花节成型方向不同，编织一个花节长度后到P6处，将参加编织的纱线增加到188根；编织完一个花节长度后到P7处，所有的编织纱线均参与编织。最后继续采用传统方型编织方法编织余下的支杆制件等截面部分，直至整个支杆制件全部编织完成。余同实施例1。

实施例3：

采用本发明编织方法编织斜交圆管接头制件(参见图3、6)，

斜交圆管接头制件的两圆管形状结构对称，内径22mm，外径26mm，空间夹角为45°，采用四步法三维五向结构圆型编织方法，编织纱线为540tex的玻璃纤维，编织角34°，花节长度为4.8mm，设计编织所需纱线根数为350根。以垂直圆管横截面方向为成型方向I，首先用传统编织方法编织制件圆管的等截面部分至花节线P处；其次，根据圆管折转部分几何尺寸，以花节长度为间距，设计花节线，计算花节线长度和对应的编织纱线3或携纱器1的数量，具体数量参见表1。

表1斜交圆管接头制件局部编织的携纱器(纱线)数量

编号	花节线长度(mm)	对应的携纱器或纱线数量(个或根)
			1	69.08	350(50列×7行)
2	61.90	308(44列×7行)
			3	52.40	266(38列×7行)
4	46.40	238(34列×7行)
			5	42.06	210(30列×7行)
6	38.24	196(28列×7行)
			7	34.00	168(24列×7行)
8	27.98	140(20列×7行)
			9	17.22	84(12列×7行)

圆型编织中，编织纱线在编织机底盘上排列成一个圆环形状，由四步法编织运动规律决定了携纱器1的列量必为偶数。全部携纱器1数量为350个，也即350根编织纱线3。具体编织过程中，先编织圆管制件折转部分的上圆管：首先在编织机底盘上选择一个局部编织的基准点。该基准点可任选为编织机底盘上相邻两列携纱器的列间中线，并将其对应于本例中两圆管相交的根点(起始花节线P与边界线B的交点)位置。以选定的局部编织基准点为中心，按照表1的编号1到9的顺序，两边对称地确定每编织一个花节长度所需的纱线数量，进行局部编织：第一步，所有纱线均参加编织，编织一个花节长度；第二步，所述局部编织基准点两侧各21个(3列)携纱器1停止编织，其它携纱器1运动，编织一个花节长度；第三步，所述局部编织基准点两侧各42个(6列)携纱器1停止编织，其它携纱器1运动，编织一个花节长度；第四步，所述局部编织基准点两侧各56个(8列)携纱器1停止编织，其它携纱器1运动，编织一个花节长度，依此类推，直到整个圆周上350个携纱器1都停止编织，即完成所述上圆管部分的成型。

然后，将编织好的盒型制件部分旋转135度角编织圆管制件折转部分的下圆管：按照表1的编号9到1的顺序局部编织：第一步，所述中心位置两侧各42个(6列)携纱器1，编织一个花节长度，其它携纱器1不动；第二步，所述中心位置两侧各70个(10列)携纱器1，编织一个花节长度，其它携纱器1不动；第三步，所述中心位置两侧各84个(12列)携纱器1，编织一个花节长度，其它携纱器1不动，依此类推，直到整个圆周上350个携纱器1都参加编织为止，即完成所述下圆管部分的成型，也即完成整个圆管折转部分的成型。继续按基本的圆型编织方法编织制件余下的圆管等截面部分，直到完成整个制件。

实施例4：

采用本发明编织方法编织梯形体制件(参见图4、5)。

梯形体制件的截面为矩形，大端尺寸60*8mm，小端尺寸30*8mm，高度200mm。采用四步法三维四向结构方形编织，编织纱线为T300-12K碳纤维，花节长度为5mm，设计编织初始所需纱线根数为479根。以垂直于制件矩形截面为成型方向，采用局部编织方法从大端到小端，逐渐均匀减少编织机底盘携纱器1(编织纱线3)参加编织的数量，以每个花节长度逐步减少一次纱线为例，编织一个花节长度后，参加编织的纱线数量减少6根，直到编织结束。然后将悬挂不参加编织的纱线从根部剪断，即完成梯形体制件的整体编织。

该实施例说明，本发明编织方法不仅可以编织成型方向折转的三维预成型制件(如实施例1-3所述)，而且也可以编织成型方向没有变化，但横截面形状发生变化的三维预成型制件，如本例所述的梯形体制件，实施例1-3所述制件在换向编织前所织成的可以称为坡口或斜口的三维预成型制件。尽管采用所述的专利方法(CN 1614114)也可编织此类形状的制件，但其工艺比较复杂，而且制件内部纱线有断头，制品的整体性不理想。而采用本发明方法编织的三维预成型制件，所有的纱线断头均集中于制件的侧面(周向编织纱线之间)，内部增强纱线均为整体，没有断头，因而提高了制件本身进而复合材料的整体性和机械力学性能，并且方法简单，成本低廉，便于应用。

Claims (2)

1.一种可使编织成型方向折转的三维整体编织方法，该编织方法对于制件成型方向不变的部分均按圆型或方型编织方法编织，其特征在于对于制件成型方向折转的部分采用局部编织方法编织，即首先根据制件尺寸和折转角度的变化规律，在制件折转部位设计折转边界线将制件分成两个部分，每个部分按各自的编织成型方向以花节长度为间距设计花节线，并根据花节线的长度设计相应的横向花节数量和纵向花节数量；其次，每个部分按各自的编织成型方向以设计好的横向和纵向花节数量进行编织，先编织制件折转边界线的一个部分，然后将编织到折转边界线的制件按设计要求旋转一定角度后，继续编织折转边界线的另一个部分。在编织过程中按设计的横向花节数量和纵向花节数量仅对编织机底盘上对应的部分携纱器排列按所述的变化规律进行编织。

2.根据权利要求1所述的可使编织成型方向折转的三维整体编织方法，其特征在于该编织方法采用三维四向或三维五向圆型或方型的局部编织方法编织制件成型方向折转的部分。

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