CN102369100B - 具有一体式离轴加强件的织造预制件 - Google Patents

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Abstract

一种在两个或更多个方向上具有由织造织物构造的加强件的一体式织造预制件，所述织造织物具有第一、第二和任选第三织造织物层。多根纱线在第一和第二织物层之间的区域上交织，使得第一织物层可相对于第二织物层折叠。还有多根纱线在第二和第三织物层之间的区域上交织，使得第三织物层可相对于第二织物层折叠。折叠织造织物层后形成在两个或更多个方向上具有加强件的一体式织造三维预制件。

Description

具有一体式离轴加强件的织造预制件
相关申请的交叉引用
本申请可能与2004年12月8日提交的序列号为11/007,600的美国专利申请和2008年10月29日提交的序列号为12/260,689的美国专利申请相关，所述专利申请的全文公开通过引用并入本文中。
发明背景
发明领域
本发明一般性地涉及织造预制件，具体而言，涉及用于强化复合材料中的织造预制件，所述织造预制件可以被织造成平的并折叠成其最终形状，所述最终形状在两个或更多个方向上得到强化。
通过引用并入
关于本文中所提及的任何产品的所有专利、专利申请、文件、参考文献、制造说明书、描述、产品规格和产品表均通过引用并入本文中，并可用在本发明的实施中。
现有技术描述
如今，使用强化复合材料制造结构部件已非常普遍，特别是在其中寻求的期望特征是重量轻、强、韧、耐热、自支承并适于形成和成形的应用中。这样的部件被用于例如航空、宇航、人造卫星、娱乐(如赛艇和赛车中)及其他应用中。
通常，这样的部件由包埋在基体材料中的强化材料组成。强化部件可由材料如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯和/或具有所需物理、热学、化学和/或其他性质的其他材料制造，在所述性质中，最主要的是高的抗应力破坏强度。通过使用这种最终变为成品部件的构成元件的强化材料，成品复合材料部件被赋予所需的强化材料特征如非常高的强度。构成的强化材料通常可由编织、针织或以其他方式取向成强化预制件所需的构造和形状。通常，特别要注意确保所选定的构成强化材料的性能的最佳利用。通常将这种强化预制件与基体材料进行组合，从而形成所需的成品部件或制造用于最终生产成品部件的工作原料。
在已经构造了所需的强化预制件后，可以将基体材料引向并引入预制件中，使得通常强化预制件变得埋嵌在基体材料中，并且基体材料填充强化预制件的构成元件之间的间隙区域。基体材料可以是广泛种类的材料中的任何材料，例如环氧树脂、聚酯、双马来酰亚胺、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或同样具有所需的物理、热学、化学和/或其他性质的其他材料。选择用作基体的材料可以与强化预制件的材料相同或不同，并且可以具有类似或不相类似的物理、化学、热学或其他性质。但通常，其与强化预制件不是相同的材料，或不具有类似的物理、化学、热学或其他性质，因为使用复合材料所寻求的常见目的首先是使成品获得组合性能，而这种组合性能不能通过单独使用一种构成材料来获得。组合在一起后，强化预制件和基体材料就可通过热固或其他已知方法以相同的操作硬化和稳定化，然后为了制造所需部件而进行其他操作。在这一点要特别注意的是，在如此硬化之后，基体材料的固化的主体通常很牢固地粘结于强化材料(例如强化预制件)。因此，成品部件上的应力、特别是通过其作为纤维之间的粘合剂的基体材料而作用在成品部件上的应力可被有效地传递至强化预制件的构成材料并由强化预制件的构成材料来承受。
常常需要制造构造不是这类简单的几何形状如(就其本身而论)板状、片状、矩形或方形固体等的部件。一种做法是将这类基础几何形状组合成所需的更复杂的形式。一种这样的典型组合通过以相对于彼此成一定角度(通常是直角)接合如上所述制得的强化预制件做到。接合的强化预制件的这种角形布置的通常目的是产生所需的形状以形成包括例如一个或更多个端壁或“T”形交叉的强化预制件，或加强所产生的强化预制件的组合及其制备的复合材料结构在暴露于外力如压力或张力时的抗挠曲性或抗破坏性。在任何情况下，相关的考虑是使组成部件间的各接合部尽可能地坚固。假定强化预制件构件本身具有所需的非常高的强度，则弱接合部事实上就成为结构“链”中的“薄弱环节”。
美国专利6,103,337中给出了交叉构造的一个实例，该专利的公开内容通过引用并入本文中。该参考文献给出了一种将两块强化板一起接合为T-形的有效措施。
过去已提出多种其他方案来制作这样的接合部。已提出彼此独立地形成和硬化面板元件和成角的加固元件，后者具有单个面板接触表面或在一端分叉形成两个发散的共面面板接触表面。然后使用热固性粘合剂或其他粘合剂材料将加固元件的一个或更多个面板接触表面以粘合剂方式与另一部件的接触表面粘结而使两个部件接合。然而，当向复合材料结构的硬化面板或蒙皮施加张力时，由于接合处的有效强度是基体材料的而非粘合剂的，所以在不可接受的低值下的载荷就导致了使得加固元件与面板在它们的界面处分离“剥离”力。
在这类部件的界面处使用金属螺栓或铆钉是不可接受的，这是因为这种附加物至少部分地破坏和削弱复合材料结构自身的完整性、增加重量并使这类元件和周围材料之间的热膨胀系数产生差异。
解决这个问题的其他方法是基于这样的理念：通过采用将部件之一缝合到另一个部件并依靠缝合线将这种高强度纤维引入和穿过接合部位的这种方法而引入跨接合区域的强化纤维。美国专利4,331,495及其分案美国专利4,256,790中披露了这样一种方法。这些专利公开了在第一和第二复合材料面板之间由粘合剂粘合的纤维复合层制成接合部。第一面板以现有技术的方式在一端分叉从而形成两个发散的、共面的面板接触表面，通过将未硬化的柔性复合材料线缝合穿过两个面板而将它们接合到第二面板。然后使面板和线“共同硬化”，即同时硬化。改进接合强度的另一方法见述于美国专利5,429,853。但是该方法与前述方法相似，这是因为独立构造的不同元件通过在两者之间缝合第三纱线或纤维而接合在一起。无论使用哪种方法，所得到的结构在各个件之间的界面处均将具有较弱的接合，并且需要大量的接触工作来裁切和整理各个复合层。
虽然现有技术已寻求改进强化复合材料的结构完整性并已取得成功，特别是在美国专利6,103,337的情况下，但仍需要通过不同于使用粘合剂或机械联接的方法对其进行改进或解决所述问题。在这点上，一种方法可以是通过专用的机器创建三维(“3D”)织造结构。但涉及的费用相当高且很少希望织机专用于创建单一结构。尽管存在这一事实，但可被加工成纤维强化复合材料部件的3D预制件是需要的，因为其强度比常规的二维层压复合材料高。这些预制件在要求复合材料承载面外载荷的应用中特别有用。然而，上面讨论的现有技术预制件在其承受高面外载荷、在自动化织机工艺中织造及提供预制件的部分以不同厚度的能力方面受限。
另一方法是织造二维(“2D”)结构并将其折叠成3D形状以便面板一体式地被加固，即纱线在平面基底或面板部分和加强件之间连续地交织。美国专利6,874,543中公开了折叠成3D形状的2D织造结构的一个实例，该专利的全部内容通过引用并入本文中。具有特定结构形状如“T”、“I”、“H”或“π”截面的纤维预制件可在常规的有梭织机上织造，若干现有专利描述了织造这类结构的方法(例如美国专利6,446,675和美国专利6,712,099)。构造加固面板的另一方法见述于美国专利6,019,138，该专利的全部内容通过引用并入本文中，该专利公开了一种用于制造在经向和纬向二者上均具有增强加强件的加固面板的方法。如所公开的，该方法通过反复织造或简单地将凸起处织造进预制件的面板部分中而在两个方向上取得了强化。然而，在所有现有技术中，预制件均构造为使加强件取向为0度或+/-90度。
发明内容
因此，需要在两个或更多个方向上提供强化的一体式织造预制件，所述预制件可在使用常规织机的一种工艺中织造而不经任何特别改动。具体而言，需要具有离轴加强件的一体式织造预制件，其中所述加强件以除了0和+/-90度之外的方向或角度取向，或者所述离轴加强件与以0和+/-90度方向取向的加强件组合地形成。
本发明通过一体式织造蒙皮和加强件使得跨至少一些界面处有连续的纤维而消除了现有技术结构中所讨论的弱接合。
本发明的一个示例性实施方案为一种在两个或更多个方向上具有由织造基底织物构造的加强件的一体式织造预制件。该结构包括第一织造织物层、第二织造织物层以及在第一织造织物层和第二织造织物层之间交织的多根纱线，其中多根纱线在第一织物层和第二织物层之间的区域上交织，并且第一织物层相对于第二织物层折叠使得在预制件中形成第一离轴加强件。第一织造织物层在一个或更多个区域中自第二织造织物层的顶面裁开。第一织造织物层的交织区域的第一侧上的第一部分与第一织造织物层的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第一方向上的离轴加强筋(stiffener rib)。织造预制件还可包括第三织造织物层和在第二织造织物层和第三织造织物层之间交织的多根纱线，其中多根纱线在第二织物层和第三织物层之间的区域上交织，并且第三织物层相对于第二织物层折叠使得在预制件中形成第二离轴加强件。第三织造织物层在一个或更多个区域中自第二织造织物层的底面裁开。第三织造织物层的交织区域的第一侧上的第一部分与第三织造织物层的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第二方向上的离轴加强筋。
本发明的另一示例性实施方案为一种包括一体式织造预制件的纤维强化复合材料，所述预制件在两个或更多个方向上具有由织造基底织物构造的加强件。该结构包括第一织造织物层、第二织造织物层和在第一织造织物层和第二织造织物层之间交织的多根纱线，其中多根纱线在第一织物和第二织物之间的区域上交织，并且第一织物相对于第二织物折叠使得在预制件中形成第一离轴加强件。
本发明的又一示例性实施方案为一种在两个或更多个方向上具有由织造基底织物构造的加强件的一体式织造预制件。该结构包括第一织造织物层、第二织造织物层和在多个独立的区域中在第一织造织物层和第二织造织物层之间交织的多根纱线，其中第一织物相对于第二织物折叠使得在预制件中第一方向上形成第一加强件，并且将第一加强件的一部分折叠以形成预制件中第二方向上的第二加强件，所述第二加强件为离轴加强件。第一织造织物层在一个或更多个区域中自第二织造织物层的顶面裁开。织造预制件还可包括第三织造织物层和在多个独立的区域中在第二织造织物层和第三织造织物层之间交织的多根纱线，其中第三织物相对于第二织物折叠使得在预制件中第三方向上形成第三加强件，并且将第三加强件的一部分折叠以形成预制件中第四方向上的第四加强件，所述第四加强件为离轴加强件。第三织造织物层可在一个或更多个区域中自第二织造织物层的底面裁开。
本发明的又一示例性实施方案为一种包括一体式织造预制件的纤维强化复合材料，预制件在两个或更多个方向上具有由织造基底织物构造的加强件。该结构包括第一织造织物层、第二织造织物层和在多个独立的区域中在第一织造织物层和第二织造织物层之间交织的多根纱线，其中第一织物相对于第二织物折叠使得在预制件中第一方向上形成第一加强件，并且将第一加强件的一部分折叠以形成预制件中第二方向上的第二加强件，所述第二加强件为离轴加强件。
本发明的又一示例性实施方案为一种形成一体式织造预制件的方法，所述方法包括以下步骤：提供两个或更多个织造织物层，使来自第一织造织物层的多根纱线与来自第二织造织物层的多根纱线交织，第一织造织物层可相对于第二织造织物层折叠，自第二织造织物层的顶面裁开第一织造织物层的一部分，以及相对于第二织造织物层折叠第一织物的所述部分以形成预制件中的第一离轴加强件。所述方法还可包括将第一织造织物层的交织区域的第一侧上的第一部分与第一织造织物层的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第一方向上的离轴加强筋的步骤。所述方法还可包括以下步骤：使来自第三织造织物层的多根纱线与来自第二织造织物层的多根纱线交织，第三织造织物层可相对于第二织造织物层折叠，自第二织造织物层的底面裁开第三织造织物层的一部分，以及相对于第二织造织物层折叠第三织物的所述部分以形成预制件中的第二离轴加强件。可将第三织造织物层的交织区域的第一侧上的第一部分与第三织造织物层的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第二方向上的离轴加强筋。
本发明的又一示例性实施方案为一种形成纤维强化复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：形成一体式织造预制件，其做法是提供两个或更多个织造织物层，使来自第一织造织物层的多根纱线与来自第二织造织物层的多根纱线交织，第一织造织物层可相对于第二织造织物层折叠，自第二织造织物层的顶面裁开第一织造织物层的一部分，以及相对于第二织造织物层折叠第一织物的所述部分以形成预制件中的第一离轴加强件。
本发明的又一示例性实施方案为一种形成一体式织造预制件的方法，所述方法包括以下步骤：提供两个或更多个织造织物层，在多个独立的区域中使来自第一织造织物层的多根纱线与来自第二织造织物层的多根纱线交织，第一织造织物层可相对于第二织造织物层折叠，自第二织造织物层的顶面裁开第一织造织物层的一部分，相对于第二织造织物层折叠第一织物的所述部分使得在预制件中第一方向上形成第一加强件，并且将第一加强件的一部分折叠以形成预制件中第二方向上的第二加强件，所述第二加强件为离轴加强件。所述方法还可包括：在多个独立的区域中使来自第三织造织物层的多根纱线与来自第二织造织物层的多根纱线交织，第三织造织物层可相对于第二织造织物层折叠，自第二织造织物层的顶面裁开第三织造织物层的一部分，相对于第二织造织物层折叠第三织物的所述部分使得在预制件中第三方向上形成第三加强件，并且将第三加强件的一部分折叠以形成在预制件中第四方向上的第四加强件，所述第四加强件为离轴加强件。
本发明的又一示例性实施方案为一种形成纤维强化复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：形成一体式织造预制件，其做法是提供两个或更多个织造织物层，在多个独立的区域中使来自第一织造织物层的多根纱线与来自第二织造织物层的多根纱线交织，第一织造织物层可相对于第二织造织物层折叠，自第二织造织物层的顶面裁开第一织造织物层的一部分，相对于第二织造织物层折叠第一织物的所述部分使得在预制件中第一方向上形成第一加强件，并且将第一加强件的一部分折叠以形成预制件中第二方向上的第二加强件，所述第二加强件为离轴加强件。
虽然提及的是具有离轴加强件的织造预制件，但本发明可用于制造任何形状的预制件，例如H-形或I-形织造预制件。
本发明的方法可用来织造具有可变厚度或可变高度的加强件的预制件，所述加强件可以彼此平行或成角。预制件可用经向纤维的任何常规纹样织造，即层叠(ply-to-ply)、全厚度角联锁、正交等。虽然优选碳纤维，但本发明也可适用于实际任何其他纤维类型。
体现本发明特征的多个创新技术特征尤其在本公开所附并构成本公开一部分的权利要求中指出。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过其使用所实现的具体目标，请参考所附说明部分，其中在附图中示出了本发明的优选但非限制性的实施方案，在附图中，相应的部件用相同的标号表示。
本公开中的术语“包含”可指“包括”或可具有美国专利法中术语“包含”通常所赋予的意义。权利要求书中(如果用到的话)的术语“基本由......组成”具有美国专利法中所赋予其的意义。本发明的其他方面将在下面的公开中描述或从下面的公开显而易见(并在本发明的范围内)。
附图说明
附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，意在提供对本发明的进一步理解。本文中给出的附图示意了本发明的不同实施方案并与描述一起解释了本发明的原理。在附图中：
图1为根据本发明的一个方面的织造预制件的照片；
图2为根据本发明的一个方面的经裁开并折叠的织造预制件的照片；
图3为图2中所示预制件的纸模型；
图4为根据本发明的一个方面的原样织造预制件的示意图；
图5为根据本发明的一个方面的织造预制件的示意图；
图6为根据本发明的一个方面的织造预制件的示意图；
图7-15为根据本发明的一个方面的织造预制件的截面视图；
图16-18为根据本发明的一个方面的织造预制件的示意图；
图19(a)-(b)为根据本发明的一个方面的织造预制件的纸模型；
图20(a)-(c)为根据本发明的一个方面的织造预制件的照片；
图21(a)-(d)为根据本发明的一个方面的织造预制件的照片；
图22(a)-(b)为根据本发明的一个方面的织造预制件的纸模型；和
图23为根据本发明的一个方面的织造预制件的示意图。
具体实施方式
本公开描述了织造可加工成复合材料部件的纤维预制件的若干技术，所述复合材料部件由蒙皮和多个方向上的一体式加强件组成。本公开中描述的结构类型可用在例如宇航结构如翼片、机身壁板和操纵面中。根据一个示例性实施方案的技术之一特别好地适用于其中加强件形成六边形从而在0°、+60°和-60°方向上提供强化的情况，根据另一示例性实施方案的另一技术很好地适于在实际任何方向上提供强化，即加强件可在实际任何方向上形成。第二种方法将针对两种情况进行描述：1)其中加强件形成六边形(即0/±60°强化)的情况，和2)其中加强件在±45°方向上的情况。该第二种情况还适合更复杂的部件，例如其中仅部分结构需要离轴加固的工字梁(I-beam)或槽形梁(channel)；例如工字梁的腹板(web)。
两种方法均克服了3D织造蒙皮的主要局限之一，即其仅可在0°和90°方向上提供强化。当加载面内剪切时，这种构造将相当弱。±45°加强件的增加提供了承受该剪切载荷的额外载荷路径，从而提高结构的刚性和强度。另一方面，0/±60°强化的情况在蒙皮的平面中提供了准各向同性加固。两种技术均基于经线和/或纬向纤维对在它们织造穿过织物时交换位置。但在第一种方法中，纤维仅例如在一个方向上交换位置。
现在参照附图，图1和2为通过采用前一方法形成的示例性预制件的照片。图1示出了处于从织机上下来时的织物阶段的预制件100，图2示出了在织物的表面层已被裁开并且预制件100被折叠成其最终形状后的同一预制件。纬向纤维交换位置的地方50可以看作图1中的系列短水平线。
这些照片中的织物由例如四个联锁层和一个表面层组成。表面层可形成加强件，联锁层可形成蒙皮。表面层中的一些纬向纤维例如与第二联锁层中的纬向纤维交换位置，从而将表面层与蒙皮锁合在一起。纬向纤维的间距可设计为当表面层被裁开并折叠时加强件形成正六边形。相应地，根据一个示例性实施方案，本发明可以是一种具有形成为六边形阵列的一体式侧壁的基布(substrate)的织造预制件。
本文的目的是织造一种由具有可形成为六边形阵列的一体式侧壁的基布组成的一件式预制件。侧壁由两层折叠为与基布垂直的织物组成。图3中示出了预制件100的重复部分25的纸模型。应指出，在各个六边形的六条边中的两条上的基布和侧壁之间有连续纤维。
如图4中所示将预制件100分成九个区域1-9。纤维方向1可与经线或纬线对齐，但与基布一体式连接的侧壁将总是平行于纤维方向1。预制件100含至少两层，层1和层2，例如如图5中所示。方向1上的纤维总是完全在单个层内，但方向2上的纤维周期性地在一些区域间的交叉点处从一个层转向下一层。限定各组方向2纤维将是有帮助的，如图5中所示。组A中的方向2纤维在区域1中织进层1中而在区域2中织进层2中。与之类似，组B中的方向2纤维在区域2中织进层1中而在区域1中织进层2中。组E和F，以及I和J中的方向2纤维保持类似的关系。相比之下，组C和G中的方向2纤维总是在层1中织造，组D和H中的方向2纤维总是在层2中织造。
图6中示出了根据本发明的一个实施方案的示例性纤维体系结构。出于演示的目的，方向1指经线方向，方向2指纬线方向。画出了一系列截面以阐明各纤维在各个区域中的位置。图6中示出了各个截面切口的面内位置。可以看出，截面切口成对示出(即例如A1-A1和A2-A2)，以便锁住所有纬向纤维所需的所有经向纤维可被分成两组。
作为一个实例，图7中示出了纬线方向上截面切口的全厚度位置。圆代表与观察者视线垂直的纬向纤维60，连续线代表经向纤维80。图7还表明，在预制件中有例如四个层。层1由单织物层组成，其在该特定的截面处，不与任何其他层互换；但在其他截面处有互换。层2、3和4实际是联锁的。加层2和4仅是为了演示基布的厚度可如何建立；然而，就本发明的实施而言，它们并非必须的。
图8中示出了经线方向上截面切口的全厚度位置。在图8中，圆代表与观察者视线垂直的经向纤维80，连续线代表纬向纤维60。图9中示出了切口A-A的经向截面。在所有经向截面中，层1中的经向纤维80在所有区域上都是连续的。折叠后，这些经向纤维变为侧壁中的纵向纤维。在所有经向截面中，层2、3和4中的经向纤维80在所有区域上也是连续的。可加其他层以增大基布的厚度，这对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
图10-12中分别示出了切口B-B、C-C和D-D的相似截面。截面A-A到D-D间的不同在于层1和3中纬向纤维60的相对位置。但应指出，层1和3中的纬向纤维60在区域3和7中不交换层。
现在，图13-15中示出了纬向截面。在所有纬向截面中，层2和4中的纬向纤维60保持在单个层中。参照图13顶部处截面切口E-E的纬线列1，区域1的层1中的纬向纤维60织进区域2的层3中。区域1的层3中的纬向纤维60织进区域2的层1中。相对于加强件的纵向而言，层1中的纬向纤维60最终变为侧壁中的横向纤维。
如前面所述，区域3和7中的纬向纤维60不在层间编织。区域3的情况在图14中示出。图15示出了层1和3中的纬向纤维60在随着其从区域4走向区域5再走向区域6时如何交换位置。未示出区域7及组合区域8和9的截面，但其分别与区域3及组合区域1和2的截面相似。
根据本发明的一个示例性实施方案，在预制件100中制作了一系列裁开处以便打开侧壁。这里的第一步是在层1中在图16中所示的位置处按标有数字1的箭头沿相应的虚线制作纵向裁开处(在经线方向上)。第二步是在先前的纵向裁开处之间制作一系列横向裁开处。这些裁开处在图16中由标有数字2的箭头沿相应的虚线示出。最后，在图16中所示的位置处按标有数字3的箭头沿相应的虚线制作另一系列的纵向裁开处。
然后通过折叠层1的两半使其垂直于基布而形成连续的侧壁，如图17中所示。然而，这些侧壁将仅在区域1和2、4和5、5和6及8和9的交叉处与基布相连。不与基布相连的侧壁部分正好是形成六边形的剩余侧壁恰当长度，如图18中所示。根据本发明的一个示例性实施方案，各个侧壁将包括两层织物。
图19(a)中示出了根据该实施方案的处于织造的原样状态的预制件100的纸模型。区域1-2、4-6和8-9代表在两个层间改变位置的纬向纤维组，区域3和7代表仅织在顶层中的纬向纤维组。图19(b)中示出了裁开和折叠后的同一预制件100。从图19(b)可以看出，侧壁的六边形形状是很明显的。
因此，根据该实施方案，自织造基底织物构造了在两个或更多个方向上具有加强件的一体式织造预制件。织物结构可包括第一织造织物层、第二织造织物层和在多个独立的区域中在第一织造织物层和第二织造织物层之间交织的多根纱线。第一织物相对于第二织物裁开并折叠使得在预制件中第一方向上形成第一加强件，第一加强件的一部分折叠形成预制件中第二方向上的第二加强件，所述第二加强件为离轴加强件。织造预制件还可包括第三织造织物层，并且一些纱线可在第二织造织物层和第三织造织物层之间多个独立的区域中交织。第三织物相对于第二织物裁开并折叠使得在预制件中第三方向上形成第三加强件，第三加强件的一部分折叠形成预制件中第四方向上的第四加强件，所述第四加强件为离轴加强件。
应指出，预制件可织造为任何选定的纹样。例如，经向纤维纹样可选自层叠、正交和角联锁式样。交织的纱线可以是经纱和/或纬纱。这些纱线可由任何材料制成，例如碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯。
根据一个实施方案，本发明提供了一种包括上面的实施方案中所述的一体式织造预制件的纤维强化复合材料。预制件可例如用基体材料如树脂浸渍。复合材料可通过树脂传递模塑或化学气相过滤进行加工。树脂材料可以是环氧树脂、聚酯、双马来酰亚胺、乙烯基酯、陶瓷和碳中的任何一种。
根据一个示例性的实施方案，本发明提供了一种形成一体式织造预制件200的方法，该方法与第一种方法相似，不同的是两个方向上的纤维均在加强件和蒙皮之间交换位置。图20(a)-(c)示出了采用这种方法的织物200的照片。这些照片中示出了织物200具有呈六边形阵列的加强件的面板。从图20(a)中明显可见由交换位置的纤维形成的六边形纹样。
预制件200的表面层的六边形部分可被裁开形成三个加强件，如图20(b)中所示。这些加强件被折叠就位形成例如六边形阵列，如图20(c)中所示。该照片中仅示出了一个完全的六边形，但该重复单元可在面板的整个表面上复制，这对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
通过例如以菱形纹样而非六边形纹样布置交换位置，还可使用该同一方法形成具有±45°方向上的加强件的预制件300，如图21(a)-(d)中所示。应指出，图21(c)和21(d)为同一预制件300的相反面，例如顶面和底面。在这种情况下，一面上的+45°加强件可例如为相反面上的-45°加强件所平衡。但这不是必须的条件，仅在一面上具有加强件的构造也在本发明的范围内。
因此，根据该实施方案，可由织造织物构造在两个或更多个方向上具有加强件的一体式织造预制件。织物可包括第一织造织物层、第二织造织物层以及在第一织造织物层和第二织造织物层之间交织的多根纱线。一些纱线在第一织物和第二织物之间的区域上交织，并且第一织物相对于第二织物裁开并折叠使得在预制件中形成第一离轴加强件。第一织造织物层的交织区域的第一侧上的第一部分与第一织造织物层的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第一方向上的离轴加强筋。织造预制件还可包括第三织造织物层以及在第二织造织物层和第三织造织物层之间交织的多根纱线。一些纱线在第二织物和第三织物之间的区域上交织，并且第三织物相对于第二织物裁开并折叠使得在预制件中形成第二离轴加强件。第三织造织物层的交织区域的第一侧上的第一部分与第三织造织物层的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第二方向上的离轴加强筋。
如前面的实施方案中所述，预制件可织造为任何选定的纹样。例如，经向纤维纹样可选自层叠、正交和角联锁式样。交织的纱线可以是经纱和/或纬纱。这些纱线可由任何材料制成，例如碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯。
根据一个实施方案，本发明提供了一种包括上面的实施方案中所述的一体式织造预制件的纤维强化复合材料。预制件可例如用基体材料如树脂浸渍以形成复合材料。复合材料可通过树脂传递模塑或化学气相过滤进行加工。树脂材料可以是环氧树脂、聚酯、双马来酰亚胺、乙烯基酯、陶瓷和碳中的任何一种。
如前面所提到的，本发明的方法还可被引入具有一体式翼缘和腹板的3D织造梁如工字梁或槽形梁的腹板中。在这些情况下，交换位置布置为形成加强件置于翼缘之间的三角形。虽然加强件实际可相对于翼缘取向为任何角度，但取向为±45°将使其对梁的剪切强度和刚性的贡献最大化。该技术可能的另一有用取向是当加强件垂直于翼缘从而形成在全厚度压缩中支承梁的加强肋。图22(a)和22(b)中分别示出了工字梁和槽形梁的典型构造的纸模型。
根据一个示例性的实施方案，本发明提供了一种形成一体式织造预制件500的方法，如图23中所示。在该实施方案中，织在区域1中表面处的经线和纬向纤维可与例如已织进区域1和2之间的界面处的蒙皮中的互补的经线和纬向纤维交换位置。同样的这些纤维可再在区域2和3的交叉处交换位置。织物500的顶层可在纬线方向上裁开以产生折叠后形成根据该实施方案的加强件的材料。
虽然本文中已详细描述了本发明的优选实施方案及其变型，但应理解，本发明不限于该确切的实施方案和变型，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以实现其他的变型和变化，本发明的精神和范围由附随的权利要求书限定。

Claims (68)

1.一种在两个或更多个方向上具有由织造基底织物构造的加强件的一体式织造预制件，所述基底织物包括：
第一织造织物；
第二织造织物；和
在所述第一织造织物和所述第二织造织物之间交织的多根纱线，其中所述多根纱线在所述第一织物和所述第二织物之间的区域上交织，并且所述第一织物相对于所述第二织物折叠使得在所述预制件中形成第一离轴加强件，所述第一离轴加强件以除了0和+／-90度之外的方向或角度取向。
2.权利要求1的织造预制件，其中所述第一织造织物在一个或更多个区域中自所述第二织造织物的顶面裁开。
3.权利要求2的织造预制件，其中所述第一织造织物的交织区域的第一侧上的第一部分与所述第一织造织物的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第一方向上的离轴加强筋。
4.权利要求1的织造预制件，其还包括：
第三织造织物；和
在所述第二织造织物和所述第三织造织物之间交织的多根纱线，其中所述多根纱线在所述第二织物和所述第三织物之间的区域上交织，并且所述第三织物相对于所述第二织物折叠使得在所述预制件中形成第二离轴加强件。
5.权利要求4的织造预制件，其中所述第三织造织物在一个或更多个区域中自所述第二织造织物的底面裁开。
6.权利要求5的织造预制件，其中所述第三织造织物的交织区域的第一侧上的第一部分与所述第三织造织物的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第二方向上的离轴加强筋。
7.权利要求1的织造预制件，其中所述基底织物由经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维织造。
8.权利要求7的织造预制件，其中所述经向纤维纹样为选自层叠、正交和角联锁的纹样。
9.权利要求7的织造预制件，其中交织的纱线为经纱。
10.权利要求7的织造预制件，其中交织的纱线为纬纱。
11.权利要求7的织造预制件，其中所述经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯。
12.权利要求4的织造预制件，其中所述第一和第二离轴加强件以+／-60度或+／-45度的取向形成。
13.一种包括一体式织造预制件的纤维强化复合材料，所述预制件在两个或更多个方向上具有由织造基底织物构造的加强件，所述基底织物包括：
第一织造织物；
第二织造织物；和
在所述第一织造织物和所述第二织造织物之间交织的多根纱线，其中所述多根纱线在所述第一织物和所述第二织物之间的区域上交织，并且所述第一织物相对于所述第二织物折叠使得在所述预制件中形成第一离轴加强件，所述第一离轴加强件以除了0和+／-90度之外的方向或角度取向。
14.权利要求13的复合材料，其还包括基体材料。
15.权利要求14的复合材料，其中所述基体材料为树脂，并且所述复合材料由选自树脂传递模塑和化学气相过滤中的工艺形成。
16.权利要求14的复合材料，其中所述基体材料选自环氧树脂、聚酯、双马来酰亚胺、乙烯基酯、陶瓷和碳。
17.权利要求13的复合材料，其中所述第一离轴加强件以+／-60度或+／-45度的取向形成。
18.一种在两个或更多个方向上具有由织造基底织物构造的加强件的一体式织造预制件，所述基底织物包括：
第一织造织物；
第二织造织物；和
在多个独立的区域中在所述第一织造织物和所述第二织造织物之间交织的多根纱线，
其中所述第一织物相对于所述第二织物折叠使得在所述预制件中第一方向上形成第一加强件，并且所述第一加强件的一部分折叠形成所述预制件中第二方向上的第二加强件，所述第一加强件和／或所述第二加强件为以除了0和+／-90度之外的方向或角度取向的离轴加强件。
19.权利要求18的织造预制件，其中所述第一织造织物在一个或更多个区域中自所述第二织造织物的顶面裁开。
20.权利要求18的织造预制件，其还包括：
第三织造织物；和
在多个独立的区域中在所述第二织造织物和所述第三织造织物之间交织的多根纱线，
其中所述第三织物相对于所述第二织物折叠使得在所述预制件中第三方向上形成第三加强件，并且所述第三加强件的一部分折叠形成所述预制件中第四方向上的第四加强件，所述第四加强件为离轴加强件。
21.权利要求20的织造预制件，其中所述第三织造织物在一个或更多个区域中自所述第二织造织物的底面裁开。
22.权利要求18的织造预制件，其中所述基底织物由经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维织造。
23.权利要求22的织造预制件，其中所述经向纤维纹样为选自层叠、正交和角联锁的纹样。
24.权利要求22的织造预制件，其中交织的纱线为经纱。
25.权利要求22的织造预制件，其中交织的纱线为纬纱。
26.权利要求22的织造预制件，其中所述经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯。
27.权利要求20的织造预制件，其中所述第二加强件和第四加强件以+／-60度或+／-45度的取向形成。
28.一种包括一体式织造预制件的纤维强化复合材料，所述预制件在两个或更多个方向上具有由织造基底织物构造的加强件，所述基底织物包括：
第一织造织物；
第二织造织物；和
在多个独立的区域中在所述第一织造织物和所述第二织造织物之间交织的多根纱线，
其中所述第一织物相对于所述第二织物折叠使得在所述预制件中第一方向上形成第一加强件，并且所述第一加强件的一部分折叠形成所述预制件中第二方向上的第二加强件，所述第一加强件和／或所述第二加强件为以除了0和+／-90度之外的方向或角度取向的离轴加强件。
29.权利要求28的复合材料，其还包括基体材料。
30.权利要求29的复合材料，其中所述基体材料为树脂，并且所述复合材料由选自树脂传递模塑和化学气相过滤中的工艺形成。
31.权利要求29的复合材料，其中所述基体材料选自环氧树脂、聚酯、双马来酰亚胺、乙烯基酯、陶瓷和碳。
32.权利要求28的复合材料，其中所述第二加强件以+／-60度或+／-45度的取向形成。
33.一种形成一体式织造预制件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供两种或更多种织造织物；
使来自第一织造织物的多根纱线与来自第二织造织物的多根纱线交织，所述第一织造织物可相对于所述第二织造织物折叠；
自所述第二织造织物的顶面裁开所述第一织造织物的一部分；和
相对于所述第二织造织物折叠所述第一织物的所述部分以形成所述预制件中的第一离轴加强件，所述第一离轴加强件以除了0和+／-90度之外的方向或角度取向。
34.权利要求33的方法，其还包括以下步骤：
将所述第一织造织物的交织区域的第一侧上的第一部分与所述第一织造织物的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第一方向上的离轴加强筋。
35.权利要求33的方法，其还包括以下步骤：
使来自第三织造织物的多根纱线与来自第二织造织物的多根纱线交织，所述第三织造织物可相对于所述第二织造织物折叠；
自所述第二织造织物的底面裁开所述第三织造织物的一部分；和
相对于所述第二织造织物折叠所述第三织物的所述部分以形成所述预制件中的第二离轴加强件。
36.权利要求35的方法，其还包括以下步骤：
将所述第三织造织物的交织区域的第一侧上的第一部分与所述第三织造织物的交织区域的第二侧上的第一部分一起折叠以形成第二方向上的离轴加强筋。
37.权利要求33的方法，其中所述两种或更多种织物由经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维织造。
38.权利要求37的方法，其中所述经向纤维纹样为选自层叠、正交和角联锁的纹样。
39.权利要求37的方法，其中交织的纱线为经纱。
40.权利要求37的方法，其中交织的纱线为纬纱。
41.权利要求37的方法，其中所述经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯。
42.权利要求35的方法，其中所述第一和第二离轴加强件以+／-60度或+／-45度的取向形成。
43.一种形成纤维强化复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：
形成一体式织造预制件，做法是：
提供两种或更多种织造织物；
使来自第一织造织物的多根纱线与来自第二织造织物的多根纱线交织，所述第一织造织物可相对于所述第二织造织物折叠；
自所述第二织造织物的顶面裁开所述第一织造织物的一部分；和
相对于所述第二织造织物折叠所述第一织物的所述部分以形成所述预制件中的第一离轴加强件，所述第一离轴加强件以除了0和+／-90度之外的方向或角度取向。
44.权利要求43的方法，其还包括以下步骤：
使所述预制件浸渍在基体材料中。
45.权利要求44的方法，其中所述基体材料为树脂，并且所述复合材料由选自树脂传递模塑和化学气相过滤中的工艺形成。
46.权利要求44的方法，其中所述基体材料选自环氧树脂、聚酯、双马来酰亚胺、乙烯基酯、陶瓷和碳。
47.权利要求43的方法，其中所述第一离轴加强件以+／-60度或+／-45度的取向形成。
48.一种形成一体式织造预制件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供两种或更多种织造织物；
在多个独立的区域中使来自第一织造织物的多根纱线与来自第二织造织物的多根纱线交织，所述第一织造织物可相对于所述第二织造织物折叠；
自所述第二织造织物的顶面裁开所述第一织造织物的一部分；和
相对于所述第二织造织物折叠所述第一织物的所述部分使得在所述预制件中第一方向上形成第一加强件，并且将所述第一加强件的一部分折叠以形成所述预制件中第二方向上的第二加强件，所述第一加强件和／或所述第二加强件为以除了0和+／-90度之外的方向或角度取向的离轴加强件。
49.权利要求48的方法，其还包括：
在多个独立的区域中使来自第三织造织物的多根纱线与来自第二织造织物的多根纱线交织，所述第三织造织物可相对于所述第二织造织物折叠；
自所述第二织造织物的顶面裁开所述第三织造织物的一部分；和
相对于所述第二织造织物折叠所述第三织物的所述部分使得在所述预制件中第三方向上形成第三加强件，并且将所述第三加强件的一部分折叠以形成在所述预制件中第四方向上的第四加强件，所述第四加强件为离轴加强件。
50.权利要求48的方法，其中所述两种或更多种织物由经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维织造。
51.权利要求50的方法，其中所述经向纤维纹样为选自层叠、正交和角联锁的纹样。
52.权利要求50的方法，其中交织的纱线为经纱。
53.权利要求50的方法，其中交织的纱线为纬纱。
54.权利要求50的方法，其中所述经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯。
55.权利要求49的方法，其中所述第二加强件和第四加强件以+／-60度或+／-45度的取向形成。
56.一种形成纤维强化复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：
形成一体式织造预制件，做法是：
提供两种或更多种织造织物；
在多个独立的区域中使来自第一织造织物的多根纱线与来自第二织造织物的多根纱线交织，所述第一织造织物可相对于所述第二织造织物折叠；
自所述第二织造织物的顶面裁开所述第一织造织物的一部分；和
相对于所述第二织造织物折叠所述第一织物的所述部分使得在所述预制件中第一方向上形成第一加强件，并且将所述第一加强件的一部分折叠以形成所述预制件中第二方向上的第二加强件，所述第一加强件和／或所述第二加强件为以除了0和+／-90度之外的方向或角度取向的离轴加强件。
57.权利要求56的方法，其还包括以下步骤：
使所述预制件浸渍在基体材料中。
58.权利要求57的方法，其中所所基体材料为树脂，并且所述复合材料由选自树脂传递模塑和化学气相过滤中的工艺形成。
59.权利要求57的方法，其中所述基体材料选自环氧树脂、聚酯、双马来酰亚胺、乙烯基酯、陶瓷和碳。
60.权利要求56的方法，其中所述第一离轴加强件以+／-60度或+／-45度的取向形成。
61.权利要求1的织造预制件，其中所述织造预制件为工字梁。
62.权利要求13的纤维强化复合材料，其中所述纤维强化复合材料为工字梁。
63.权利要求33的方法，其中所述织造预制件为工字梁。
64.权利要求43的方法，其中所述纤维强化复合材料为工字梁。
65.权利要求18的织造预制件，其中所述织造预制件为工字梁。
66.权利要求28的纤维强化复合材料，其中所述纤维强化复合材料为工字梁。
67.权利要求48的方法，其中所述织造预制件为工字梁。
68.权利要求56的方法，其中所述纤维强化复合材料为工字梁。
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