CN102634928B - 整体三维多向结构平顶预制体的制备方法 - Google Patents

Abstract

整体三维多向结构平顶预制体的制备方法，本发明涉及一种三维编织技术，该方法采用三维多向结构，在方型四步法工艺制备平顶基础上，通过“选束引出-补偿引入”纱线制备身部并使平顶和身部整体编织成型，解决现有封顶制备技术中角联锁结构层间力学性能低，顶部和身部采用不同结构和制备工艺对复合及材料性能易造成不利影响等问题。本发明有效提高了平顶及整体力学性能，填补了三维编织技术在平顶预制体上的应用空白，为其在主、次承力结构件上的应用奠定了技术基础。

Description

整体三维多向结构平顶预制体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种三维编织技术，具体是一种顶部和身部均为三维多向结构预制体的整体编织成型方法，属于增强纤维及编织技术领域。

背景技术

中国专利公告号CN1851083，公告日是2006年10月25日，名称为‘封顶三维织物及其织造方法’中公开了一种封顶三维织物及其织造方法，该织物具有顶部和身部由经纱与纬纱一次连续织造完成的不分层的三维整体结构。该专利解决了封顶织物顶部和身部整体制造的难题，相比顶部和身部分开制造再连接成整体的制备方法有显著的进步和优势。不足之处是顶部和身部采用不同结构及制备工艺，特别是顶部采用角联锁结构，该结构只是相邻层两两相连，层间力学性能低，且该结构中经纱弯曲对其经向力学性能影响较大，因此，在顶部力学性能要求高的结构复合材料领域应用限制较大。此外，顶部和身部采用不同结构和制备工艺，不同结构间存在界面问题，界面性能对复合材料的整体性能影响较大。

‘三维编织中纱线的运动规律分析’（文章编号：1000-3851-（2002）02-0071-04）一文中介绍了三维编织复合材料是近年来迅速发展的工程结构复合材料，具有整体性能好，力学性能合理，高的损伤容限和显著的抵抗裂纹扩散的能力，为复合材料应用于主承力结构件提供了广阔的前景。《南京航空航天大学学报》期刊2008年第40卷第2期中‘三维五向矩形编织复合材料的细观结构模型’一文中介绍了三维五向编织复合材料不仅保持了三维四向编织复合材料沿厚度方向良好的力学性能，且显著改善了其面内力学性能，因此，日益受到复合材料学术界和工业界的高度重视。

发明内容

本发明克服了现有封顶技术中角联锁结构层间力学性能低，顶部和身部采用不同结构和制备工艺对复合及材料性能易造成不利影响等问题，采用“选束引出-补偿引入”工艺整体制备三维多向平顶预制体。

本发明的技术方案概述如下：

一种整体三维多向结构平顶预制体的制备方法，包括下列步骤：

1）根据预制体平顶的外形尺寸及纤维体积含量确定携纱器的阵列[m×n]，按总数N准备起始纱线，把每组起始纱线的两端分别固定到第1号、第2号方机行列编号相同的携纱器上；

前述起始纱线为合股纱，由S（S≥2）股同规格的纱束自然捻合形成；

前述携纱器的阵列[m×n]为主体编织纱或轴向纱的行列排布，m为行数、n为列数；

前述起始纱线总数N=编织纱总数+轴向纱总数=（m×n+ m+ n）+（m×n）；

2）从起始纱线纱长的中间位置开始，按第一编织成型方向4（即由起始纱线中间到起始纱线与第1号方机相对应一端的方向），方型四步法工艺编织平顶的前半部分，第1号方机每运动一个机器循环，把其左侧边界携纱器上的起始纱线逐组“选束引出”同一股数的纱束，另在起始纱线外准备新纱束，任取新纱束中的两组，将第一组新纱束的一端“补偿引入”到前述“选束引出”纱束后剩余的纱线中，两者自然捻合后固定到原起始纱线固定的携纱器上，另一端暂不固定留作它用，继而将第二组新纱束沿起始纱线 “选束引出”纱线的起始点回绕固结后一端与起始纱线 “选束引出”的纱束自然捻合成一组纱线，另一端与前述“留作它用”的一端自然捻合成另一组纱线，把上述新组合形成的两组纱线依次固定到第3号方机右半边同一行相邻列的携纱器上；

依次重复循环，直至第1号方机左侧边界携纱器上的起始纱线全部完成“选束引出”操作，继而进行第1号方机右侧“选束引出-补偿引入”操作，方法及步骤同左侧，不同之处是最后新组合形成的两组纱线依次固定到第4号方机左半边同一行相邻列的携纱器上，重复循环，完成预制体平顶前半部分的编织；

改变编织方向，按第二编织成型方向6（即由起始纱线中间到起始纱线与第2号方机相对应一端的方向）编织预制体平顶的后半部分，方法及步骤同前半部分，不同之处是起始编织用方机改为第2号方机，最后新组合形成的四组纱线中的前两组纱线固定到第3号方机左半边同一行相邻列的携纱器上，同时后两组纱线固定到第4号方机右半边同一行相邻列的携纱器上，重复循环，完成平顶后半部分的编织，制备出全部平顶；

前述一个机器循环是指携纱器完成一个循环的四步运动，在预制体编织成型方向形成一个节距的花节；

前述携纱器包括主体纱携纱器和边纱携纱器，主体纱携纱器和边纱携纱器都由编织纱线携纱器和轴向纱携纱器组成；

前述准备的新纱束总数为2 m，其细度同于“选束引出”的纱束；

前述的第1号、第3号、第2号、第4号方机依次按顺时针方向等间距排列；

3）把前述的第1号、第3号、第2号、第4号方机布置成方形或圆形，按四步法方型或圆型编织工艺制备身部。

前述的“选束引出”工艺每次引出的纱束股数为S-1（S≥2），“引入”工艺每次引入的纱束股数也为S-1（S≥2），“选束引出-引入”后纱线的细度和起始纱线保持一致。

3. 采用本发明编织的平顶预制体身部上、下部分的周长、厚度等外形尺寸相同或不同。

4. 采用本发明编织的平顶预制体为三维四向或四向以上结构；采用四步法方型或圆型编织工艺。

5. 采用本发明编织的平顶预制体顶部为平顶，身部为方柱形、圆柱形、截锥形或锥台形，平顶预制体为顶部和身部的组合。

6. 采用本发明进行平顶预制体编织用纱线为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维或金属纤维等其它高性能纤维。

本发明所采用的方型和圆型四步法工艺为三维编织技术的已知编织方法，以四步为一个编织循环。

本发明所采用的方机是指三维编织设备底盘的形状为方形，为现有技术，该方机的结构型式分行列结构和角轮结构两种，本发明采用的方机是行列结构。

本发明所制备的平顶预制体身部上、下部分周长变化通过增减携纱器列数，壁厚变化通过增减携纱器行数予以实现，行列数增减工艺为三维编织领域的已知技术。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

顶部和身部均采用三维多向结构并整体编织成型，不仅丰富了封顶预制体的制备工艺，且破解了顶部和身部采用不同结构及制备工艺造成的界面问题，有效提高了顶部及整体力学性能。

本发明可应用于三维多向结构整体平顶预制体的制备，填补了三维编织技术在整体封顶预制体上的应用空白，有效提高了顶部及整体力学性能，为其在主、次承力结构件上的应用奠定了技术基础。

附图说明

图1-1为本发明中方型四步法三维四向编织工艺的携纱器排布及运动规律示意图；

图1-2为本发明中方型四步法三维五向编织工艺的携纱器排布及运动规律示意图；

图2-1为本发明制备的方管型三维多向整体平顶预制体形状示意图；

图2-2为本发明制备的圆管型三维多向整体平顶预制体形状示意图；

图2-3为本发明制备的圆台型三维多向整体平顶预制体形状示意图；

图2-4为本发明制备的棱台型三维多向整体平顶预制体形状示意图；

图3-1为本发明制备的三维四向结构预制体表面纹理示意图；

图3-2为本发明制备的三维五向结构预制体表面纹理示意图；

图3-3为本发明制备的三维六向结构预制体表面纹理示意图；

图3-4为本发明制备的三维七向结构预制体表面纹理示意图；

图4-1为本发明中方型预制体编织用方机的平面布置示意图；

图4-2为本发明中圆型预制体方机的平面布置示意图；

图5为本发明中平顶的制备工艺示意图；

图6为本发明中“选束引出-补偿引入”工艺示意图；

图7为本发明制备的三维四向方管型整体平顶预制体尺寸及形状示意图；

图8为本发明制备的三维五向圆台型整体平顶预制体尺寸及形状示意图；

图9为本发明制备的三维五向圆台型整体平顶预制体加纱用方机的平面布置示意图。

图1中，“○”表示编织纱线携纱器，“×”表示轴向纱携纱器；“→”、“←”、“↑”、“↓”表示编织纱线携纱器的运动方向；（a）为原始状态，（b）为第一步，（c）为第二步，（d）为第三步，（e）为第四步；

图3-2中，纵向虚线表示三维五向的第五向轴向纱。

图3-3中，纵向虚线表示三维六向的第五向轴向纱，横向虚线表示三维六向的第六向周向纱。

图3-4中，纵向虚线表示三维七向的第五向轴向纱，横向虚线表示三维七向的第六向周向纱，小粗点表示三维七向的第七向法向纱。

图4-1中，方形虚线表示用于方型预制体编织成型的方型编织环，“○”表示编织纱线携纱器，1#、2#、3#、4#分别表示第1号方机、第2号方机、第3号方机、第4号方机，“L”表示方机左侧、“R”表示方机右侧。

图4-2中，圆形虚线表示用于圆型预制体编织成型的圆型编织环，“○”表示编织纱线携纱器，1#、2#、3#、4#分别表示第1号方机、第2号方机、第3号方机、第4号方机，“L”表示方机左侧、“R”表示方机右侧。

图5 中，虚线所示为平顶上半部和下半部的分界线，“ 

 ”和“

 ”表示“选束引出-补偿引入”的纱线。

图6中，“ ↗ ”表示“选束引出-补偿引入”工艺中引出、引入纱线的方向，新组合形成的两组纱线为（3-1）（5-2）和（5-1）（5-2）。

图9中，“JS1#”、“JS2#”、“JS3#”、“JS4#”分别表示1号加纱方机、2号加纱方机、3号加纱方机、4号加纱方机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

用T300碳纤维3K两股合股，四步法工艺编织一件三维四向方管型整体封顶预制体（参见图2-1）。预制体芯模尺寸：106×62×150mm³（a×b×h），壁厚为5 mm，纤维体积含量为50%。其制备方法如下：

（1）编织工艺参数设计：根据预制体的周长和纤维体积含量设计编织工艺参数，编织纱（三维四向结构全部为编织纱线携纱器，无轴向纱携纱器）[m×n]= 8×324（边长a面的列数为102列，长度b对应列数为64列），母向花节长度为42.8mm/10个花节，周向花节长度为22.6mm/10个花节。

（2）制备预制体平顶1：

计算起始纱线总数N=编织纱总数= m×n+ m+ n=8×324+8+324=2924组

把每组起始纱线3的两端分别固定到第1号、第2号方机行列编号相同的携纱器上，参见图1-1、图4-1、图5；

从起始纱线3纱长的中间位置开始，按第一编织成型方向4，方型四步法工艺编织预制体平顶1的前半部分，参见图5，第1号方机每运动一个机器循环，参见图4-1，把其左侧边界携纱器上的起始纱线3（对应编织成型平顶两侧边7中的左侧边）逐组“选束引出”同一股数的纱束（3-1），细度为3K，另在起始纱线3外准备新纱束，总量为2 m（本实施例中m=8行）即16组，细度为3K，任取其中两组（5-1）、（5-2），将第一组新纱束（5-1）（细度为3K）的一端“补偿引入”到前述“选束引出”纱束后剩余的纱线（3-2）中，两者自然捻合成6K后固定到原起始纱线3固定的携纱器上，另一端暂不固定留作它用，继而将第二组新纱束（5-2）（细度为3K）沿起始纱线3“选束引出”纱线的起始点回绕固结后一端与起始纱线3“选束引出”的纱束（3-1）（细度为3K）自然捻合成一组纱线，细度为6K，另一端与前述“留作它用”的一端（细度为3K）自然捻合成另一组纱线，细度为6K，参见图6，把上述新组合的两组纱线依次固定到第3号方机右半边的同一行相邻列携纱器上，参见图4-1；

依次重复循环，直至第1号方机左侧边界携纱器上的起始纱线3全部完成“选束引出”操作，继而进行第1号方机右侧“选束引出-补偿引入”操作，方法及步骤同左侧，不同之处是最后新组合形成的两组纱线依次固定到第4号方机左半边同一行相邻列的携纱器上，参见图4-1，重复循环，完成预制体平顶前半部分的编织，参见图5；

改变编织方向，按第二编织成型方向6编织预制体平顶1的后半部分，参照图5，方

法及步骤同前半部分，不同之处是起始编织用方机改为第2号方机，最后新组合形成的共四组纱线分别固定到第3号方机左半边、第4号方机右半边同一行相邻列的携纱器上，参见图4-1，重复循环，完成平顶后半部分的编织，制备出全部预制体平顶1，参见图5；

前述的第1号、第3号、第2号、第4号方机依次按顺时针方向等间距排列；

（3）制备身部：把前述的第1台、第3台、第2台、第4台方机布置成方形，参见图4-1，按四步法方型编织工艺制备方管型的身部2，参见图2-1、图7，由于身部为直柱形，上下部分周长和壁厚没有变化，故不需要加、减纱操作，重复循环编织到身部要求的长度尺寸150mm，剪切下样即完成方管型三维四向整体封顶预制体的制备。

实施例2：

用B型石英纱195Tex两股合股，四步法工艺编织一件三维五向圆锥型平顶预制体（参见图2-3）。预成型体芯模尺寸：顶部Φ_X=48mm，身部Φ48mm×Φ144 mm×300mm（Φ_X×Φ_D×h_S），壁厚为5 mm，纤维体积含量为50%，参见图8。其制备方法如下：

（1）编织工艺参数设计：根据平顶预制体的外周长和纤维体积含量设计编织工艺参数，顶部：编织纱[m×n]= 10行×152列，轴向纱为10行×152列，母向花节长度为20mm/10个花节，周向花节长度为20mm/10个花节；身部：编织纱[m×n]= 10行×452列，轴向不动纱为10行×452列，参见图1-2、图4-2；母向花节长度为30mm/10个花节，周向花节长度为20mm/10个花节。

（2）制备预制体平顶1：

计算起始纱线总数N=编织纱总数+轴向纱总数=（m×n+ m+ n）+（m×n）=（10行×152列+10行+152列）+（10行×152列）=3202组

把每组起始纱线3（包括编织纱线和轴向纱）的两端分别固定到第1号、第2号方机行列对应的携纱器上，参见图4-2、图5；从起始纱线3纱长的中间位置开始，按第一编织成型方向4，方型四步法工艺编织圆锥型预制体平顶1的前半部分，参见图5：

① 对第1号方机左侧边界编织纱线实施“选束引出-补偿引入”操作

参见图1-2、图4-2，第1号方机每运动一个机器循环，把其左侧边界起始编织纱线（对应编织成型平顶预制体两侧边7中的左侧面）逐组“选束引出” 195Tex的纱束（3-1），共10组，另准备新纱束，总量为2 m（本实施例中m=10行）即20组，细度为195Tex，任取其中两组（5-1）、（5-2），将第一组新纱束（5-1）（细度为195Tex）的一端“补偿引入”到前述“选束引出”纱束后剩余的纱线（3-2）中，两者自然捻合成390Tex后固定到原起始编织纱线固定的携纱器上，另一端暂不固定留作它用，继而将第二组新纱束（5-2）（细度为195Tex）沿起始编织纱线“选束引出”纱线的起始点回绕固结后一端与起始编织纱线“选束引出”的纱束（3-1）（细度为195Tex）自然捻合成一组纱线，细度为390Tex，另一端与前述“留作它用”的一端（细度为195Tex）自然捻合成另一组纱线，细度为390Tex，参见图6，把上述新组合的两组纱线依次固定到第3号方机右半边同一行相邻列的编织纱线携纱器上，参见图4-2，重复循环直至10组编织纱线逐一完成“选束引出”操作。

② 对第1号方机左侧边界轴纱实施“选束引出-补偿引入”操作

参照图1-1的轴向纱布置规律，轴向纱进行“选束引出”的总组数也为10组，操作方法同步骤①，不同之处是最后需固定到与编织纱线携纱器相邻的轴向纱携纱器上。

③ 对第1号方机右侧边界编织纱线和轴向纱实施“选束引出-补偿引入”操作

操作步骤基本与步骤①②相同，不同之处是最后新组合形成的两组纱线分别固定到第4号方机左半边同一行相邻列的编织纱线携纱器和轴纱携纱器上，重复步骤①②③循环，完成预制体平顶的前半部分编织，参见图5、图8。

④ 改变编织方向，按第二编织成型方向6编织圆锥型预制体平顶1的后半部分，参见图5、图8，操作步骤基本同前半部分，不同之处是起始编织用方机改为第2号方机，最后新组合形成的共四组纱线分别固定到第3号方机左半边、第4号方机右半边同一行相邻列的携纱器上，重复循环，完成平顶后半部分的编织，制备出全部预制体平顶1；

前述的第1号、第3号、第2号、第4号方机依次按顺时针方向等间距排列；

（3）制备身部：把前述的第1台、第3台、第2台、第4台方机布置成圆形，按四步法圆型编织工艺制备圆锥型平顶预制体的身部2，参照图2-3、图4-2、图8，由于身部为圆锥型，下部分周长＞上部分周长，为保证预制体纤维体积含量上、下一致，由上部分编织到下部分要增加纱线，又上、下部分壁厚不发生变化，故只增加列数就可满足要求，设计加纱规律：1次/机器循环，共加纱100次，第一次编织纱加22锭，不动纱加20锭，下一次运动纱加44锭，不动纱加40锭，在圆周上增设四台方机用于加纱，采取四台加纱方机同时加纱的方法，增加的纱线按由左向右的顺序固定到加纱方机的携纱器上，先固定编织纱线，再固定轴向纱线，参照图1-2、图4-2、图9，依此循环直至增加到452列编织纱和452列轴向纱，编织到身部的长度尺寸300mm，剪切下样即完成圆锥型三维五向平顶预制体的制备。

前述编织圆锥型预制体身部时采取的圆周均布定点加纱方法为三维编织加纱技术中的已知技术，其加纱规律根据预制体的外形尺寸变化可设计。

注：

1. 每组起始纱线由S股纤维束组成，每股纤维束再由多根纤维单丝组成，单丝的组成数量及捻度在纤维出厂时已确定。

2. 纤维细度的计量单位，为方便表征本发明中石英纤维采用特克斯（Tex），碳纤维采用K数（1K即有1000根单丝构成的单根纤维）。

Claims (6)

1.一种整体三维多向结构平顶预制体的制备方法，其特征是包括下列步骤：

1）根据预制体平顶（1）的外形尺寸及纤维体积含量确定携纱器的阵列[m×n]，按总数N准备起始纱线（3），把每组起始纱线（3）的两端分别固定到第1号、第2号方机行列编号相同的携纱器上；

前述起始纱线为合股纱，由S（S≥2）股同规格的纱束自然捻合形成；

前述携纱器的阵列[m×n]为主体编织纱或轴向纱的行列排布，m为行数、n为列数；

前述起始纱线总数N=编织纱总数+轴向纱总数=（m×n+ m+ n）+（m×n）；

2）从起始纱线（3）纱长的中间位置开始，按第一编织成型方向（4），方型四步法工艺编织预制体平顶（1）的前半部分，第1号方机每运动一个机器循环，把其左侧边界携纱器上的起始纱线（3）逐组“选束引出”同一股数的纱束（3-1），另在起始纱线（3）外准备新纱束，任取新纱束中的两组，将第一组新纱束（5-1）的一端“补偿引入”到前述“选束引出”纱束后剩余的纱线（3-2）中，两者自然捻合后固定到原起始纱线（3）固定的携纱器上，另一端暂不固定留作它用，继而将第二组新纱束（5-2）沿起始纱线（3）“选束引出”纱线的起始点回绕固结后的一端与起始纱线（3）“选束引出”的纱束（3-1）自然捻合成一组纱线，另一端与前述“留作它用”的一端自然捻合成另一组纱线，把上述新组合形成的两组纱线依次固定到第3号方机右半边同一行相邻列的携纱器上；

依次重复循环，直至第1号方机左侧边界携纱器上的起始纱线（3）全部完成“选束引出”操作，继而进行第1号方机右侧“选束引出-补偿引入”操作，方法及步骤同左侧，不同之处是最后新组合形成的两组纱线依次固定到第4号方机左半边同一行相邻列的携纱器上，重复循环，完成预制体平顶前半部分的编织；

改变编织方向，按第二编织成型方向（6）编织预制体平顶（1）的后半部分，方法及步骤同前半部分，不同之处是起始编织用方机改为第2号方机，最后新组合形成的四组纱线中的前两组纱线固定到第3号方机左半边同一行相邻列的携纱器上，同时后两组纱线固定到第4号方机右半边同一行相邻列的携纱器上，重复循环，完成平顶后半部分的编织，制备出全部预制体平顶（1）；

前述一个机器循环是指携纱器完成一个循环的四步运动，在预制体编织成型方向形成一个节距的花节；

前述携纱器包括主体纱携纱器和边纱携纱器，主体纱携纱器和边纱携纱器都由编织纱线携纱器和轴向纱携纱器组成；

前述准备的新纱束总数为2 m，其细度同于“选束引出”的纱束（3-1）；

前述的第1号、第3号、第2号、第4号方机依次按顺时针方向等间距排列；

3）把前述的第1号、第3号、第2号、第4号方机布置成方形或圆形，按四步法方型或圆型编织工艺制备身部（2）。

2.根据权利要求1所述的整体三维多向结构平顶预制体的制备方法，其特征是所述的“选束引出”工艺每次引出的纱束股数为S-1（S≥2），“引入”工艺每次引入的纱束股数也为S-1（S≥2），“选束引出-引入”后纱线的细度和起始纱线保持一致。

3.根据权利要求1所述的整体三维多向结构平顶预制体的制备方法，其特征是所述的预制体身部上、下部分的周长、厚度外形尺寸相同或不同。

4.根据权利要求1所述的整体三维多向结构平顶预制体的制备方法，其特征是所述的预制体为三维四向或四向以上结构；采用四步法方型或圆型编织工艺。

5.根据权利要求1所述的整体三维多向结构平顶预制体的制备方法，其特征是，所述的预制体顶部为平顶，身部为方柱形、圆柱形、截锥形或锥台形，平顶预制体为顶部和身部的组合。

6.根据权利要求1或2所述的整体三维多向结构平顶预制体的制备方法，其特征是编织用纱线为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维或金属纤维等其它高性能纤维。

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