CN101084335B - 附合编织物 - Google Patents

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Abstract

一种管状结构(32)，其包括：多个轴向部分，彼此成圆形关系；以及多个偏置部分，将所述多个轴向部分互连以形成所述管状结构。所述管状结构的所述轴向部分的直径大于所述管状结构的所述偏置部分的直径。

Description

附合编织物
技术领域
本发明一般而言涉及编织结构(braid structure)，更具体而言涉及以轴向部分(axial sites)和偏置部分(bias sites)为特征的附合编织结构(conformable braided structure)，其中所述轴向部分的直径大于所述偏置部分的直径。所述附合编织结构数学上设计成满足一结构内待填充的目标间隙区域的周长和面积要求。
背景技术
树脂传递成型(resin transfer molding)已经出现几十年，且其应用在近年来显著增长。该工艺允许经济地制造高质量的复合物。术语“复合物”已主要用于定义一类材料，其中例如(热固性和热塑性的)塑料、金属或陶瓷的基质材料(matrix material)通过强化预成型(preform)形式的纤维而得到增强。复合物是有利的，这是因为最终结构呈现的性能为组成材料(即，纤维增强材料和基质材料)的结合性能。
依据该工艺，树脂系统在低粘度和低压力下被传递到包含预成型干纤维的闭模内。所述干纤维可具有连续原丝毡(strand mat)、单向、纺织或针织预成型的形式，所述干纤维置于闭模内且树脂在外部压力或真空下被引入至该模具中。树脂在其自身放热(exotherm)的作用下固化，或者可对所述模具施加热量以完成所述固化工艺。
该树脂传递成型工艺可以用于低成本地生产形状复杂的复合部件。这些部件通常具有连续纤维增强材料以及内部型线(mold line)和外部型线的受控表面。正是在大结构内布置连续纤维增强材料，将树脂传递成型与其他液态成型工艺区分开。
过去，树脂传递成型用于适于消费品市场的场合。然而在最近几年，通过对高强度树脂系统和更先进泵浦(pumping)系统的开发，树脂传递成型已经发展到新的水平。这些新近的发展已经促使树脂传递成型技术作为实用制造选择，以用于高强度复合物设计特别是用于宇航工业。
在宇航工业中，树脂传递成型工艺最明显的优点在于树脂传递成型将多个零部件(detailed components)结合成一个构型(configuration)的能力。例如，许多传统设计包括被结合成为子构件的许多单个的零部件。这些子构件通常需要劳力密集的填隙、结合、机械紧固和密封。因此，这些子构件由于容差累积而呈现出高的部件之间变异(part-to-part variation)。
树脂传递成型制造出平滑表面。作为模具的产品使得在模具内制造的部件的表面质量与工具表面的表面质量相当。树脂传递成型还提供了对完成的产品内的纤维/树脂比例的控制。这个优点制造了轻质高强度的部件。
然而，当具有圆边缘的多个零部件被结合时，所述边缘的凹陷导致在这些部件结合在一起的位置处形成间隙。考虑图1A和图1B所示的几何，该几何为在复合材料铺叠(lay-up)的构造过程中经常需要采用“半径间隙填充物”材料填充的典型横截面类型。使用纤维填充该体积的一种方法为导入(lay-in)纤维的单个端头(individual ends)。然而，这种方法费时且效率低。填充该体积的备选方法是采用编织的“间隙填充物”部件(component)，该编织的“间隙填充物”部件将纤维的多个端头以一单个件(single piece)的方式保持在一起。这种备选方法的缺点为该间隙填充物通常是刚性的且不容易附合(conformable)到变化的横截面上。生产针对特定几何的材料的、特定的编织机是可获得的，但是因此该几何仅适用于单一用途。一般管状编织物可稍微附合于变化的形状，但是编织工艺的几何限制使得难以获得例如图1A和图1B那样的针对凹入或复杂形状的正确纤维体积和正确周长。
例如，再次考虑图1A所示的几何，其中待填充的凹入间隙或区域8的侧向长度由附图标记10和12表示，待填充的凹入间隙或区域8的半径由附图标记14表示。在该示例中，假设凹入间隙8的侧向长度10和12分别为0.500英寸。此外，假设凹入间隙的半径14约为0.500英寸。为了起到可附合于间隙形状的可接受间隙填充物的作用，编织物必须具有与图1A中的凹入间隙8大致相同的横截面积(0.054平方英寸)和周长(1.785英寸)。图2A和图2B示出了当试图生产圆形或五月柱(maypole)编织物以满足图1A的面积和周长判据时可能出现的两种极端情形。在一个情形中，如图2A所示，其中编织物的半径16为0.284英寸、周长固定在1.785英寸，但实心编织物的面积(0.253平方英寸)太大。在另一个情形中，如图2B所示，其中编织物的半径16为0.131英寸、面积固定在0.054平方英寸，但实心编织物的周长(0.283英寸)太小。
在一些情形中，通过使用心轴(mandrel)可以避免采用常规五月柱所带来的上述窘境。实际上，编织物具有可附合于各种横截面的心轴上的性能。然而，这种性能受限于所述心轴必须无凹入几何。因此，人们通常必须尝试围绕目标周长的凸出几何进行编织，在编织之后将该周长变形成期望的凹入形状。然而，在变形之前由初始凸出编织物限定的面积将总是大于凹入几何的目标面积。这如图3所示，通过圆形横截面的编织护套围绕尺寸过小的核芯18，从而具有理想的周长但是也具有大的内部空区域24。与其中纤维面积太大的图2A中的实心编织物相反，图3的编织物示出了尺寸恰好满足面积要求的实心纤维核芯22。因为该核芯将完全“脱离”所述护套，所以任何采用单向(unidirectional)纤维填充实心纤维核芯22和编织护套20之间的空区域24的企图将是徒劳的。
美国专利No.6,231,941公开了填充如图1A和图1B所示的凹入区域的半径或间隙填充物。如所公开的，编织护套围绕多个单向丝束(tow)(未绞捻的单丝(filaments))。所述单向丝束的核芯可具有一致的横截面，或横截面沿其长度方向变化以附合特别的间隙。所述半径填充物形成于心轴上，该心轴包括形状与图1A或图1B所示形状大体相同的仿形表面。围绕着所述单向丝束编织出编织护套，且随后使用增粘剂(tackifier)浸泡所述编织护套。随后，其内具有所述单向丝束的所述编织护套被置于所述心轴表面上，且真空装袋到囊袋(bladder)中。随后将袋装半径填充物置于高压釜内并加热，同时对所述囊袋施加真空。所述袋装半径填充物被加热直至获得所述编织护套上的增粘剂或所述编织护套上的增粘剂半硬化。由于所述增粘剂仅仅半硬化，所以所述增粘剂作为粘结剂以保持所述编织护套的固结(consolidation)和构型，直到执行将待填充的部件的最后传递成型。然而，这个工艺需要特别设计的心轴以构造所需要的特定间隙填充物，这种工艺是耗时、费力且昂贵的工艺。
因此，需要这样一种编织的间隙填充物，其设计成可附合横截面变化的间隙，其可以使用常规编织技术来构造。
发明内容
本发明的目的是提供一种可附合凹入间隙或复杂形状的管状结构。
本发明涉及一种附合编织管状结构，所述管状结构包括：多个轴向部分，彼此成圆形关系；以及多个偏置部分，将所述多个轴向部分互连以形成所述管状结构。所述管状结构的所述轴向部分的直径大于所述管状结构的所述偏置部分的直径，并且其中所述多个偏置部分将所述多个轴向部分松散地互连在一起以形成所述管状结构，从而使得所述轴向部分适于相互半自由地翻转。
本发明的另一方面涉及一种构造附合编织物的方法。所述方法包括：计算编织结构中待填充的间隙的周长和面积；接着，基于该间隙的周长和面积，计算编织机上锭的数目以及圆形轴向部分的直径。一旦完成所述计算，通过形成该编织物的护套的多个所述轴向部分来制造该附合编织物。由于所获得的该编织物的护套是基于待填充的间隙的周长和面积要求而设计的，因此在附合时，该间隙被该编织物填充，并且其中多个偏置部分将所述多个轴向部分松散地互连在一起以形成所述附合编织物，从而使得所述轴向部分适于相互半自由地翻转，并且其中所述轴向部分的直径大于所述偏置部分的直径。
本发明的又一个方面涉及一种增强编织结构的方法。该方法包括提供一种管状结构，该管状结构包括：多个轴向部分，彼此成圆形关系；以及多个偏置部分，将所述多个轴向部分互连以形成该管状结构。该管状结构的所述轴向部分的直径大于该结构的所述偏置部分的直径，并且其中所述多个偏置部分将所述多个轴向部分松散地互连在一起以形成所述管状结构，从而使得所述轴向部分适于相互半自由地翻转。一旦提供该管状结构，该管状结构便被插入并附合到待增强的编织结构的至少一个表面上。之后，利用树脂材料浸渍该编织结构和该管状结构的结合体。
表征本发明的各种新的特征在形成本公开一部分的所附权利要求中被具体地指出。为了更好理解本发明、其操作优点和使用本发明获得的具体目的，参考了其中在附图中描述了本发明优选实施例的所附说明，在附图中相应部件采用相同附图标记表示。
附图说明
下述详细描述是示例性的而不是将本发明限制于此，结合附图可以最佳地理解下述详细描述，其中附图中的相同附图标记表示相同的元件或部件，在附图中：
图1A示出将被纤维填充的凹入间隙；
图1B示出当多个弯曲结构结合时形成的待被纤维填充的复杂间隙；
图2A示出周长与图1A中待被填充的间隙的周长相等的已知实心圆形编织物；
图2B示出面积与图1A中待被填充的间隙的面积相等的已知实心圆形编织；
图3示出具有尺寸过小实心核芯的编织护套(shealth)，其同时满足图1A中待被填充的间隙的面积和周长要求；
图4示出具有尺寸过大的轴向部分的本发明一个方面；
图5示出根据本发明一个实施例的附合编织物；
图6示出根据现有技术的标准三轴设计；
图7示出根据本发明一个实施例在翻转过程中相邻的未编织轴部分或丝束；以及
图8示出根据本发明一个实施例在翻转过程中相邻的编织轴部分或丝束。
具体实施方式
如先前参考图2A和图2B所描述和示出的，难以且几乎不可能设计出一种常规编织管状结构，以同时满足图1A和图1B所示的凹入间隙或复杂形状的面积和周长要求。以前，为了同时满足复杂间隙的面积和周长要求，如图3所示构造包含编织护套20的结构18，其中编织护套20围绕尺寸过小的实心纤维核芯22。为了满足图1A的面积和周长要求，编织护套20的半径26为0.284英寸，纤维核芯22的半径28为0.093英寸。实心纤维核芯22的面积满足图1A的面积要求且编织护套20的周长满足图1A的周长要求。然而，如图3所示，在实心纤维核芯22和编织护套20之间形成空区域24。因为实心纤维核芯22将完全“脱离”编织护套20，所以任何填充空区域24的企图将是徒劳的。这将导致成品复合物结构的分层。
因此，本发明涉及一种管状结构32，其包括如图4所示的、大的、未编织的、圆形的轴向丝束或部分(sites)30。轴向丝束30由供图3的实心纤维核芯22使用的核芯材料制成。通过将纤维核芯材料22移动到如图4所示的编织物的轴向部分30，现在附合编织物32包括无核芯的护套(sheath)34。所述轴向部分或丝束30的纤维面积单独地满足图1A所示的待填充间隙的整个面积要求。此外，这些轴向部分30的直径已控制成可以精确地预计所述编织物的周长。编织物32的半径36为0.284英寸。如图3所证实的，图4所示的附合编织物32的轴向纤维的面积和周长符合由图1A定义的目标。因此，该附合编织物可以用于填充目标间隙或复杂形状、并增强一结构。
对于具有圆形横截面的轴向丝束的简化情形，待填充的间隙或复杂形状的面积和周长的数学关系如下所示：
(1)A＝(n/2)(πd2/4)
(2)P＝(n/2)d
其中，A为间隙填充物的期望面积
P为间隙填充物的期望周长
n为编织机上锭(carrier)(穿过编织的编织物、承载纱线(yarn)组或单股纱线的编织机器的部件)的数目
n/2为编织机上轴向部分的数目
(注意，标准编织机包括用于每两个锭的一个轴向部分)
d为轴向丝束的直径
对于给定面积和周长，式(1)和(2)定义了所需的编织机和轴向丝束的尺寸。
采用一个示例，如果将图1A所示的要求代入上面的式(1)和(2)，则“n/2”和“d”的值分别计算为46.3英寸和0.0385英寸。由于编织机以预估尺寸(discreet size)出现，故将“n/2”的值设置为48，这对应于96锭编织机(通常尺寸)。现在，利用上面的式(2)以及等于48的“n/2”，重新计算“d”31为0.037英寸。图5示出了由本示例定义的96锭附合编织物32的轴向横截面。轴向丝束30的尺寸证明是表示利用市售12K碳的单个端头将会获得什么。
图6描述使用相同尺寸的编织机和标准三轴构造的现有技术设计。为了简化起见，仅示出了轴向丝束横截面30。为了给必须穿过图6的所述轴向部分或丝束30上方和下方或周围的类似尺寸的偏置纤维留出空间，如图所示，所述轴向丝束30之间必须存在间隔38。随后，为了使编织物的周长接近目标值，图6所示的所述轴向丝束30的尺寸必须小于图5所示的尺寸。因此，已证实与附合编织物等同的标准编织物并未满足判据：即大部分纤维沿轴向方向被增重(weighted)。图6描述实心纤维22的横截面，这在编织核芯内将依然被要求以满足图1A面积要求。结合图3可以看出，该横截面内的空体积24明显大于该核芯的尺寸，使得该核芯和该护套不可能像具有附合编织结构的情形那样以单个部件起作用。这既表现出可操纵性的问题，也表现出在复合物中核芯与护套之间发生分层的可能性问题。
利用传统三轴编织物可形成与图3的结构相类似的结构。然而，附合编织物概念的独特性在于，几乎所有所需的纤维体积为轴向丝束或纤维的形式。因此，将附合编织物保持在一起的偏置纤维在横截面上相对于轴向纤维是非常小的。偏置纤维在这种情况下的作用为松散地将轴向丝束保持在一起，使得所述附合编织物仍然具有成为易操纵的单件的优点，而同时具有高百分比的轴向纤维，所述轴向纤维具有相互半自由地翻转的能力，由此实现了针对最终间隙或复杂形状横截面的良好附合性(conformability)。因此，在本发明一个实施例中，偏置纤维不是用于将强力(strength)传递到附合编织物上，而是仅仅将轴向纤维保持在一起，直到该编织物被插入到目标间隙或复杂形状中、且随后利用树脂浸渍该结构。
在本发明又一实施例中，在附合编织物本身的轴向部分30内使用编织丝束。以图4所示的两个相邻丝束40为例。三轴编织物传统上结合有单端头或多端头纤维。如图7所示，这些端部趋于呈现椭圆形横截面，且这些横截面的形状难以预计和控制。通过利用如图8所示的附合编织物的轴向部分内的实心编织物，可以确信所述轴向丝束的横截面形状为圆形。于是式(1)和(2)变得更加精确，因此针对给定周长和面积的结合而设计附合编织物的能力变得更加可靠。此外，如图7和图8所示，附合编织物的一个关键性能为当附合到给定几何时所述轴向部分相互翻转的能力。与图7所示的未编织轴向丝束的椭圆形几何相比，图8所示的编织轴向丝束的圆形几何可以更好地有助于这种效果，这是因为在未编织丝束相互翻转时未编织丝束的椭圆形几何将导致更大的摩擦力。通过所述轴向部分为编织形式，单丝(filament)之间的摩擦力应该被最小化，这是因为对于图8所示的编织构型而言轴向部分的表面积与质量之比要小得多。
在所述轴向部分内采用编织物的构思适用于其他与编织物类似地具有非常刚性的圆形横截面的材料。其最显然的备选可以是拉挤(pultruded)杆。
因此，已经示出了使纤维核芯材料移动到所述轴向部分的附合编织物可以设计为：满足在引入基质材料之前需被填充的凹入或复杂间隙的面积和周长要求。
尽管已经在此详细描述了本发明的优选实施例及其改型，但是应该理解的是，本发明不限于这些具体的实施例和改型，且本领域技术人员在不脱离由所附权利要求定义的本发明构思和范围的情况下可以进行其他改变和变型。

Claims (9)

1.一种附合编织管状结构，包括：
多个轴向部分，彼此成圆形关系；以及
多个偏置部分，将所述多个轴向部分互连以形成所述管状结构；
其中所述轴向部分的直径大于所述偏置部分的直径，并且其中所述多个偏置部分将所述多个轴向部分松散地互连在一起以形成所述管状结构，从而使得所述轴向部分适于相互半自由地翻转。
2.如权利要求1所述的管状结构，其中所述轴向部分为未编织丝束。
3.如权利要求1所述的管状结构，其中所述轴向部分为编织丝束。
4.如权利要求1所述的管状结构，其中所述轴向部分为拉挤杆。
5.一种构造附合编织物的方法，包括以下步骤：
计算编织结构中的待填充的间隙或复杂形状的周长；
计算所述待填充的间隙或复杂形状的面积；
基于所述待填充的间隙或复杂形状的所述计算出的周长和面积，计算编织机上锭的数目；
基于所述待填充的间隙或复杂形状的所述计算出的周长和面积，计算圆形轴向部分的直径；以及
利用多个所述圆形轴向部分制作所述附合编织物，其中所述轴向部分形成所述附合编织物的护套，当所述附合编织物附合于所述编织结构中的所述间隙或所述复杂形状时，所述护套满足所述待填充的间隙或复杂形状的所述周长和所述面积要求，
其中多个偏置部分将所述多个轴向部分松散地互连在一起以形成所述附合编织物，从而使得所述轴向部分适于相互半自由地翻转，并且其中所述轴向部分的直径大于所述偏置部分的直径。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述轴向部分为未编织丝束。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述轴向部分为编织丝束。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述轴向部分为拉挤杆。
9.一种增强编织结构的方法，包括以下步骤：
提供一管状结构，所述管状结构包括：多个轴向部分，彼此成圆形关系；以及多个偏置部分，将所述多个轴向部分互连以形成所述管状结构，其中所述轴向部分的直径大于所述偏置部分的直径，并且其中所述多个偏置部分将所述多个轴向部分松散地互连在一起以形成所述管状结构，从而使得所述轴向部分适于相互半自由地翻转；
将所述管状结构插入并附合到所述编织结构的至少一个表面上；以及
采用树脂材料浸渍所述编织结构和所述管状结构的结合体。
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