CN103286955A - 一种多形状截面组合的三维预制体 - Google Patents

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Abstract

一种多形状截面组合的三维预制体，三维预制体的截面为异形结构，由四个不同形状的截面顺次连接而成，第一截面为方形，第二截面由收缩形曲面和扩张形曲面构成，第三截面为方形，第四截面为扩张形曲面，该预制体由相同的单胞结构构成，各单胞结构中均包含四向设于体对角线的编织纱，斜向交织形成空间四向结构。采用近净尺寸形状设计的三维异形预制体复合材料替代单一形状尺寸的金属材料，较大幅度地缩小了构件体积，减轻了重量，满足了构件小型化、轻量化的终极指标；采用近净尺寸仿形整体编织成型，较大幅度地减少了二次加工的工作量，节约了生产制造费用，进一步提升了三维异形预制体复合材料的性价比，有助于扩大未来应用领域。

Description

一种多形状截面组合的三维预制体
技术领域
本发明涉及一种三维预制体，具体地说是一种多形状截面组合的三维预制体。
背景技术
在航空航天领域对高性能复合材料新需求的推动下，从20世纪70年代起，三维编织技术得到了迅速发展。采用三维编织预制体增强的复合材料，具有优异的综合力学性能、更高的损伤容限以及卓越的抗烧蚀性能，为复合材料应用于主承力结构件和多功能结构件提供了广阔的前景。
三维编织预制体是复合材料的结构增强骨架，其作用类似于建筑物中的钢结构框架。在复合材料结构成型之前，利用三维编织技术将增强纤维定位分布，形成三维四向结构和预制体。与二维机织预制体相比，三维编织预制体内纤维在三维方向上相互交织，形成一个整体的空间网状结构，因而从结构上强化了复合材料。
文献《异型整体结构复合材料预成型件的编织技术》中介绍了等截面预型件、变截面预型件和局部有特殊要求预型件的编织方法，等截面预型件具体列举了十字接头和螺旋结构件的编织方法，变截面预型件以火箭发动机喷嘴和上下厚度一致的锥体套作为实例，局部有特殊要求的预型件则详细介绍了角部增强的L梁和预留孔的编织步骤。文献中较详细的介绍了三维编织技术的发展应用方向，但仅局限在对单一截面形状的三维预制体编织上，对不同形状截面组合的三维预制体的结构未涉及。
在实际工程中，此类工作面为内型面的构件，大都采用金属铸造的方式生产，为满足后续对内型面加工的需要及铸造过程中的收缩变形，大都把构件设计成相同截面形状、相同壁厚的实体，材料用量大，使得其体积大、重量重，为满足构件减重需要，必须对构件进行近净尺寸设计，使其达到小型化、轻量化的指标要求，为此，对用编织复合材料替代金属材料，用近净尺寸整体异型三维预制体替代单一形状尺寸的预制体提出了迫切需求。
发明内容
本发明的目的是针对传统构件通常采用金属铸造件，由于铸造工艺所限以及后续内型面加工便利性要求，使得铸造构件在尺寸和重量上设计余量大造成重量超重的问题，提出一种多形状截面组合的三维预制体， 
本发明的技术方案是：
一种多形状截面组合的三维预制体，所述三维预制体的截面为异形结构，由四个不同形状的截面顺次连接而成，第一截面为方形，第二截面由收缩形曲面和扩张形曲面构成，第三截面为方形，第四截面为扩张形曲面，该预制体由相同的单胞结构，沿异形芯模外侧仿形编织成型，各单胞结构中均包含四向设置于体对角线的编织纱，四向编织纱斜向交织形成空间四向结构。
本发明的第三截面的方形高度大于第一截面的方形高度。
本发明的三维预制体各段壁厚相同，均为3-30mm，纤维体积百分含量为45-55%。
本发明的三维预制体各段壁厚、纤维体积百分含量相同或相异。
本发明的编织纱的品种为碳纤维、芳纶纤维或高硅氧纤维。
本发明的有益效果：采用近净尺寸形状设计的三维异形预制体复合结构替代单一形状尺寸的金属材料，较大幅度地缩小了构件体积，减轻了重量，满足了构件小型化、轻量化的终极指标；采用近净尺寸仿形整体编织成型，较大幅度地减少了二次加工的工作量，节约了生产制造费用，进一步提升了三维异形预制体复合材料的性价比，有助于扩大未来应用领域。
 
附图说明
图1是本发明的四实体组合结构示意图。
图2是本发明的异型芯模外形示意图。
图3是本发明的三维预制体的单胞结构示意图。
 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示，一种多形状截面组合的三维预制体，所述三维预制体的截面为异形结构，由四个不同形状的截面顺次连接而成，第一截面为方形，第二截面由收缩形曲面和扩张形曲面构成，第三截面为方形，第四截面为扩张形曲面，该预制体由相同的单胞结构，沿异形芯模外侧仿形编织成型，各单胞结构中均包含四向设置于体对角线的编织纱1，四向编织纱1斜向交织形成空间四向结构。
本发明的第三截面的方形高度大于第一截面的方形高度。
本发明的三维预制体各段壁厚相同，均为3-30mm，纤维体积百分含量为45-55%。
本发明的三维预制体各段壁厚、纤维体积百分含量相同或相异。
本发明的编织纱1的品种为碳纤维、芳纶纤维或高硅氧纤维。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种多形状截面组合的三维预制体，其特征是所述三维预制体的截面为异形结构，由四个不同形状的截面顺次连接而成，第一截面为方形，第二截面由收缩形曲面和扩张形曲面构成，第三截面为方形，第四截面为扩张形曲面，该预制体由相同的单胞结构，沿异形芯模外侧仿形编织成型，各单胞结构中均包含四向设置于体对角线的编织纱（1），四向编织纱（1）斜向交织形成空间四向结构。
2.根据权利要求1所述的一种多形状截面组合的三维预制体，其特征是所述的第三截面的方形高度大于第一截面的方形高度。
3.根据权利要求1所述的一种多形状截面组合的三维预制体，其特征是所述的三维预制体各段壁厚相同，均为3-30mm，纤维体积百分含量为45-55%。
4.根据权利要求1所述的一种多形状截面组合的三维预制体，其特征是所述的三维预制体各段壁厚、纤维体积百分含量相同或相异。
5.根据权利要求1-4之一所述的一种多形状截面组合的三维预制体，其特征是所述的编织纱（1）的品种为碳纤维、芳纶纤维或高硅氧纤维。
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