CN101068674B - 用于形成具有离轴强化的编织物件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于获得编织物件(10)的离轴强化的装置，该装置包括固定心轴(20)和转动心轴(22)。转动心轴(22)通过转动穿过固定心轴(20)中心的轴连接到固定心轴(20)。该轴允许转动心轴(22)相对于固定心轴(20)上下移动。编织物件(10)的一部分可以被固定心轴(20)夹持，而编织物件(10)的第二部分可以被转动心轴(22)夹持。在转动时，转动心轴(22)致使编织物件(10)内的经向纤维(12)扭转偏离0°方向，而纬向或环向纤维(14)则保持基本上平行于90°方向。

Description

用于形成具有离轴强化的编织物件的装置和方法
技术领域
本发明涉及离轴强化的对称和非对称形状，以及用于形成具有离轴强化的无缝织物结构的对称和非对称形状的方法。
背景技术
天线罩(radome)是用于航天航空工业的遮蔽物，其可以遮蔽天线、雷达、或者类似装置免受周围环境影响。例如，天线罩可以用于保护天线免受该装置周围区域的强风、结冰、和/或温度极限。根据装置的使用场合，在没有保护时，这些装置易于受到雨水、热、腐蚀、压力、以及其他损坏源的负面影响而被损坏。
用于航天航空应用的天线罩通常具有轴对称或对称形状，其形式一般为锥形、半球形、回转抛物面、或者回转半椭圆体。然而，这些形状的天线罩无法满足由某些政府机构颁布的雷达散射截面(RCS)的规定。也就是说，尽管现有技术的天线罩可以适当地遮蔽装置组件，但是天线罩由于其几何形状而具有较大的RCS，因此容易被雷达探测到。不幸的是，由于雷达吸收材料可能干扰容置于天线罩内的元件对信号的广播和接收，因此这些材料通常不与天线罩结合使用。例如，在某些航天航空应用中，天线罩保护被封闭的装置免受空气动力和气象损坏，同时允许雷达进行传输和接收，并防止这些装置干扰安装这些装置的航空器(airborne vehicle)的空气动力特性。与传输到这些装置或从这些装置传输的信号的干扰会使得该装置变得不起作用。
对于航天航空工业的天线罩所面临的另一个设计问题为，用于构造天线罩的材料必须具有足够低的介电性能，从而不干扰传输信号。此外，由于不均匀的介电性能会负面影响进入或离开天线罩的传输，因此该材料的介电性能必须均匀。例如，天线罩一般为复合结构。这些复合结构通常由使用胶结材料(matrix material)的玻璃或石英纤维预制品组成，该胶结材料为具有低介电性能的聚合物。可以使用树脂传递成型或者通过手工制作玻璃纤维预浸渍制品(prepreg)，从而构造这种类型的天线罩。术语“预浸渍制品”用于描述使用聚合树脂预先浸渍的织物或单向带子。例如可以通过切割和缝合各个玻璃纤维、定型编织物、极向编织物(polar weaving)以及提花编织物(梭织)叠层(ply)，使用树脂传递成型部件来完成构造预制品。然而，这些技术耗时，且其具有显著的缺点，即，由这些方法生产的天线罩将具有至少一个接缝，在极端条件下，该接缝经常成为这种结构失效的根源。接缝在天线罩中也是不期望的，因为介电特性在接缝区域中变得不均匀，从而对信号传输和接收产生负面影响。
然而，可以使用三维提花编织技术来构造天线罩。通过这些技术，可以使用一片布料构造袜状预制品。由于这种袜状预制品是无缝的，因此其是有利的，由此消除了与接缝相关联的显著问题。在基本编织结构中，经向和纬向纤维相互成直角，使得在最终结构上，连续的纬向纤维沿环向(90°)方向，而经向纤维则沿着轴向轮廓线(0°方向)。因此，三维提花编织的、无缝袜状预制品优于其他技术。
通过选择性地包括或去除部分纬向纤维，这些袜状预制品可以形成具有/没有封闭端的各种几何形状。这些袜状预制品可以编织成单层织物，然而，可以将多个袜状预制品相互堆叠地形成以构建期望的厚度。然后，可以使用前述制造技术将该预制品加工成复合结构。然而，使用目前的编织技术编织复杂的三维形状(例如不对称形状)是一种挑战。
为了试图改善航空器的保密特性，已经表明非对称形状的天线罩是优选的，因为其改善了航空器的雷达回避能力。然而，非对称形状天线罩的出现对于构造这种复杂的三维形状结构提出了另外的挑战。提出的一种解决方案是使用自动铺带(automated tape laying)技术，由此将玻璃(或石英)预浸渍制品条铺设到凸的心轴(male mandrel)上。该铺带头必须具有很大的自由度，施加一致的压力，并且能够精确地并排铺设带。尽管这种机器是可获得的，但是其非常昂贵。
此外，天线罩可能需要沿离轴方向被强化。例如，某些天线罩应用优选在接近±45°方向上需要抗扭强度或刚度。此外，需要承压强度的其他应用使用沿0°和90°方向的强化，还使用了沿±45°方向的强化。由于通过现有的技术，经向和纬向纤维相互成直角，从而在最终结构上连续的纬向纤维沿环向(90°)方向而经向纤维则沿着轴向轮廓线(0°方向)延伸，因而使用现有的基本编织技术无法实现离轴强化。因此无法实现沿±45°方向的强化。
添加离轴强化有两种常规方法。一种方法为斜切二维布料。这些离轴叠层需要大量的手工并引入接缝，这种接缝无法保留0°/90°袜状预制品的管状完整性，且如前所述会负面影响天线罩的结构完整性和介电性能。然而，这些离轴叠层可以用于非常大的预制品。第二种方法是使用编织的袜状预制品。这种方法保持了预制品的管状本性，但是对预制品的尺寸存在限制。此外，该方法并不提供真正的环向(90°)强化。
因此，需要一种用于形成具有离轴强化的对称和非对称形状物件的节省成本的方法。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于给予编织物件离轴强化的装置。该装置包括固定心轴和转动心轴。该转动心轴相对于该固定心轴转动。编织物件的一部分可以被该固定心轴夹持，而该编织物件的第二部分可以被该转动心轴夹持。在转动时，该转动心轴致使该编织物件内的经向纤维扭转偏离(twist off)0°方向至期望角度，而纬向或环向纤维保持基本上平行于90°方向。
本发明的另一个方案提供了一种用于形成具有离轴强化的编织物件的方法。该方法包括以下步骤：使用基本上平行于0°方向排列的经向纤维和基本上平行于90°(环向)方向排列的纬向或环向纤维来交织预制品。一旦完成，通过相对于预制品的第二部分约束预制品的第一部分来扭转该预制品。该扭转使得经向纤维扭转偏离0°方向，而纬向或环向纤维保持基本上平行于90°方向。
本发明的另一个方案是使用多个经向和纬向纤维形成对称的编织物件，该编织物件随后被制成不对称形状的物件。
具体地，本发明提供一种形成具有离轴强化的多层编织物件的方法，所述方法包括以下步骤：使用近似平行于0°方向排列的经向纤维和近似平行于90°方向排列的纬向纤维来交织第一预制品；使用近似平行于0°方向排列的经向纤维和近似平行于90°方向排列的纬向纤维来交织一个或多个附加的预制品；通过相对于所述第一预制品的第二部分约束所述第一预制品的第一部分来沿反方向扭转所述第一预制品，其中所述扭转允许经向纤维沿反方向扭转偏离0°方向，而纬向纤维保持近似平行于90°方向；通过相对于所述一个或多个附加的预制品的第二部分约束所述一个或多个附加的预制品的第一部分来沿正方向扭转所述一个或多个附加的预制品，其中所述扭转允许经向纤维沿正方向扭转偏离0°方向，而纬向纤维保持近似平行于90°方向；以及将所述一个或多个附加的预制品与所述第一预制品层叠。
上述第一预制品和上述一个或多个附加的预制品可使用提花技术交织。上述第一预制品和上述一个或多个附加的预制品可以是无缝的。上述第一预制品和上述一个或多个附加的预制品可以是对称的。对称的上述第一预制品和上述一个或多个附加的预制品可被制成非对称预制品。
该方法还可包括将待扭转的上述第一预制品和上述一个或多个附加的预制品中的其中之一设置于转动夹具上的步骤。
上述转动夹具可包括固定心轴和转动心轴。
该方法还可包括相对于待扭转的上述第一预制品和上述一个或多个附加的预制品的其中之一的第二部分将待扭转的上述第一预制品和上述一个或多个附加的预制品的其中之一的第一部分约束到上述固定心轴上的步骤。
上述扭转步骤可通过转动上述转动心轴而执行。上述扭转步骤可致使上述经向纤维扭转偏离0°方向至与上述转动心轴的转动角度有关的角度。
上述纬向纤维可在上述扭转步骤之后保持近似平行于90°方向。
上述固定心轴可以为对称形状，也可以为非对称形状。上述转动范围可达到约45°。
具体地，本发明还一种多层编织物件，包括：具有多个经向纤维和多个纬向纤维的预制品的第一层，所述多个经向纤维沿反方向扭转偏离0°方向；所述多个纬向纤维排列成近似平行于90°方向，其中扭转偏离0°方向的所述多个经向纤维提供了所述编织物件的离轴强化；以及由一个或多个预制品构成的另一层，其具有沿正方向扭转偏离0°方向的多个经向纤维和排列成近似平行于90°方向的多个纬向纤维。其中，上述编织物件可以使用提花技术制成；另外，上述物件可以是无缝的；上述物件可以是对称的，也可以是不对称的。
上述物件可以为用于天线罩的预制品。上述物件的端部可以是敞开的，也可以是闭合的，另外，上述纤维可预浸渍有聚合树脂。
通过结合附图进行的对所示实施例的下述详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图中的相应元件使用相同的附图标记表示。
附图说明
为了更全面地理解本发明，参考以下描述及附图，在附图中：
图1为对称预制品的平面视图；
图2为根据本发明一个方案，在扭转之前置于转动夹具上的对称预制品的平面视图；
图3为扭转之后的图2的对称预制品的平面视图；
图4a为图2的转动夹具的平面视图；
图4b为图4a的转动夹具的俯视图；
图5为图4b的转动夹具沿线A-A的剖视图；
图6a为根据本发明一个方案的对称形状的预制品；
图6b为根据本发明另一个方案的非对称形状的预制品；
图7描述了用于获得如图6b所示的非对称形状的交叉圆；
图8示出了由图7的交叉圆形成的非对称形状；
图9示出了用于获得非对称形状的所得到的对称形状的周边；
图10为根据本发明一个实施例的对称形状预制品的平面视图；以及
图11为根据本发明一个实施例的非对称形状预制品的平面视图。
具体实施方式
根据本发明的一个方案，如图1所示，对称形状的袜状预制品10的端部可以是开放的或闭合的，该对称形状的袜状预制品10包括基本上平行于0°方向16的经向纤维12和基本上平行于90°或环向方向18的纬向或环向纤维14。如此处所使用的，环向或纬向纤维以及90°方向是指沿周向围绕预制品的纤维和方向，而经向纤维和0°方向则垂直于预制品的环向纤维。对称形状的预制品10可以使用常规的三维提花编织进行编织。经向和纬向纤维可以是用于编织预制品的任意纤维类型。此外，该纤维可以预浸渍有聚合树脂。
参考图2，对称形状的预制品10放置于固定心轴20上，其中经向纤维12的取向为基本上垂直于转动心轴22，且纬向或环向纤维14的取向为基本上平行于转动心轴22。图4a示出了用于获得离轴强化的特殊设计的夹具25。沿图4b中的线A-A贯穿夹具25的剖面示于图5。夹具25具有两个主要部分，即固定心轴24和转动心轴22。对称形状的预制品10夹持在固定心轴24的上部28和转动心轴22的下部30。
为了改善该预制品的结构刚性和强度，期望剪切或扭转经向纤维12以获得离轴强化。通过在转动夹具25(其形状为所需的最终物件的形状)上扭转该对称形状的预制品10来获得所需的剪切形状。在图3中，在转动心轴22转动之后，经向纤维12扭转偏离0°方向16，不再基本上垂直于转动心轴22的基底。然而，纬向或环向纤维14保持基本上平行于转动心轴22的基底或90°方向18。基本原理为剪切该0°/90°袜状预制品，使得轴向强化，0°或经向纤维12扭转成期望的离轴角度，而纬向或环向纤维14保持基本上沿着90°方向延伸。
在扭转时，由于经向纤维剪切偏离0°方向，预制品10的长度将缩短。为了补偿预制品10的缩短，转动心轴22的轴32在如图4b所示的、穿过固定心轴24中心的孔34内自由地上下移动。在设计和构造该对称的预制品10时可以计算和补偿对称形状的预制品10的缩短。
在使用密的编织方式的织物中，在预制品或袜状预制品开始弯曲(buckle)之前，可以获得角度达到约20°的离轴强化。为了获得更大角度的离轴强化，例如在大约45°的范围，可以采用使用更稀疏编织的织物，使用更稀疏编织的织物可以实现在弯曲之前进一步扭转该袜状预制品。
可以使用平衡构造技术形成使用这种类型预制品的复合结构。也就是说，各+θ°叠层对应于一个-θ°叠层。通过将已经沿第一方向或反方向扭转的袜状预制品与已经沿第二方向或正方向扭转的袜状预制品配对，可以实现这一点。扭转的袜状预制品也可以与未扭转的袜状预制品组合以提供具有0°/90°强化以及离轴强化的组合预制品。为了获得最终复合物件所需要的强化、厚度以及强度，这些袜状预制品可以按照任意组合或数目而组合。由此得到一种无缝预制品，由于其沿所有方向均强化，因此与没有离轴强化的无扭转预制品相比，这种无缝预制品具有改进的机械性能。随后，可以采用诸如树脂传递成型之类的公知制造技术将该预制品加工成复合结构。
三维提花编织技术提供了一种制作对称形状的袜状预制品的节省成本的方法。然而，也可以在不脱离本发明范围的情况下，使用本领域技术人员公知的其他技术。
图6a示出了对称形状的预制品36。图6b演示了对称形状的预制品36可以转变为非对称形状的预制品38。假设在不连续的纵向位置，对称形状的袜状预制品的环向或周向路径长度与非对称形状物件的环向或周向路径长度匹配，则可将对称形状预制品36制成为适应非对称形状的心轴。示范性地，图7演示了非对称形状的预制品46由两个相交的圆构件40构成，该非对称形状的预制品46也示于图8。图7和图9演示了相交的圆构件40的两个相交路径长度42和44之和等于作为对称预制品的圆构件50的周长48。
图10示出了对称形状的预制品或袜状预制品50，其修剪成设计为适应非对称形状心轴的形状。图11示出了在设置于非对称心轴上之后，对称形状的预制品或袜状预制品50将调整为该形状。然后，这种非对称预制品将被扭转以产生离轴强化。由此得到具有离轴强化52的非对称形状物件。随后，可以使用诸如树脂传递成型之类的公知制造技术将得到的预制品进一步加工成复合结构。
因此，已经示出了可以由袜状预制品构造具有离轴强化的对称形状和非对称形状的物件。
尽管这里已经详细描述了本发明的优选实施例及其改型，但是应该理解，本发明不严格限于该实施例及改型，在不脱离由所附权利要求书界定的本发明的构思和范围的情况下，本领域的技术人员可以进行其他改进和变化。

Claims (23)

1.一种形成具有离轴强化的多层编织物件的方法，所述方法包括以下步骤：
使用近似平行于0°方向排列的经向纤维和近似平行于90°方向排列的纬向纤维来交织第一预制品；
使用近似平行于0°方向排列的经向纤维和近似平行于90°方向排列的纬向纤维来交织一个或多个附加的预制品；
通过相对于所述第一预制品的第二部分约束所述第一预制品的第一部分来沿反方向扭转所述第一预制品，其中所述扭转允许经向纤维沿反方向扭转偏离0°方向，而纬向纤维保持近似平行于90°方向；
通过相对于所述一个或多个附加的预制品的第二部分约束所述一个或多个附加的预制品的第一部分来沿正方向扭转所述一个或多个附加的预制品，其中所述扭转允许经向纤维沿正方向扭转偏离0°方向，而纬向纤维保持近似平行于90°方向；以及
将所述一个或多个附加的预制品与所述第一预制品层叠。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一预制品和所述一个或多个附加的预制品使用提花技术交织。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一预制品和所述一个或多个附加的预制品是无缝的。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一预制品和所述一个或多个附加的预制品是对称的。
5.如权利要求4所述的方法，其中对称的所述第一预制品和所述一个或多个附加的预制品被制成非对称预制品。
6.如权利要求1所述的方法，其中该方法还包括将待扭转的所述第一预制品和所述一个或多个附加的预制品中的其中之一设置于转动夹具上的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述转动夹具包括固定心轴和转动心轴。
8.如权利要求7所述的方法，其中该方法还包括相对于待扭转的所述第一预制品和所述一个或多个附加的预制品的其中之一的第二部分将待扭转的所述第一预制品和所述一个或多个附加的预制品的其中之一的第一部分约束到所述固定心轴上的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述扭转步骤通过转动所述转动心轴而执行。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述扭转步骤致使所述经向纤维扭转偏离0°方向至与所述转动心轴的转动角度有关的角度。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述纬向纤维在所述扭转步骤之后保持近似平行于90°方向。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述固定心轴为对称形状。
13.如权利要求7所述的方法，其中所述固定心轴为非对称形状。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述转动范围达到45°。
15.一种多层编织物件，包括：
具有多个经向纤维和多个纬向纤维的预制品的第一层，所述多个经向纤维沿反方向扭转偏离0°方向；所述多个纬向纤维排列成近似平行于90°方向，其中扭转偏离0°方向的所述多个经向纤维提供了所述编织物件的离轴强化；以及
由一个或多个预制品构成的另一层，其具有沿正方向扭转偏离0°方向的多个经向纤维和排列成近似平行于90°方向的多个纬向纤维。
16.如权利要求15所述的编织物件，其中所述编织物件使用提花技术制成。
17.如权利要求15所述的编织物件，其中所述物件是无缝的。
18.如权利要求15所述的编织物件，其中所述物件是对称的。
19.如权利要求15所述的编织物件，其中所述物件是不对称的。
20.如权利要求15所述的编织物件，其中所述物件为用于天线罩的预制品。
21.如权利要求15所述的编织物件，其中所述物件的端部敞开。
22.如权利要求15所述的编织物件，其中所述物件的端部闭合。
23.如权利要求15所述的编织物件，其中所述纤维预浸渍有聚合树脂。
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