CN102051763B - 三维编织异形预制件的添纱编织方法 - Google Patents
三维编织异形预制件的添纱编织方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种三维编织异形预制件的添纱编织方法，根据预制件的横截面形状排列编织纱线，然后按照四步法方型三维编织工艺进行编织，其特征在于，编织过程中进行至少一次的移纱操作与添纱操作。本发明的优点是可实现异形预制件的净尺寸整体编织，避免了机械后加工带来的材料损伤和结构缺陷，稳定了复合材料的力学性能，减少了工序，有利于降低生产成本；添纱锭子整列或整行形式排列在编织纱线阵列内，操作方法简单，且添纱锭子的选取不受预制件截面尺寸的限制；应用范围广，对单纱、股线等多种形式的编织纱线均可适用。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维编织异形预制件的添纱编织方法，具体为一种横截面尺寸沿长度方向增加的三维编织异形预制件的添纱净尺寸制备方法。
背景技术
在现有的四步法方型三维编织工艺中，编织纱线在编织机底盘上的排列和数量由预制件的横截面形状与尺寸决定，一旦选定某一横截面作为起始编织截面，所需的纱线根数与排列即可由纱线细度、编织角、纤维体积分数等已知的材料参数和结构参数来确定，整个编织过程中纱线阵列的大小与形状不会发生改变，最终得到的是横截面外观尺寸与起始编织截面完全相同的规则等截面预制件。例如采用基本的四步法方型三维编织工艺，将纱线在编织机底盘上排列成矩形后，最终形成的是横截面沿预制件长度方向不发生改变的矩形梁。可见，常规的四步法方型三维编织工艺只能制备横截面外形尺寸沿长度方向不变的规则等截面预制件。
然而在实际工程应用中，绝大多数复合材料预制件并不是规则等截面结构件，而是横截面尺寸沿长度方向逐渐增加的异形结构件，如风力发电机叶片、雷达天线罩、飞机螺旋桨叶片等。目前制备这类异形复合材料预制件的主要方法是对相应的规则等截面预制件进行传统的机械后加工，以获得所需的外观尺寸，加工过程中，增强纤维受到严重损伤，预制件的结构整体性被破坏，复合材料的力学性能显著下降，同时也增加了工序，提高了生产成本。公开号为CN1614114A的专利“复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法”根据四步法圆型三维编织中纱锭的运动特点，将编织纱不断减少或减细来减小编织物的横截面积，实现了横截面积逐渐变化的三维编织预制件的净尺寸仿形减纱编织。但只有当编织纱由纤维束合股组成时，才可以采用降低纱线细度的方法缩减截面面积，且细度的微小改变在实际操作中不易实现，过细的纤维束编织时还容易起毛、断丝。公开号为CN1651627A的专利“变截面预成型制件的三维编织方法及其制件”以四步法三维多向编织工艺为基础，以预成型制件的一个端面为基准，根据截面尺寸变化和编织纱线运动规律，设计减纱点的数量并使减纱点在减纱截面内均匀分布，再根据纤维体积含量的要求确定减纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的移动、并股、再减细实现了变截面预成型制件的三维多向整体编织。但当预成型制件横截面积较小，编织纱线根数较少时，减纱点的均匀分布受到限制，尤其当同时减小预成型制件的截面宽度与厚度时，减纱点均匀分布的要求更加难以满足，且均匀分布的标准没有明确量化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有编织技术的不足，设计一种三维编织异形预制件的添纱编织方法，该方法可以实现横截面尺寸沿长度方向增加的三维编织异形预制件的净尺寸成型，无需后加工，降低了生产成本，可以有效保证增强纤维的连续性，提高预制件的结构整体性和异形截面区域的力学性能，同时对单纱、股线等各种形式的编织纱均可应用，且不受预制件截面面积的限制，适用范围广。
为了达到上述目的，本发明提供了一种三维编织异形预制件的添纱编织方法，根据预制件的横截面形状排列编织纱线，然后按照四步法方型三维编织工艺进行编织，其特征在于，编织过程中进行至少一次的移纱操作与添纱操作，以得到三维编织异形预制件。
优选地，在增加预制件的宽度时，进行至少一次的整列移纱操作与整列添纱操作，在增加预制件的厚度时，进行至少一次的整行移纱操作与整行添纱操作。
所述的整列移纱操作为：在编织纱线阵列的至少一侧选取相邻的m列锭子为添纱锭子，接着从位于编织纱线阵列最外侧的纱线开始，使位于添纱锭子外侧以及添纱锭子上的同一列中的纱线均沿行方向向外侧移动n列，直至添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止，其中，m和n均为大于等于2的正整数，且m=n。
所述的整列添纱操作为：将所需添加的编织纱线悬挂至整列移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上。
所述的整行移纱操作为：在编织纱线阵列的至少一侧选取相邻的m行锭子为添纱锭子，接着从位于编织纱线阵行最外侧的纱线开始，使位于添纱锭子外侧以及添纱锭子上的同一行中的纱线均沿列方向向外侧移动n行，直至添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止，其中，m和n均为大于等于2的正整数，且m=n。
所述的整行添纱操作为：将所需添加的编织纱线悬挂至整行移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上。
在选取添纱锭子时，以运动规律重复的最小锭子排列和数量为基本单位。
上述三维编织异形预制件的添纱编织方法，具体通过如下步骤实现的：
第一步，排列悬挂编织纱线：根据预制件的横截面形状，设计编织纱线在编织机底盘上的排列形式，并将纱线悬挂至编织机底盘上，其中主体纱线按照行和列的方式即矩形方式排列，每行或每列的纱线数目相同，边纱则间隔排列在主体纱线阵列的四周；
第二步，开始编织：四步法方型三维编织通过纱线沿行方向和列方向的交替运动完成编织，第1步使相邻行的编织纱线沿行方向交替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交替运动一个位置，第3步和第4步中纱线的运动方向则分别与第1步和第2步相反，经过上述四步运动，完成一个编织循环，重复上述的四个运动步骤，可以使预制件沿长度方向不断增长；
第三步，选取整列或整行的添纱锭子，进行整列或整行移纱操作是指增加预制件的横截面宽度时或厚度时，在编织纱线阵列内选取相邻的至少两整列或两整行添纱锭子，接着从位于编织纱线阵列最外侧的纱线开始，将其从原来的锭子上解下，使每列或每行的编织纱线沿行或列方向向外移动，再悬挂到处于移动后位置的锭子上，直至所有位于添纱锭子外侧的整列或整行纱线以及添纱锭子上的整列或整行纱线依次向外移动，添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止；
第四步，整列或整行添纱操作是指增加预制件的横截面宽度或厚度时，将所需添加的编织纱线悬挂至整列或整行移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上；
第五步，继续编织：依据第二步所述的纱线运动规律继续进行后续编织，到下一个横截面尺寸增加位置重复第三步到第四步，直至三维编织异形预制件的编织完成；
第六步，剪去添加的纱线中未交织的部分：整个三维编织异形预制件编织完成后，将添入的纱线中未参与交织的部分从预制件上剪去，从而实现三维编织异形预制件的制备。
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）可实现异形预制件的净尺寸整体编织，避免了机械后加工带来的材料损伤和结构缺陷，稳定了复合材料的力学性能，减少了工序，有利于降低生产成本；
（2）添纱锭子整列或整行形式排列在编织纱线阵列内，操作方法简单，且添纱锭子的选取不受预制件截面尺寸的限制；
（3）应用范围广，对单纱、股线等多种形式的编织纱线均可适用。
附图说明
图1为整列添纱时，添纱锭子的选取示意图；
图2为整行添纱时，添纱锭子的选取示意图；
图3为宽度增加的变截面矩形梁的立体示意图；
图4为筋板厚度增加的T形梁的立体示意图；
图5为截面宽度与厚度同时增加的锥台的立体示意图。
具体实施方式
如图1所示，为整列添纱时，添纱锭子的选取示意图，图中以运动规律重复的最小锭子排列和数量为基本单位，左右对称地选取相邻至少两整列添纱锭子1，整列添纱后，可以增加横截面的宽度。
如图2所示，为整行添纱时，添纱锭子的选取示意图，图中以运动规律重复的最小锭子排列和数量为基本单位，上下对称地选取相邻至少两整行添纱锭子1，整行添纱后，可以增加横截面的厚度。
下面以具体的预制件为例，来阐述本发明。
实施例1
如图3所示，为宽度增加的变截面矩形梁的立体示意图，采用T300-12k碳纤维编织该变截面矩形梁预制件，第一步，根据预制件的横截面形状，设计编织纱线在编织机底盘上的排列形式，将192根纱线以16行，12列的方式在编织机底盘上排列成矩形，将28根边纱间隔排列在矩形阵列的四周；第二步，按照四步法方型三维编织工艺开始编织，第1步使相邻行的编织纱线沿行方向交替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交替运动一个位置，第3步和第4步中纱线的运动方向则分别与第1步和第2步相反，经过上述四步运动，完成一个编织循环，重复上述的四个运动步骤，可以使预制件沿长度方向不断增长；第三步，增加矩形梁的横截面宽度时，在编织纱线阵列内选取相邻的两整列添纱锭子，接着从位于编织纱线阵列最外侧的纱线开始，使每列的纱线均沿行方向向外移动两列，直至所有位于添纱锭子外侧的整列纱线以及添纱锭子上的整列纱线依次向外移动，添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止；第四步，增加矩形梁的横截面宽度时，将所需添加的编织纱线悬挂至整列移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上；第五步，依据四步法方型三维编织工艺中纱线的运动规律继续进行后续编织；至第二次横截面宽度增加位置时重复第三步到第四步，至第三次横截面宽度增加位置时再次重复第三步到第四步；第六步，整个变截面矩形梁编织完成后，将添入的纱线中未参与交织的部分从预制件上剪去，从而实现该宽度增加的变截面矩形梁的制备。
实施例2
如图4所示，为筋板厚度增加的T形梁的立体示意图，采用T300-12k碳纤维编织该T形梁预制件，第一步，根据预制件的横截面形状，设计编织纱线在编织机底盘上的排列形式，将670根纱线在编织机底盘上排列成T形，其中翼板中包含335根纱线，筋板中包含335根纱线；第二步，按照四步法方型三维编织工艺开始编织，第1步使相邻行的编织纱线沿行方向交替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交替运动一个位置，第3步和第4步中纱线的运动方向则分别与第1步和第2步相反，经过上述四步运动，完成一个编织循环，重复上述的四个运动步骤，可以使预制件沿长度方向不断增长；第三步，增加T形梁的筋板厚度时，在编织纱线阵列内选择相邻两整行添纱锭子，接着从位于筋板编织阵列最外侧的纱线开始，使每行的纱线沿列方向向外移动两行，直至所有位于添纱锭子外侧的整行纱线以及添纱锭子上的整行纱线依次向外移动，添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止；第四步，增加T形梁的筋板厚度时，将所需添加的编织纱线悬挂至整行移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上；第五步，依据四步法方型三维编织工艺中纱线的运动规律继续进行后续编织；至第二次T形梁筋板厚度增加位置时重复第三步到第四步，至第三次T形梁筋板厚度增加位置时再次重复第三步到第四步；第六步，整个T形梁编织完成后，将添入的纱线中未参与交织的部分从预制件上剪去，从而实现该筋板厚度增加的T形梁的制备。
实施例3
如图5所示，为截面宽度与厚度同时增加的锥台的立体示意图，采用T300-12k碳纤维编织该锥台预制件，第一步，根据预制件的横截面形状，设计编织纱线在编织机底盘上的排列形式，将144根纱线以12行，12列的方式在编织机底盘上排列成方形，将24根边纱间隔排列在方形阵列的四周；第二步，按照四步法方型三维编织工艺开始编织，第1步使相邻行的编织纱线沿行方向交替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交替运动一个位置，第3步和第4步中纱线的运动方向则分别与第1步和第2步相反，经过上述四步运动，完成一个编织循环，重复上述的四个运动步骤，可以使预制件沿长度方向不断增长；第三步，增加锥台的横截面宽度时，在编织纱线阵列内左右对称地选取相邻两整列添纱锭子，接着从位于编织纱线阵列最外侧的纱线开始，使每列的纱线沿行方向向外移动两列，直至所有位于添纱锭子外侧的整列纱线以及添纱锭子上的整列纱线依次向外移动，添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止，增加锥台的横截面厚度时，在编织纱线阵列内上下对称地选取相邻两整行添纱锭子，接着从位于编织纱线阵列最外侧的纱线开始，使每行的纱线沿列方向向外移动两行，直至所有位于添纱锭子外侧的整行纱线以及添纱锭子上的整行纱线依次向外移动，添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止；第四步，增加锥台的横截面宽度时，将所需添加的编织纱线悬挂至整列移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上，增加锥台的横截面厚度时，将所需添加的编织纱线悬挂至整行移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上；第五步，依据四步法方型三维编织工艺中纱线的运动规律继续进行后续编织；至第二次锥台的宽度与厚度增加位置时重复第三步到第四步，至第三次锥台的宽度与厚度增加位置时再次重复第三步到第四步；至第四次锥台的宽度与厚度增加位置时又一次重复第三步到第四步；第六步，整个锥台编织完成后，将添入的纱线中未参与交织的部分从预制件上剪去，从而实现该截面宽度与厚度同时增加的锥台的制备。
Claims (6)
1.一种三维编织异形预制件的添纱编织方法，根据预制件的横截面形状排列编织纱线，然后按照四步法方型三维编织工艺进行编织，其特征在于，编织过程中进行至少一次的移纱操作与添纱操作；在增加预制件的宽度时，进行至少一次的整列移纱操作与整列添纱操作；所述的整列移纱操作为：在编织纱线阵列的至少一侧选取相邻的m列锭子为添纱锭子，接着从位于编织纱线阵列最外侧的纱线开始，使位于添纱锭子外侧以及添纱锭子上的同一列中的纱线均向外侧移动n列，直至添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止，其中，m和n均为大于等于2的正整数，且m=n。
2.如权利要求1所述的三维编织异形预制件的添纱编织方法，其特征在于，所述的整列添纱操作为：将所需添加的编织纱线悬挂至整列移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上。
3.如权利要求1所述的三维编织异形预制件的添纱编织方法，其特征在于，在增加预制件的厚度时，进行至少一次的整行移纱操作与整行添纱操作。
4.如权利要求3所述的三维编织异形预制件的添纱编织方法，其特征在于，所述的整行移纱操作为：在编织纱线阵列的至少一侧选取相邻的m行锭子为添纱锭子，接着从位于编织纱线阵行最外侧的纱线开始，使位于添纱锭子外侧以及添纱锭子上的同一行中的纱线均向外侧移动n行，直至添纱锭子上不再悬挂编织纱线为止，其中，m和n均为大于等于2的正整数，且m=n。
5.如权利要求3所述的三维编织异形预制件的添纱编织方法，其特征在于，所述的整行添纱操作为：将所需添加的编织纱线悬挂至整行移纱操作后尚无编织纱线的添纱锭子上。
6.如权利要求1所述的三维编织异形预制件的添纱编织方法，其特征在于，在编织过程结束后，剪去添纱操作所添加的纱线中未交织的部分。
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