CN102223998B - 派形预型件 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种用于经加强复合材料的织造预型件(200)，这种织造预型件可以平织然后折叠成形。该预型件具有三维织纹结构，用纬向纤维(214)进行织造，从而提供经向纤维(216)层的层与层互锁、以及各层内的纤维互锁。一个或多个腿(225，235)自基底(220)伸出，基底(220)和腿(225，235)各自具有至少两层经向纤维(216)。腿在经向和/或纬向沿正弦波移动，并且腿可以互相平行或成一定角度。基底和/或腿的外端优选具有楔形，通过以阶状图案终止经向纤维的层而形成楔形。

Description

派形预型件
发明背景
技术领域
本发明总体涉及织造预型件，特别涉及在加强复合材料中使用的织造预型件，这种织造预型件可以平织然后折叠成其最终形状。
参考引用
文中针对产品所提及的所有专利、专利申请、文档、引文、厂家使用说明、说明书、产品技术规格、以及产品图表，在此以引用的方式并入本文，并且可以在本发明的实践中采用。
现有技术
当前，广泛使用加强复合材料来生产结构组件，特别在期望结构组件具有重量轻、牢固、坚韧、耐热、自支撑并且适于形成及成形这些特性的应用中。这些组件用在例如航空、航天、卫星、娱乐(如赛艇、赛车中)以及其他应用中。
通常这种组件由嵌置在基质材料中的加强材料组成。加强组件可以由诸如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯和/或其他材料制成，这些材料表现出期望的物理性能、热性能、化学性能和/或其他性能，其中首要性能是高强度，以抵抗应力失效(stress failure)。通过使用这种加强材料(其最终成为成品组件的构成部件)，将加强材料的期望特性如极高的强度，赋予成品复合组件。通常可以将组分加强材料机织、针织成期望结构和形状，或者使其取向成期望结构和形状，用于加强预型件。通常会特别注意保证所选组分加强材料的性能能够得到最佳利用。通常将这种加强预型件与基质材料结合，从而，形成期望的成品组件，或者制成备料用于最终制成成品组件。
在构造出期望的加强预型件之后，可以将预型件浸渍在基质材料中，从而，典型地，使加强预型件埋在基质材料中，以及，基质材料充满加强预型件构成部件之间的空隙区域。基质材料可以是广泛多样材料中的任意材料，诸如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或其他材料，这些材料也表现出期望的物理性能、热性能、化学性能和/或其他性能。选择用作基质的材料与加强预型件的材料可以相同也可以不同，并且，可以具有或者不具有相当的物理性能、化学性能、热性能或其他性能。然而，通常，用作基质的材料与加强预型件的材料不是相同的材料，或者不具有相当的物理性能、化学性能、热性能或其他性能，这是因为在使用复合材料时通常首要目的是在成品中获得性能的组合，而这种性能组合无法通过单独使用一种组分材料获得。这样组合后，然后，可以通过热固或其他已知方法，使加强预型件和基质材料在相同操作中固化和稳定化，然后进行生产期望组件的其他操作。在这一点上应当注意到，在这样固化之后，基质材料中的硬化团块通常非常牢固地粘附于加强材料(例如，加强预型件)。结果，特别地，经由成品组件中位于纤维之间作为粘合剂的基质材料，成品组件上的应力可以有效地传递至加强预型件的组分材料，并由其承受。
通常，期望生产出的组件结构不是简单几何形状，诸如原有的板状、片状、长方体或者立方体等简单几何形状。做到这一点的一种方法是，将这些基本几何形状组合成期望的更复杂的形式。通过将如上述方式制成的加强预型件相对彼此以一定角度(通常为直角)结合，形成一种这样的典型组合。经结合加强预型件的这种角形布置的通常目的是产生期望形状，以形成包括一个或多个端壁或者例如“T”形交叉的加强预型件，或者，以加固所得到的加强预型件与复合结构的组合，在暴露于外力诸如压力或张力时，这种加固能够抵抗此时产生的偏斜或失效。在任何情况下，相似的考虑是使构成组件之间的各接合处尽可能牢固。加强预型件组分本身具有期望的极高强度时，接合处的薄弱实际上成为结构“链”中的“薄弱环节”。
美国专利No.6,103,337中提出了交叉构造的示例，其披露内容在此以引用方式并入本文。该篇引文提出了将两个加强板结合到一起成为T形的有效措施。
为了形成这种接合，过去已经提出了多种其他建议方式。有的建议彼此独立地形成并硬化板件和角形加劲件(angled stiffeningelement)，角形加劲件具有单个的板接触面，或者在其一端分为两部分以形成两个分叉且共面的板接触面。然后，使用热固性粘合剂或其他粘合剂材料，通过粘附方式粘接，使加劲件的一个或多个板接触面与其他组件的接触面相结合，从而将两个部件连接起来。然而，当张力施加于复合结构的硬化板或表皮时，由于连接的有效强度是基质材料的有效强度而非粘合剂的有效强度，很低的负荷就会导致“剥离”力，此“剥离”力使加劲件与板件在其界面处分离。
在这些组件的界面处无法使用金属螺钉或铆钉，因为这种附加物至少局部破坏并弱化了复合结构体自身的完整性，增加了重量，并且带来这些部件与周围材料之间的热膨胀系数差异。
解决这一问题的其他方法基于引入高强度纤维穿过结合区域的概念，通过使用诸如将一种组件缝合到另一种组件上并且依赖于缝合线的方法，来引入这种加强纤维使其进入并且穿过接合部位。美国专利No.4,331,495以及其分案美国专利No.4,256,790示出了这样一种方法。这些专利披露的接合点位于由粘合方式粘合的纤维层所制成的第一复合板与第二复合板之间。按现有技术方式，使第一板在一端分叉，从而形成两个分叉且共面的板接触面，用未固化的挠性复合线穿过两板进行缝合，使第一板的板接触面与第二板相结合。然后，使板和线“共固化”，也就是，同时固化。美国专利No.5,429,853中提出了改进结合强度的另一方法。
尽管现有技术努力改进加强复合材料的结构整体性并取得了成功，特别是在美国专利No.6,103,337中，然而，仍然希望对其进行改进，或者，通过使用粘合剂或机械联接之外的其他方法来解决该问题。考虑到这一点，一种方法是可以通过专用机器生产织造三维(“3D”)结构体。然而，所涉及的花费相当可观，而且，需要针对生产单一结构体提供织机，这也很难接受。不考虑这一事实的话，可以加工成纤维加强复合组件的3D预型件仍是可取的，因为相对于常规的二维层合复合材料，3D预型件提供了增强的强度。在要求复合材料承载面外负荷的应用中，这些预型件尤其有用。然而，以上所讨论的现有技术预型件，其承受高面外负荷的能力、在自动织机加工中织造的能力、以及改变预型件各部分厚度的能力有限。
另一方法是织造二维(“2D”)结构体并将其折叠成3D形状。然而，这通常导致折叠预型件时的部分扭曲。因为织造纤维的长度与折叠预型件时纤维应有长度不同，出现此扭曲。在织造纤维长度过短的区域中这会导致浅凹和波纹，而在纤维长度过长的区域中则导致起皱。美国专利No.6,874,543中披露了一种3D预型件织纹结构的示例，在预型件的折叠区域中这种织纹结构会引起波纹或线圈，该专利的全部内容在此以引用的方式并入本文。在常规有梭织机上可以织造具有特定结构形状诸如“T”形、“工字”形、“H”形或“派(Pi，π)”形截面的纤维预型件，以及，几件现有专利描述了织造这种结构体的方法(例如，美国专利No.6,446,675和美国专利No.6,712,099)。然而，在所有现有技术中，预型件都构造成，使得截面在经向纤维和纬向纤维的方向上是相同的，也就是，在预型件宽度方向和长度方向，凸缘与竖立腿之间的交叉点总是处在相同位置处。
发明内容
在要求更复杂形状的应用中，会需要相应的方法和系统，来制造在经向纤维和/或纬向纤维的方向具有不同横截面的预型件。有些应用会要求预型件中的凸缘或腿在经向纤维和/或纬向纤维的方向移动，以便形成这些复杂的形状。
本发明是一种用于织造带有多个腿的纤维预型件的方法，这种方法使得腿在经向和/或纬向不必是线状的。本发明的示例性实施例是带有正弦波形腿的“派形”预型件，也就是，竖立腿以正弦曲线方式沿经向和/或纬向移动。
例如，通过使预型件中形成竖立腿之一的部分的一些经向纤维选择性地退出，而同时在另外的竖立腿中添加经向纤维，形成正弦波。例如，为了使腿在纬向向左移动，在竖立腿之一的基底处退出经向纤维，同时在相邻竖立腿的基底处添加经向纤维。类似地，可以进行与之相反的操作，以使腿向右移动。
本方法也可以用于制造其他截面形状，诸如“T”形或“T”形加劲件，其具有相对于“T”形的顶部以正弦曲线方式伸出的“T”形的翼片，或者其他形状，诸如具有三个或更多个腿的预型件。
本方法可以用来织造具有可变厚度、或可变长度或高度的腿的预型件，这些腿可以互相平行或成一定角度。预型件的腿可以由具有均等宽度的U形夹或具有可变宽度的U形夹分隔开。可以使用经向纤维的任意合宜图案，即，层与层、穿过厚度方向的角度互锁、正交等，织造预型件。尽管优选碳纤维，但本发明可应用于几乎任何其他纤维类型，诸如玻璃纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等。
所以，本发明的一个目的是，提供一种带有一个或更多个竖立腿的3D织造预型件，使得腿在经向和/或纬向不必是线状的。
本发明的另一目的是，提供一种带有两个或更多个竖立腿的3D织造预型件，具有可变宽度的U形夹位于腿之间。
本发明的又一目的是，提供一种3D织造预型件，其设计是对现有预型件和/或此前所能得到的加强复合材料结构体的替代品和/或改进。
本发明的又一目的是，提供一种整体织造3D预型件，其可以折叠成形，而构成此预型件的纤维没有扭曲。
本发明的又一目的是，提供一种整体织造3D预型件，其特别可用于形成派形或T形的加强复合材料。
这些和其他的目的及优点可以通过本发明提供的织造3D预型件实现，这种织造3D预型件可以平织，然后在浸渍树脂之前折叠成为其最终形状，而不会在纤维中产生不想要的扭曲。通过下述方式达到该目的，在织造期间调整纤维的长度，使得预型件折叠成形时纤维长度相等，在折叠处提供平滑过渡。尽管特别适用于形成派形织造预型件，但这种技术也可以应用于多种其他形状，诸如“T”形或带有三个或更多个竖立腿的预型件。
本发明的一种实施例是一种用于机械或结构连接的预型件，其具有三维织纹结构，用纬向纤维进行织造，从而提供经向纤维层的层与层互锁以及各层内的纤维互锁。尽管本文所描述的示例性实施例涉及层与层互锁，但对于本发明的实践而言这不是必须的。预型件的某些层可以不进行层与层互锁。织造预型件通过定向纤维转移面外负荷，从而使层间张力减至最小。本预型件具有基底和一个或更多个自基底伸出的腿，基底和一个或更多个腿各自具有至少两层经向纤维。
纬向纤维沿着织造序列行进，织造序列携载纬向纤维穿过基底的一部分，然后进入腿，并最终穿过基底的相对部分。腿可以在对称或非对称分布的纵列交点处与位于腿之间的偶数个或奇数个经向纤维纵列相连接。预型件可以具有相等或不等的腿长度和/或高度。腿可以与基底垂直、或非垂直、或成一定角度。腿可以互相平行或成一定角度，和/或腿之间可以具有可变宽度U形夹。一个或多个腿可以在经向和/或纬向以正弦曲线方式、锯齿状方式、斜线方式、曲线方式或非线状方式移动。基底和/或腿的外端优选具有楔形，通过以阶状图案终止经向纤维层，形成楔形。
本发明的另一实施例是一种用在加强复合材料中的预型件的形成方法。该预型件形成为具有三维织纹结构，用纬向纤维进行织造，从而提供经向纤维层的层与层互锁以及各层内的纤维互锁。尽管本文所描述的示例性实施例涉及层与层互锁，但对于本发明的实践而言这不是必须的。预型件的某些层可以不进行层与层互锁。织造预型件通过定向纤维转移面外荷载，从而使层间张力减至最小。预型件具有基底和一个或多个自基底伸出的腿，基底和一个或多个腿各自具有至少两层经向纤维。纬向纤维沿着织造序列行进，织造序列携载纬向纤维穿过基底的一部分，然后进入腿，并最终穿过基底的相对部分。腿可以在对称或非对称分布的纵列交点处与位于腿之间的偶数个或奇数个经向纤维纵列相连接。预型件可以具有相等或不等的腿长度和/或高度。腿可以与基底垂直、或非垂直、或成一定角度。腿可以互相平行或成一定角度，和/或腿之间可以具有可变宽度U形夹。一个或多个腿可以在经向和/或纬向以正弦曲线方式、锯齿状方式、斜线方式、曲线方式或非线状方式移动。基底和/或腿的外端优选具有楔形，通过以阶状图案终止经向纤维层，形成楔形。
为了更好地理解本发明、其操作优点、以及通过使用本发明获得的特定目的，请参照所附说明内容，其中示出了本发明优选的非限制性的实施例。
本文中术语“包含的”和“包含”可以指“包括的”、“包括”，或者可以具有美国专利法中通常赋予术语“包含的”或“包含”的含义。如果在权利要求中使用，术语“主要由……构成的”或“主要由……构成”具有它们归于美国专利法中的含义。下文描述本发明的其他方面，或者，通过下文描述，本发明的其他方面(在本发明的范围内)将更为明了。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，附图并入说明书中，并且构成说明书的一部分。本文给出的附图图示本发明的不同实施例，并与说明书一起来说明本发明的原理。附图中：
图1是根据本发明一个示例性实施例的派形预型件的示意性端视图，说明全纬的形成以及预型件中的纤维结构；
图2(a)和图2(b)分别示出根据本发明一个示例性实施例的预型件和现有技术中所披露的预型件；
图3是根据本发明一个示例性实施例的派形预型件的示意性端视图，说明预型件中的纤维结构；
图4是根据本发明一个示例性实施例腿处于竖立位置的派形预型件的示意性剖视图；
图5是根据本发明一个示例性实施例的派形预型件的织造图案或纤维结构的示意性端视图；
图6(a)和图6(b)是根据本发明一个示例性实施例的派形预型件的示意性剖视图；
图6(c)是根据本发明一个示例性实施例正弦波腿处于竖立位置的织造预型件的示意性顶视图；
图7(a)和图7(b)是根据本发明一个示例性实施例的派形预型件在浮纱修整之前的图，该预型件带有成正弦波构造的腿；
图7(c)和图7(d)是根据本发明一个示例性实施例的派形预型件在浮纱修整之后的图，该预型件带有成正弦波构造的腿；
图8是根据本发明一个示例性实施例使用两个派形织造预型件的复合工字梁的示意性剖视图；
图9是根据本发明一个示例性实施例带有锯齿状腿的织造派形预型件的示意性顶视图；以及
图10是根据本发明一个示例性实施例带有斜线状腿的织造派形预型件的示意性顶视图。
具体实施方式
图1、图2(a)、图3和图4图示三维预型件100的优选实施例。将一根或多根纬向纤维114按一定图案穿过多根经向纤维116进行织造，形成预型件100，经向纤维116垂直于图案的平面延伸。在图1和图3中，图示了形成派形预型件100所使用的完整图案，其中纬向纤维114示于页面上，而经向纤维116示为与页面垂直。尽管实际织成成品预型件100时纤维114、116压紧在一起，但在结构的示意图中纤维114、116示为彼此相隔开。
现在看图1，预型件100中的所有经向纤维116大体互相平行，沿各纤维116的纵向长度稍有起伏，并且经向纤维116排列成大体上竖向纵列。预型件100优选由用于典型复合结构体的材料例如玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维以及碳纤维织造而成，以及，根据本发明的一个实施例，预型件100织成具有基底120以及自基底120伸出的两个腿125、135，形成派(π)状外形。腿125、135可以与基底120垂直、或非垂直、或成一定角度。基底120和腿125、135各自包含至少两层经向纤维116，并且示为具有可选的楔形边缘。尽管腿125、135在使用时处于竖立位置，形成U形夹150，例如如图4所示，为了易于织造，在织造时预型件100中的腿125、135紧靠并覆盖基底120。基底120示为具有八层经向纤维116，以及，腿125、135示为具有四层经向纤维116。尽管在本示例中基底以及腿分别使用了八层及四层，但本发明并不局限于此，基底和腿可以使用任意层数。
可选地，如图所示，基底120中经向纤维116的横截面面积小于腿125、135中经向纤维116的横截面面积。通过仅在基底120中而不在腿125、135中使用较细的经向纤维116，减少在织机上织造结构所需时间，同时，通过经向纤维116的大量互锁，仍可在预型件100中提供更牢固的基底120。
回到图1，预型件100的织造图案从基底120的一端105(其示于基底120的左侧)开始。在织造序列的典型部分中，在每次向右侧行进期间，纬向纤维114在一层的经向纤维116的上方和下方交替，使该层的经向纤维116互锁。此外，在织造序列的典型部分中，在每次向左侧行进期间，纬向纤维114在两个相邻层的经向纤维116的上方和下方交替，使相邻层彼此互锁。尽管这里所述的实施例涉及层与层互锁，但对于本发明的实践而言这不是必须的。预型件的某些层可以不进行层与层互锁。如图中所示以及下文所述，织造序列中的某些部分，包括预型件100的腿125、135内的部分、位于边缘处和外表面处的部分，可以与这种织造序列不同。
如图1所示，一般织造序列在位置A处以纬向纤维114开始，纬向纤维114朝基底120的中央延伸，然后在位置B1处进入一个腿135的外侧112。纬向纤维114然后延伸至腿135最右端处的位置C。从位置C开始，纬向纤维114沿相同路线朝基底中央向回织，从基底中央那点开始，纬向纤维114向下延伸进入基底120，并返回进入另一腿125的外侧112，到达腿125最左端处的位置D。然后，纬向纤维114沿相同路线朝基底120中央向回织，并在位置B2处返回延伸进基底120，穿过位于腿125、135之间的经向纤维116中央纵列，然后，在位置E处返回进入基底120，并到达基底120另一端115处的位置F。这形成了纬向纤维114的完整织造序列，其基本上将四个半纬(half-picks)与三个全纬(full-picks)结合在一起，如图1所示。以阶状图案终止经向纤维116的层，在基底120和腿125、135上形成楔形边缘，诸如在基底120左横向边缘上的楔面124和腿135上的楔面126。
为了完成一个单元或竖向部分，对经向纤维116的相邻层重复进行纬向纤维114穿经预型件100的行进，直至所有层都互锁。重复纬向图案，从而形成相邻的竖向部分，产生预型件的连续长度。然而，层的互锁不是必须的，以及，预型件100的基底120和/或腿125、135可以分叉成为分开的层。
图3特别示出在派形预型件100中用于形成腿125、135和基底120的织造图案。基底120示为具有八层经向纤维116，腿125、135示为具有四层经向纤维116，但是，该图案可以更改成在基底120和腿125、135中有更多层或更少层经向纤维。换而言之，基底120的层可以比各腿125、135的层多，或反之亦然。织造图案提供层内经向纤维116的互锁、以及经向纤维层之间的互锁。通过使纬向纤维114的一部分行进越过第一纵列第一层中的经向纤维116上方，以及穿过相邻第二纵列的相邻第二层(第二层在第一层之下)中的经向纤维下方，使相邻层互锁。腿125、135织在水平覆盖位置(水平放置位置)中，如图所示，同时织造图案。在安装时，各腿125、135移动至竖向立起位置，各腿125、135竖立向上时的宽度包含四层。
预型件100改进了现有织造预型件，其提供的基底120与腿125、135的交点具有高度对称分布。基底120具有三个经向纤维中央纵列以及两个经向纤维隔离纵列，经向纤维隔离纵列是中央纵列各横向侧的相邻纵列。使用奇数个中央纵列，能够允许在中央平面(其将中央纵列对称二等分)的各横向侧织造形成近似镜像，改进了基底120内负荷分布的对称性。尽管示为具有三个中央纵列，预型件100的优选实施例也可以具有任意数量的中央纵列，中央纵列的数量决定腿125、135处于竖立位置时所形成U形夹150的标定宽度。腿125、135可以与基底120垂直、或非垂直、或成一定角度。类似地，腿125、135可以彼此平行、或彼此成一定角度，以及/或者，腿125、135可以具有相同或不相同的长度和/或高度。
为了将来自腿125、135的负荷，诸如来自粘合在竖立腿125、135之间部件(未示出)的负荷，对称引入基底120，将纬向纤维114中连接腿125、135的部分分成相等或大致相等数量纤维部分的组。在一个隔离纵列与中央纵列之间、或在一个隔离纵列和与该隔离纵列相邻的其余横向左侧或右侧纵列之间，各组与基底120相交。例如，如图3所示，组29在腿125的层2和层4与基底120之间延伸，在纵列c与纵列d之间同基底120相交。类似地，组31在纵列d与纵列e之间同基底120相交，组33在纵列g与纵列h之间同基底120相交，以及，组37在纵列h与纵列i之间同基底120相交。这里应当注意到，尽管本图示出对称几何形状，但本发明的方法也可以在制造非对称构造中使用。
尽管图中示出中央纵列位于预型件100大致中央处的优选部位，但中央纵列也可以包含横向远离预型件100中央的经向纤维116纵列。例如，纵列b、c和d可以构成中央纵列，而纵列a和e可以作为隔离纵列。这使腿125、135朝基底120的外缘偏离，然而，基底120在纵列b、c和d附近的织纹仍可提供对称性，以及，使来自腿125、135的负荷对称分散进入基底120。通过以短于先前层长度的方式终止后续层的经向纤维，在预型件的外缘上形成楔面，诸如楔面124和楔面126。例如，图3示出层5终止在纵列s处，而层6终止在纵列t处，层5比层6短一根经向纤维116。类似地，层6比层7短，以及，各相邻的下层重复此图案。与经向纤维层全部以相同长度终止的预型件相比，在基底或竖立腿中具有楔形边缘的预型件对剥离负荷具有更好的抵抗性。另外，经向楔面纤维使用较小纤维尺寸，从而能够更和缓地从预型件逐步过渡到与之相结合的复合层合体。图3中的织造图案用于基底120的八层经向纤维116。
完成的织造派形预型件100示于图4中，其中腿125、135处于竖向位置，在腿125、135之间形成U形夹150。然而，腿125、135也可以与基底120垂直、或非垂直、或成一定角度。通过重复完整织造序列，沿预型件100纵向长度形成相邻的竖向部分，织造预型件100。织造加工得到连续长度的预型件100，然后，将其切成期望长度用于安装。图2(a)和图2(b)中分别示出，根据本发明形成的预型件示例，以及，与之形成比较的在竖立腿间带有线圈30的现有设计预型件10。
本发明的一个示例性实施例是一种用于织造预型件200的方法，预型件200带有多个腿225、235，使得这些腿在经向和/或纬向不必一定是线状的(linear)。在一个示例性实施例中，可以以正弦曲线方式、锯齿状方式、斜线方式、曲线方式、或非线状方式、或上述方式的组合，在经向和/或纬向织造腿。U形夹250的宽度可以取决于应用而改变。在某些情况下，预型件可以具有零宽度U形夹，也就是，形成预型件的多个层在其互换位置的部位处可以彼此相交，然而，多个层不必在预型件的任何部分都交织在一起。然而，对于本发明的正常功能而言，这一特征不是绝对必要的，以及，取决于预型件的最终用途，可以使用或不使用这种特征。根据本实施例，通过从预型件中形成竖立腿225、235的部分选择性地退出一些经向纤维216，而同时在其他区域添加经向纤维216，可以实现腿的位置改变。例如，为了使腿在纬向向左移动，在一个竖立腿225的基底处退出经向纤维216，并同时在相邻竖立腿235的基底处添加经向纤维216。类似地，进行与之相反的操作，可以使腿向右移动。尽管本文所述的实施例具有形成在经向的腿，但通过选择性地向一个或多个腿添加纬向纤维或从一个或多个腿中退出纬向纤维，也可以在纬向形成腿。在这种情况下，取代纬向纤维，可以使用经向纤维来提供层与层互锁。然而，对于本发明的实践而言这不是必须的。预型件的某些层可以不进行层与层互锁。
图5示出与经向纤维216垂直的预型件200纤维结构剖视图。单根经向纤维216示为圆圈，而连续纬向纤维214的路径示为实线。这里应当注意到，大多数形成竖立腿225、235的纤维沿预型件200的整个长度是连续的。只有位于边缘的纤维240是断续的。这些纤维240浮在预型件200的织造部分之上或之下，以及，在从织机上取下预型件之后，对这些纤维240进行修整。根据本实施例，可以将竖立腿225、235移动至支撑凸缘或基底220的几乎任何部位，以及，借助于纬向纤维214将竖立腿225、235结合进入凸缘或基底220。然而，位置必须以阶状方式改变，台阶的最小宽度是一个经向纵列的宽度。可以使用经向纤维的任意合宜图案，即，层与层、穿过厚度方向的角度互锁、正交等，织造预型件200。
根据本发明的一个实施例是一种用于织造带有多个腿305、310、315、320的纤维预型件300的方法，其中多个腿这样布置，使得预型件的凸缘具有统一宽度且沿预型件300的长度是直的，以及，一个或多个腿315、320与凸缘垂直，但在预型件300的长度上沿弯曲路径行进。经向纤维和纬向纤维可以如上述实施例所讨论的那样进行织造，或者，经向纤维和纬向纤维可以简单地以平织图案进行织造，从而形成不同的层。尽管这里所描述的实施例具有形成在经向的腿，但也可以通过从一个或多个腿中选择性地退出纬向纤维或添加纬向纤维，在纬向形成腿。在这种情况下，取代纬向纤维，可以使用经向纤维来提供层与层互锁。然而，对于本发明的实践而言这不是必须的。预型件的某些层可以不进行层与层互锁。
本发明的一个示例性实施例示于图6(a)至图6(c)中。图6(a)说明根据本示例性实施例的预型件300织造时的剖视图。预型件300可首先平织，带有四个腿305、310、315和320，这些腿彼此叠置且平行于X-Y平面，如图6(a)所示。腿315和腿320可以分别相对于腿305和腿310进行折叠，使得腿315和腿320现在处于竖立位置，如图6(b)所示，从而，形成“派”形结构。在本实施例中，腿305和腿310形成直状凸缘或基底，以及，相对于直状凸缘，腿315和腿320可以沿例如正弦波路径行进，如图6(c)所示。
图7(a)至图7(d)示出派形预型件的不同图，这些派形预型件在层与层结构中带有在经向沿正弦波移动的腿。图7(a)是在修整浮置纤维之前预型件300织造时的顶视图，其中腿315和腿320位于顶面上。图7(b)是在修整浮置纤维之前预型件300织造时的顶视图，其中腿305和腿315位于顶面上。图7(c)是在修整浮置纤维之后预型件300的顶视图，其中竖立腿315和腿320折起。图7(d)是在修整浮置纤维之后折叠状态预型件300的顶视图，其中腿305和310示为形成凸缘。
本发明的一个示例性实施例是一种形成织造预型件的方法，通过将经向纤维与纬向纤维进行织造，形成基底和自基底伸出的一个或多个腿，以及，通过使第一腿的一根或多根纬向纤维选择性地退出和/或选择性地添加一根或多根纬向纤维进入第一腿，从而，使第一腿在经向移动预定距离。本方法也可以包括同时在第二腿中添加纬向纤维和/或去除纬向纤维，从而同时使第二腿在经向移动预定距离。可以重复这种添加纬向纤维或去除纬向纤维的过程，以在纬向沿曲线方式形成一个或多个腿。可以以正弦波结构、锯齿状结构、斜线结构、曲线结构、或非线状结构、或者其组合，在纬向形成一个或多个腿。
本发明的一个示例性实施例是一种织造预型件，其具有的纬向纤维与经向纤维层进行织造，以形成基底和自基底伸出的一个或多个腿，使预型件第一部分(其形成第一腿)的一根或多根纬向纤维选择性地退出、和/或将一根或多根纬向纤维选择性地添加进入预型件第一部分，从而，使第一腿在经向移动预定距离。可以以正弦波结构、锯齿状结构、斜线结构、曲线结构或非线状结构或者其组合，在纬向形成一个或多个腿。
尽管在上述实施例中讨论了正弦波派形预型件，但本发明并不局限于这种形状。例如，预型件可以形成有在经向和/或纬向以锯齿状方式、斜线方式、曲线方式、或非线状方式、或者其组合移动的竖立腿315和320。图9和图10中说明了这些形状的一些示例。
在复合结构体中可以使用诸如这样的预型件，以加强连接，以及制造预型件以用于更复杂的结构体诸如飞机中的翼梁和翼肋。图8中示出派形预型件300可以如何用来制造复合材料工字梁350的示例。
图8所示结构体的失效原理模式是，当使梁350在Z方向处于弯曲状态或处于挤压状态时，位于两个派形凸缘300之间的腹板340的弯曲变形。根据本发明的一个实施例，改进这类结构体弯曲变形强度的优选方法是，使腹板340在X方向形成为正弦波形状。这提供了几何加劲作用，仅以重量的稍许增加来大大提高压曲载荷(bucklingload)。飞机结构中已经使用了由常规预浸料制成的复合材料正弦波翼梁和翼肋。然而，这种正弦波翼梁和翼肋要求数量可观的手工操作，以将从腹板盘绕出的层板快速对准并折入上侧凸缘和下侧凸缘。所以，本发明通过将派形的竖立腿织造成正弦波形状，解决了这一问题。现在，腹板340可以由矩形材料条带制造，这种矩形材料条带容易形成为正弦波形状，并且适配在与凸缘或基底相连接的竖立腿315、320之间。
本方法也可以用于制造其他截面形状，诸如“T”形或“T”加劲件(其具有相对于“T”形的顶部以正弦曲线方式行进的“T”形的翼片)，或者其他形状，诸如具有三个或更多个腿的预型件。本方法可以用来织造具有可变厚度或可变长度/高度的腿的预型件，这些腿在一个或多个平面中可以互相平行或成一定角度。可以使用任意合宜的织造图案，即，层与层、穿过厚度方向的角度互锁、正交等，织造预型件。尽管优选碳纤维，但本发明可应用于几乎任何其他纤维类型，诸如玻璃纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等。如图1、图2(a)、图3、以及图7(a)至图7(d)中所示，纬向纤维可以以例如平织图案进行织造，然而，可以使用几乎任何织造图案来形成预型件。除纬向纤维之外，经向纤维也可以提供互锁。尽管本文所描述的示例性实施例涉及层与层互锁，但对于本发明的实践而言这不是必须的。预型件的某些层可以不进行层与层互锁。此外，在实践中，腿可以由任意层数的互锁织物构成，以及，腿可以包括楔形端来取代平坦端，也就是，基底和/或腿的外端可以具有以阶状图案方式终止经向纤维层而形成的楔面。
通常，将一类纤维例如碳(石墨)纤维用于经向纤维和纬向纤维二者，来织造预型件。然而，预型件也可以为混合织造图案，其利用的纤维由多种材料诸如碳纤维和玻璃纤维制成。这些图案能够得到具有更高韧性、更低成本和更优化热膨胀性能的预型件。织造图案包括的所有经向纤维为一种类型而所有纬向纤维为另一类型，或者，织造图案可以具有交替类型的经向纤维和/或纬向纤维，经向纤维和/或纬向纤维排列成例如遍及整层的“棋盘”图案。
本发明的优点包括，其能够织造高强度且容易使用的预型件，用于将组件装配进入结构体。改进的织纹使各层的经向纤维互锁并使层彼此互锁，同时，以高度对称方式，通过预型件分散负荷。据此，本发明提供了生产带有多个腿的3D预型件和/或加强复合结构体的可选方法和/或改进方法，这些方法使得腿在经向和/或纬向不必一定是线状的。
因此，本发明实现了其目的和优点，以及，尽管在此披露并具体说明了本发明的优选实施例，但并不限制本发明的范围，本发明的范围应当由所附权利要求确定。

Claims (58)

1.一种形成织造预型件的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)设置多个相邻的层，各层具有多根经向纤维，所述经向纤维互相平行；
(b)将多根纬向纤维与经向纤维层进行织造，以形成基底和自所述基底伸出的一个或更多个腿；以及
(c)使形成第一腿的预型件的第一部分中的一根或多根经向纤维选择性地退出、和/或将一根或多根经向纤维选择性地添加进入所述预型件的第一部分，从而，所述一个或多个腿在所述预型件的经向形成为斜线结构或非线状结构或其组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个腿在所述预型件的经向形成为锯齿状结构或曲线结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个腿在所述预型件的经向形成为正弦波结构。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括下述步骤：同时在形成第二腿的预型件的第二部分中添加和/或去除经向纤维，从而，同时使所述第二腿在纬向移动预定距离。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括下述步骤：重复进行添加或去除经向纤维的步骤，从而，在经向形成所述一个或多个腿。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括下述步骤：相对于所述基底折叠所述一个或更多个腿，从而，形成竖立腿。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基底比各所述腿具有更多的层，或反之亦然。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基底和/或所述腿的边缘形成为楔形。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述腿与所述基底成一定角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述腿与所述基底垂直、或非垂直。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述经向纤维和所述纬向纤维由玻璃、碳、芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯或其组合制成。
12.根据权利要求4所述的方法，其中，所述腿具有相等或不等的长度和/或高度。
13.根据权利要求4所述的方法，其中，两个或更多个腿由具有预定宽度的U形夹分隔开。
14.根据权利要求4所述的方法，其中，两个或更多个腿由零宽度的U形夹分隔开。
15.根据权利要求4所述的方法，其中，所述腿由具有可变宽度的U形夹分隔开。
16.一种适合于在加强复合材料结构体中使用的织造预型件，所述预型件包括：
多个相邻的层，各层具有多根经向纤维，所述经向纤维互相平行；以及
多根纬向纤维，其与经向纤维层进行织造，以形成基底和自所述基底伸出的一个或更多个腿，其中，
使形成第一腿的预型件的第一部分中的一根或多根经向纤维选择性地退出、和/或将一根或多根经向纤维选择性地添加进入所述预型件的第一部分，从而，所述一个或更多个腿在所述预型件的经向形成为斜线结构或非线状结构或其组合。
17.根据权利要求16所述的预型件，其中，所述一个或多个腿在所述预型件的经向形成为锯齿状结构或曲线结构。
18.根据权利要求16所述的预型件，其中，所述一个或多个腿在所述预型件的经向形成为正弦波结构。
19.根据权利要求16所述的预型件，其中，相对于所述基底折叠所述一个或更多个腿，从而，形成竖立腿。
20.根据权利要求16所述的预型件，其中，所述预型件具有两个或更多个腿。
21.根据权利要求20所述的预型件，其中，所述两个或更多个腿由具有预定宽度的U形夹分隔开。
22.根据权利要求20所述的预型件，其中，所述两个或更多个腿由零宽度的U形夹分隔开。
23.根据权利要求20所述的预型件，其中，所述基底比各所述腿具有更多的层，或反之亦然。
24.根据权利要求20所述的预型件，其中，所述基底和/或所述腿的边缘为楔形。
25.根据权利要求20所述的预型件，其中，所述腿与所述基底成一定角度。
26.根据权利要求25所述的预型件，其中，所述腿与所述基底垂直或非垂直。
27.根据权利要求16所述的预型件，其中，所述经向纤维和所述纬向纤维由玻璃、碳、芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯或其组合制成。
28.根据权利要求20所述的预型件，其中，所述腿具有相等或不等的长度和/或高度。
29.根据权利要求20所述的预型件，其中，所述腿由具有可变宽度的U形夹分隔开。
30.一种形成织造预型件的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)设置多个相邻的层，各层具有多根经向纤维，所述经向纤维互相平行；
(b)将多根纬向纤维与经向纤维层进行织造，以形成基底和自所述基底伸出的一个或更多个腿；以及
(c)使形成第一腿的预型件的第一部分中的一根或多根纬向纤维选择性地退出、和/或将一根或多根纬向纤维选择性地添加进入所述预型件的第一部分，从而，所述一个或更多个腿在所述预型件的纬向形成为斜线结构或非线状结构或其组合。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述一个或更多个腿在所述预型件的纬向形成为锯齿状结构或曲线结构。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述一个或更多个腿在所述预型件的纬向形成为正弦波结构。
33.根据权利要求30所述的方法，进一步包括下述步骤：同时在形成第二腿的预型件的第二部分中添加和/或去除纬向纤维，从而，同时使所述第二腿在经向移动预定距离。
34.根据权利要求30所述的方法，进一步包括下述步骤：重复进行添加或去除纬向纤维的步骤，从而，在纬向沿曲线形成所述一个或更多个腿。
35.根据权利要求30所述的方法，进一步包括下述步骤：相对于所述基底折叠所述一个或更多个腿，从而，形成竖立腿。
36.根据权利要求33所述的方法，其中，所述基底比各所述腿具有更多的层，或反之亦然。
37.根据权利要求33所述的方法，其中，所述基底和/或所述腿的边缘形成为楔形。
38.根据权利要求33所述的方法，其中，所述腿与所述基底成一定角度。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述腿与所述基底垂直或非垂直。
40.根据权利要求30所述的方法，其中，所述经向纤维和所述纬向纤维由玻璃、碳、芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯或其组合制成。
41.根据权利要求33所述的方法，其中，所述腿具有相等或不等的长度和/或高度。
42.根据权利要求33所述的方法，其中，两个或更多个腿由具有预定宽度的U形夹分隔开。
43.根据权利要求33所述的方法，其中，两个或更多个腿由零宽度的U形夹分隔开。
44.根据权利要求33所述的方法，其中，所述腿由具有可变宽度的U形夹分隔开。
45.一种适合于在加强复合材料结构体中使用的织造预型件，所述预型件包括：
多个相邻的层，各层具有多根经向纤维，所述经向纤维互相平行；以及
多根纬向纤维，其与经向纤维层进行织造，以形成基底和自所述基底伸出的一个或更多个腿，其中，
使形成第一腿的预型件第一部分中的一根或多根纬向纤维选择性地退出、和/或将一根或多根纬向纤维选择性地添加进入所述预型件第一部分，从而，所述一个或更多个腿在所述预型件的纬向形成为斜线结构或非线状结构或其组合。
46.根据权利要求45所述的预型件，其中，所述一个或更多个腿在所述预型件的纬向形成为锯齿状结构或曲线结构。
47.根据权利要求45所述的预型件，其中，所述一个或更多个腿在所述预型件的纬向形成为正弦波结构。
48.根据权利要求45所述的预型件，其中，相对于所述基底折叠所述一个或更多个腿，从而，形成竖立腿。
49.根据权利要求45所述的预型件，其中，所述预型件具有两个或更多个腿。
50.根据权利要求49所述的预型件，其中，所述两个或更多个腿由具有预定宽度的U形夹分隔开。
51.根据权利要求49所述的预型件，其中，所述两个或更多个腿由零宽度的U形夹分隔开。
52.根据权利要求49所述的预型件，其中，所述基底比各所述腿具有更多的层，或反之亦然。
53.根据权利要求49所述的预型件，其中，所述基底和/或所述腿的边缘为楔形。
54.根据权利要求49所述的预型件，其中，所述腿与所述基底成一定角度。
55.根据权利要求54所述的预型件，其中，所述腿与所述基底垂直或非垂直。
56.根据权利要求45所述的预型件，其中，所述经向纤维和所述纬向纤维由玻璃、碳、芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯或其组合制成。
57.根据权利要求49所述的预型件，其中，所述腿具有相等或不等的长度和/或高度。
58.根据权利要求49所述的预型件，其中，所述腿由具有可变宽度的U形夹分隔开。
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