CN103317733A - 仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮及其制造方法。本发明的车厢蒙皮包括贯穿复合材料周向、径向、轴向的六组纱线系统。其特征在于编织纱线沿芯模轴向均匀排列于各层；缠绕纱线沿芯模周向逐层进行缠绕，并与编织纱线逐层交织，形成层层交织联锁结构；轴向和周向加强筋纱线于缠绕编织层间所夹持；周向和轴向接结纱线分别沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。本发明的制备方法基于蚕茧的缠绕编织原理，主要步骤包括：1）制备芯模；2）纱线布置；3）缠绕编织；4）复合固化。本发明的复合材料车厢蒙皮具有整体性好、质量轻、抗起皱、耐冲击等优异性能，应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。

Description

仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种车厢蒙皮及其制造方法，特别涉及一种仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮及其制造方法，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中，属于工程材料制备领域。

背景技术

现代铁路的趋势是追求高速、高舒适率和高经济效益。最近，江雷等（中国专利:201110209112.4、中国专利:201110242739、中国专利:201110242755.9）提出了带有仿机翼的空气动力悬浮列车，该列车的机车和每节车厢的顶部分别安装有仿制飞机的机翼结构的仿机翼。通过与列车相对运动的气流作用于仿机翼结构而产生上抬力，从而减少列车对铁轨的压力。车厢的蒙皮结构对该高速列车的高速行驶起着防护和增强强度等至关重要的作用。目前，高速列车的车厢蒙皮结构一般采用金属材料和玻璃钢材料，如镀锌板钢板、铝合金材料、FRP板，现有蒙皮结构在与钢骨架焊接过程中会出现气孔、焊缝不良，蒙皮易发生咕泡等缺陷，使列车在高速行驶过程中很容易发生脆性断裂、损伤和腐蚀。同时，金属材料由于自身重量较大，也严重影响了高速列车运行中速度的提高。

蚕茧结构，具有轻质高强的优异力学特性，借助于蚕茧的缠绕编织原理，制备仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，并运用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢，是本发明的目的所在。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种仿蚕茧缠绕编织结构的碳纤维增强复合材料车厢蒙皮及其制备方法，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车。该复合材料车厢蒙皮整体性好，质量轻、结构的稳定性、抗冲击、抗疲劳等力学性能都得到显著增强。该制备方法工艺简单，环境污染小，生产效率高，成本相对较低。

本发明解决所述仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮技术问题的技术方案如下：

本发明设计的一种仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，包括贯穿复合材料周向、径向、轴向三个方向的六组纱线系统：编织纱线、缠绕纱线、轴向加强筋纱线、周向加强筋纱线、周向接结纱线、轴向接结纱线。其特征在于编织纱线沿芯模轴向均匀排列于各层，缠绕纱线沿芯模周向逐层进行缠绕，同时，与编织纱线逐层进行交织，形成层层交织联锁结构，纱线交织叠加构成织物厚度；轴向和周向加强筋纱线均不参与交织，于缠绕纱线与编织纱线交织构成的缠绕编织层间所夹持；周向和轴向接结纱线分别沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。

本发明的进一步特征是：所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。

本发明的特征还在于：所述车厢蒙皮外形尺寸的长度为0-28米，高度为0-3.5米、宽度为0-3.5米、厚度为0-0.030米；所述车厢蒙皮的纤维体积含量为30%-70%。

本发明的特征还在于：所述复合材料增强体的原材料选用碳纤维T300系列，3k、6k、9k、12k中的一种或几种混合使用；或选用凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维等中的一种。树脂基体材料采用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂或不饱和树脂中的一种。

本发明的特征还在于：所述复合材料车厢蒙皮的横截面形状为具有圆形倒角的正方形环、矩形环、圆环形、椭圆环形或其它几何形状的环形。

本发明的特征还在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构为长纤维连续增强。

本发明的特征还在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构包括缠绕结构、编织结构、加强筋结构和接结结构。

本发明的特征还在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构是基于内衬芯模层缠绕编织而成，所述的内衬芯模是由木材、橡胶、塑料等非金属材料制成。

本发明的特征还在于：所述的编织纱线沿内衬芯模轴向均匀排列于各层，编织纱线沿机器底盘的径向来回运动，与缠绕纱线按照设计规律逐层相互交织。

本发明的特征还在于：所述的缠绕纱线，沿芯模周向由编织纱线的最外表面层向最内表面层逐层进行缠绕，与编织纱线交织叠加，形成层层交织联锁结构，构成制件径向厚度；纤维缠绕角约为90°。所述的纤维缠绕角是指缠绕纱线与芯模轴向的夹角。

本发明的特征还在于：所述的缠绕纱线与每一层的编织纱线均有相互交织；缠绕纱线与编织纱线交织，构成缠绕编织层。

本发明的特征还在于：所述的缠绕纱线与编织纱线的交织结构为多层。所述的多层为10层以上。

本发明的特征还在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构还包括周向加强筋纱线系统和轴向加强筋纱线系统，周向和轴向加强筋纱线均不参与交织，均匀地夹持在缠绕编织层之间。

本发明的特征还在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构还包括周向接结纱线系统和轴向接结纱线系统，周向接结纱线系统沿周向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。轴向接结纱线系统沿轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交或斜交接结组织结构。

本发明的特征还在于：所述的接结纱线系统接结的位置、密度可以进行任意调节。

本发明的特征还在于：所述的缠绕纱线与编织纱线的各层缠绕编织完毕，同时，周向和轴向加强筋均匀夹持在各缠绕编织层中，且接结纱线沿周向和轴向均进行接结，构成一个缠绕编织循环。

本发明的特征还在于：在不同缠绕编织循环内，缠绕纱线与编织纱线缠绕交织的织物组织结构可以相同，也可以不同。

本发明的特征还在于：所述的复合材料车厢蒙皮的壁厚等厚，结构均匀，横截面尺寸，沿复合材料长度方向不变。

本发明的特征还在于：所述的整体复合材料车厢蒙皮采用大型热压罐进行复合固化成型。所述的热压罐外形尺寸为30-35米，直径为5.5米；可控温度范围为室温到300℃，最大压力水平可达到7个大气压。

所述仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮的制备方法，其特征在于按如下步骤进行制备：

1）制备非金属材料芯模；

设计与制备非金属材料芯模，芯模外形的形状和尺寸大小与所制备的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮内表面的外形和尺寸大小相同。

2）纱线布置；

a)确定纱线系统的原材料。

确定编织纱线、缠绕纱线、轴向加强筋纱线、周向加强筋纱线、周向接结纱线、轴向接结纱线的原材料。

b)布置编织纱线系统。

首先确定编织机器底盘上编织纱线的总数目；确定编织纱线沿径向的层数和沿周向的列数；并根据编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，在编织机器底盘上，进行编织纱线携纱器沿径向层排和周向列排的初始排列，并布置编织纱线。

c)布置轴向和周向加强筋纱线系统。

所述轴向加强筋纱线的位置、数量可根据设计要求进行任意调整，因此，首先确定轴向加强筋纱线的加入位置和加入数量。待确定好轴向加强筋纱线的加入位置，加入数量后，轴向加强筋纱线由机器底盘上轴向加强筋纱线携纱器所携带，布置于编织纱线携纱器之间。

所述周向加强筋纱线的位置、数量可根据设计要求进行任意调整，因此，首先，确定周向加强筋纱线的位置和加入数量。待确定好轴向加强筋纱线的加入位置，加入数量后，将周向加强筋纱线缠绕于周向加强筋纱线导纱装置上，并由引纱装置于空中喂入沿芯模的周向进行布置。

d)布置缠绕纱线系统。

在不同的缠绕编织循环中，缠绕纱线与编织纱线交织的织物组织结构可以相同，也可以不同。因此，确定在不同的缠绕编织循环中，缠绕纱线与编织纱线交织的织物组织结构，将缠绕纱线系统缠绕于缠绕纱线导纱装置上，由导纱装置携带缠绕纱线系统，并于空中编织纱线层间喂入，沿芯模周向与编织纱线进行缠绕编织。

e）布置周向和轴向接结纱线系统。

将周向接结纱线缠绕于周向接结纱线导纱装置上，由导纱装置携带喂入周向接结纱线系统，贯穿织物厚度沿芯模周向进行接结。将轴向接结纱线缠绕于轴向接结纱线导纱装置上，由导纱装置携带喂入轴向接结纱线系统，贯穿织物厚度沿芯模轴向进行接结。所述的周向和轴向接结纱线系统接结的位置、密度可以进行任意调节。

3）缠绕编织；

a）编织纱线。

编织纱线由编织机器底盘上编织纱线携纱器所携带，编织纱线携纱器沿径向层来回错动，与沿周向缠绕的缠绕纱线进行交织。编织纱线与缠绕纱线每进行一层缠绕交织，编织纱线携纱器在编织机器底盘上沿径向层进行一次运动，其运动规律可以相同，也可以不同。不同周向列的编织纱线携纱器沿径向层移动的层数位置由编织纱线与缠绕纱线交织的组织结构所决定。

b）缠绕纱线。

基于芯模表面，缠绕纱线沿芯模的周向，由编织纱线的最外表面层向最内表面层逐层进行缠绕。确定编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，缠绕纱线在逐层缠绕的过程中，与各层的编织纱线按设计好的织物组织结构交织叠加，形成层层交织联锁结构，构成制件径向厚度。纱线在缠绕过程中的纱线缠绕角约为90°。所述的纱线缠绕角是指缠绕纱线与芯模轴向之间形成的夹角。

c）轴向和周向加强筋纱线。

轴向加强筋纱线由轴纱携纱器所携带，在编织机器底盘沿径向层和周向列都不参与运动，因此，轴向加强筋纱线不参与交织，均匀的夹持在编织纱线和缠绕纱线交织构成的缠绕编织层之间。

缠绕纱线与编织纱线由最外层向最内层交织，每交织完一层，周向加强筋纱线由导纱装置喂入，沿周向由缠绕编织层的最外层向最内层逐层进行缠绕加强。周向加强筋纱线也不参与交织，均匀的夹持在编织纱线和缠绕纱线交织构成的缠绕编织层之间。

d）周向和轴向接结纱线。

缠绕纱线与编织纱线由最外层向最内层交织结束，同时，周向和轴向加强筋纱线也均匀的夹持在各缠绕编织层中，接着，周向接结纱线沿芯模周向，贯穿织物厚度进行接结，将织物各层沿周向接结成一个整体，周向接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交或斜交接结组织结构。轴向接结纱线，则沿芯模轴向，贯穿织物厚度进行接结，将织物各层沿轴向接结成一个整体，轴向接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交或斜交接结组织结构。

按照如此步骤，当缠绕纱线与编织纱线的各层缠绕编织完毕，同时，周向和轴向加强筋均匀的夹持在各缠绕编织层中，且接结纱线沿周向和轴向均进行接结，构成一个缠绕编织循环。不断的周期循环织造，直至达到所需的织物长度，完成整个缠绕编织过程，获得仿蚕茧编织结构的复合材料车厢蒙皮预成型件。

4）复合固化。

从芯模上取下仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮预成型件，对预成型件进行崩直张拉，克服在编织缠绕过程中产生的纱线松紧不一的状况。将缠绕编织好的复合材料预成型件，注入树脂，使预成型件充分浸渍树脂后，采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中进行复合固化。树脂复合固化成型后，即得到本发明的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明设计的一种仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，采用碳纤维增强树脂复合材料成型，质量轻，大大提高了结构的承载效率；本发明采用的仿蚕茧缠绕编织结构，包括贯穿复合材料周向、径向、轴向的六组纱线系统，结构的稳定性、抗压、抗冲击等性能都得到显著增强；编织纱线与缠绕纱线按照设计规律相互交织，形成层层联锁的多层密实结构，具有很强的性能可控设计性，而接结纱线沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体，从根本上克服了传统铺层、层合复合材料易分层的致命缺点，显示出很强的整体性；此外，由于大量加强筋纱线系统的加入，使得复合材料沿周向和轴向的力学性能也得到了显著的提高。总之，本发明的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮具有整体性好，质量轻、抗起皱、耐冲击、损伤容限高和抗疲劳等优异性能。该复合材料结构还能够适用于航空航天、航海、国防装备等多类高新技术产品领域。

在申请人检索的范围内，本发明的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮及其制备方法还未见相关文献报道。

附图说明

图1为带有仿机翼的空气动力悬浮列车示意图。

图2为复合材料车厢蒙皮的示意图。

图3本发明的仿蚕茧缠绕编织结构的横截面示意图。

图4为本发明的仿蚕茧缠绕编织结构复合材料缠绕编织方法的示意图。

图5为本发明的机器底盘携纱器的运动规律示意图。

图6为本发明的缠绕纱线的缠绕运动规律图。

图7为本发明的缠绕纱线与编织纱线的层层缠绕编织结构图。

图8为本发明的轴向加强筋和周向加强筋结构示意图。

图9为本发明的轴向接结纱线贯穿织物厚度沿轴向接结结构示意图。

1-带有仿机翼的空气动力悬浮列车；2-仿机翼；3-列车车厢；4-外层蒙皮；5-内层蒙皮；6-编织纱线；7-缠绕纱线；8-轴向加强筋纱线；9-周向加强筋纱线；10-周向接结纱线；11-轴向接结纱线；12-芯模；13-预成型件；14-编织机器底盘；15-编织纱线携纱器；16-轴向加强筋纱线携纱器；

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。

图1为带有仿机翼的空气动力悬浮列车示意图，图2为复合材料车厢蒙皮的示意图，车厢蒙皮由外层蒙皮4和内层蒙皮5组成。

图3为本发明提供的一种仿蚕茧缠绕编织结构的横截面示意图。它包括贯穿复合材料周向、径向、轴向三个方向的六组纱线系统：编织纱线6、缠绕纱线7、轴向加强筋纱线8、周向加强筋纱线9、周向接结纱线10、轴向接结纱线11。其特征在于编织纱线沿芯模12轴向均匀排列于各层，缠绕纱线沿芯模周向逐层进行缠绕，同时，与编织纱线逐层进行交织，形成层层交织联锁结构，纱线交织叠加构成织物厚度；加强筋纱线不参与交织，由缠绕纱线与编织纱线交织的纱线缠绕编织层间所夹持；接结纱线沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。

本发明同时设计了所述仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮的制备方法，其特征在于按如下步骤进行制备：

1）制备非金属材料芯模；

图4为仿蚕茧缠绕编织结构复合材料缠绕编织方法的示意图。首先设计与制备非金属材料芯模12，芯模尺寸的大小与所制备的复合材料内表面的尺寸相同。

2）纱线布置；

a)确定纱线系统的原材料。

确定编织纱线6、缠绕纱线7、轴向加强筋纱线8、周向加强筋纱线9、周向接结纱线10、轴向接结纱线11的原材料。

b)布置编织纱线系统。

参见图4，编织纱线6由编织机器底盘14的编织纱线携纱器15所携带，因此，首先确定编织机器底盘14上编织纱线的总数目；确定编织纱线6沿径向的层数和沿周向的列数；并根据编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，在编织机器底盘14上，进行编织纱线携纱器15沿径向层排和周向列排的初始排列，并布置编织纱线6。

c)布置轴向和周向加强筋纱线系统。

参见图4，轴向加强筋纱线8由编织机器底盘14上的轴向加强筋纱线携纱器16所携带，所述轴向加强筋纱线8的位置、数量可根据设计要求进行任意调整。因此，首先确定轴向加强筋纱线8的位置，如：不同径向层编织纱线之间，或不同周向列编织纱线之间。确定轴向加强筋纱线8的数量。如：与编织纱线的加入比例为1:1,1:2等。确定好轴向加强筋纱线5的加入位置，加入数量后，轴向加强筋纱线8由编织机器底盘14上轴向加强筋纱线携纱器16所携带，布置于编织纱线携纱器之间。

参见图8，周向加强筋纱线9于空中由周向加强筋纱线引纱装置携带，并于纱线的缠绕编织层间喂入。所述周向加强筋纱线的位置、数量可根据设计要求进行任意调整。因此，首先确定周向加强筋纱线的位置，如：几个缠绕编织循环后，加入一组周向加强筋纱线。确定周向加强筋纱线的数量，如：一个缠绕编织循环内，加入的周向加强筋纱线与缠绕编织层数的比例为1:1,1:2等。将周向加强筋纱线6缠绕于周向加强筋纱线导纱装置上，并由引纱装置于空中沿芯模的周向进行布置。

d)布置缠绕纱线系统。

缠绕纱线7于空中由缠绕纱线引纱装置携带，并于编织纱线层间喂入，沿芯模周向与编织纱线缠绕编织。在不同的缠绕编织循环中，缠绕纱线与编织纱线交织的织物组织结构可以相同，也可以不同。因此，确定不同缠绕编织循环中，缠绕纱线与编织纱线交织的织物组织结构，将缠绕纱线7缠绕于缠绕纱线引纱装置上，于编织纱线层间喂入，与编织纱线进行缠绕编织。

e）布置周向和轴向接结纱线系统。

将周向接结纱线10缠绕于周向接结纱线导纱装置上，由导纱装置携带喂入周向接结纱线系统，贯穿织物厚度沿芯模周向进行接结。

将轴向接结纱线11缠绕于轴向接结纱线导纱装置上，由导纱装置携带喂入轴向接结纱线系统，贯穿织物厚度沿芯模轴向进行接结。

所述的周向和轴向接结纱线系统接结的位置、密度可以进行任意调节。

3）缠绕编织；

a）编织纱线。

编织纱线6由编织机器底盘14上编织纱线携纱器15所携带，其具体的运动方式，参见图5，编织纱线携纱器15沿径向层来回错动，与沿周向缠绕的缠绕纱线进行交织。编织纱线与缠绕纱线每进行一层缠绕交织，编织纱线携纱器15在编织机器底盘14上沿径向层进行一次运动，其运动规律可以相同，也可以不同。不同周向列的编织纱线携纱器沿径向层移动的层数位置由编织纱线与缠绕纱线交织的组织结构所决定。

b）缠绕纱线。

基于芯模12表面，缠绕纱线7沿芯模12的周向，由编织纱线的最外表面层向最内表面层逐层进行缠绕，参见图6所示。确定编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，缠绕纱线在逐层缠绕的过程中，与各层的编织纱线按设计好的织物组织结构交织叠加，形成层层交织联锁结构，构成制件径向厚度，图7为缠绕纱线与编织纱线交织构成的层层缠绕编织结构图。纱线在缠绕过程中的纱线缠绕角约为90°。所述的纱线缠绕角是指缠绕纱线与芯模轴向之间形成的夹角。

c）轴向和周向加强筋纱线。

轴向加强筋纱线8由轴纱携纱器16所携带，在编织机器底盘14沿径向层和周向列都不参与运动，因此，轴向加强筋纱线不参与交织，均匀的夹持在编织纱线和缠绕纱线交织构成的缠绕编织层之间，参见图8。

缠绕纱线与编织纱线由最外层向最内层交织，每交织完一层，周向加强筋纱线由导纱装置喂入，沿周向由缠绕编织层的最外层向最内层逐层进行缠绕加强。周向加强筋纱线也不参与交织，均匀的夹持在编织纱线和缠绕纱线交织构成的缠绕编织层之间，参见图8。

d）周向和轴向接结纱线。

缠绕纱线与编织纱线由最外层向最内层交织结束，同时，周向和轴向加强筋纱线也均匀的夹持在各缠绕编织层中，接着，周向接结纱线10，沿芯模周向，贯穿织物厚度进行接结，将织物各层沿周向接结成一个整体，参见图3所示。轴向接结纱线11，则沿芯模轴向，贯穿织物厚度进行接结，将织物各层沿轴向接结成一个整体，参见图3和图9所示。周向接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交或斜交接结组织结构，轴向接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交或斜交接结组织结构。

按照如此步骤，当缠绕纱线与编织纱线的各层缠绕编织完毕，同时，周向和轴向加强筋均匀夹持在各缠绕编织层中，且接结纱线沿周向和轴向均进行接结，构成一个缠绕编织循环。不断的周期循环织造，直至达到所需的织物长度，完成整个缠绕编织过程，获得仿蚕茧编织结构的复合材料车厢蒙皮预成型件13。

4）复合固化。

从芯模上取下仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮预成型件，对预成型件进行崩直张拉，克服在编织缠绕过程中产生的纱线松紧不一的状况。将缠绕编织好的复合材料预成型件，注入树脂，使预成型体充分浸渍树脂后，采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中进行复合固化，树脂复合固化成型后，即得到本发明的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。

实施例：

一种仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其横截面形状为带有圆形倒角的环状，外形尺寸大小长度为25米，宽度为3米，高度为3米，壁厚为0.025米。

本发明所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于按如下步骤进行制备：

1）制备非金属材料芯模；

图4为本发明仿蚕茧缠绕编织结构复合材料缠绕编织方法的示意图。首先设计与制备非金属材料芯模12，以木质材料为原料，设计与制备复合材料的内衬芯模，芯模的外形形状为带有圆形倒角的环状。芯模的外形尺寸大小与所制备的复合材料车厢蒙皮内表面的尺寸大小相同。本实施例中，环状芯模的外形尺寸长度为30米，宽度3米，高度为3米，壁厚0.010米。

2）纱线布置；

a)确定纱线系统的原材料。

编织纱线、缠绕纱线、轴向加强筋纱线、周向加强筋纱线、周向接结纱线、轴向接结纱线均采用T300 9K碳纤维。

b)布置编织纱线系统。

参见图4，编织纱线6由编织机器底盘14的编织纱线携纱器15所携带，因此，首先确定编织机器底盘14上编织纱线的总数目；确定编织纱线6沿径向的层数和沿周向的列数；并根据编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，在编织机器底盘14上，进行编织纱线携纱器15沿径向层排和周向列排的初始排列，并布置编织纱线6。

编织机器底盘编织纱线的总数目为：6000根。编织纱线沿径向的层数为：15层。编织纱线沿周向的列数为：400列。编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构为平纹交织。在机器底盘进行编织纱线携纱器径向行排和周向列排的初始排列，并布置编织纱线。

c)布置轴向和周向加强筋纱线系统。

参见图4，轴向加强筋纱线8由编织机器底盘14上的轴向加强筋纱线携纱器16所携带，所述轴向加强筋纱线8的位置、数量可根据设计要求进行任意调整。确定轴向加强筋纱线的位置为沿周向列的每两根编织纱线之间加入，轴向加强筋纱线与编织纱线的加入比例为1:1，因此，轴向加强筋纱线总数目为：6000根。轴向加强筋纱线由编织机器底盘轴向加强筋携纱器所携带，布置于周向列编织纱线携纱器之间。

参见图8，周向加强筋纱线9于空中由周向加强筋纱线引纱装置携带，并于纱线的缠绕编织层间喂入。所述周向加强筋纱线的位置、数量可根据设计要求进行任意调整。确定周向加强筋纱线的位置为每个缠绕编织循环中加入一组周向加强筋纱线。确定周向加强筋纱线的数量，在一个缠绕编织循环内，加入的周向加强筋纱线数量与缠绕编织层数的数量比例为1:1。因此，一个缠绕编织循环内，加入的周向加强筋纱线数量为：15根。预成型件编织结束后，加入的周向加强筋纱线总数目为：（缠绕编织循环数×15）根。将周向加强筋纱线缠绕于周向加强筋纱线导纱装置上，并由引纱装置于空中喂入沿芯模的周向进行布置。

d)布置缠绕纱线系统。

确定缠绕纱线与编织纱线交织的织物组织结构为平纹，且不同缠绕编织循环中，缠绕纱线与编织纱线交织的织物组织结构相同。将缠绕纱线系统7缠绕于缠绕纱线导纱装置上，由导纱装置携带缠绕纱线系统，并于空中编织纱线层间喂入，沿芯模周向与编织纱线进行缠绕编织。

e）布置周向和轴向接结纱线系统。

将周向接结纱线系统10缠绕于周向接结纱线导纱装置上，由导纱装置携带喂入周向接结纱线系统，贯穿织物厚度沿芯模周向进行接结。将轴向接结纱线系统11缠绕于轴向接结纱线导纱装置上，由导纱装置携带喂入轴向接结纱线系统，贯穿织物厚度沿芯模轴向进行接结。

3）缠绕编织；

a）编织纱线。

编织纱线6由编织机器底盘14上编织纱线携纱器15所携带，其具体的运动方式，参见图5，编织纱线携纱器15沿径向层来回错动，与沿周向缠绕的缠绕纱线进行交织。本实施例中，编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构为平纹。编织纱线与缠绕纱线每进行一层缠绕交织，编织纱线携纱器在编织机器底盘上沿径向层进行一次运动，不同周向列的编织纱线携纱器沿径向层移动的层数位置为1层。

b）缠绕纱线。

基于芯模12表面，缠绕纱线7沿芯模12的周向，由编织纱线的最外表面层向最内表面层逐层进行缠绕，参见图6所示。本实施例中，编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构为平纹，缠绕纱线在逐层缠绕的过程中，与编织纱线按平纹组织结构交织叠加，形成层层平纹交织联锁结构，构成制件径向厚度。纱线在缠绕过程中的纱线缠绕角约为90°。所述的纱线缠绕角是指缠绕纱线与芯模轴向之间形成的夹角。

c）轴向和周向加强筋纱线。

轴向加强筋纱线8由轴纱携纱器16所携带，在编织机器底盘14沿径向层和周向列都不参与运动，因此，轴向加强筋纱线不参与交织，均匀的夹持在编织纱线和缠绕纱线交织构成的缠绕编织层之间，参见图8。

缠绕纱线与编织纱线由最外层向最内层交织，每交织完一层，周向加强筋纱线由导纱装置喂入，沿周向由缠绕编织层的最外层向最内层逐层进行缠绕加强。周向加强筋纱线也不参与交织，均匀的夹持在编织纱线和缠绕纱线交织构成的缠绕编织层之间，参见图8。

d）周向和轴向接结纱线。

缠绕纱线与编织纱线由最外层向最内层交织结束，同时，周向和轴向加强筋纱线也均匀的夹持在各缠绕编织层中，接着，周向接结纱线10，沿芯模周向，贯穿织物厚度进行接结，将织物各层沿周向接结成一个整体，参见图3所示，周向接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交接结组织结构。轴向接结纱线11，则沿芯模轴向，贯穿织物厚度进行接结，将织物各层沿轴向接结成一个整体，参见图3和图9所示，轴向接结纱线贯穿织物厚度的交织规律也为正交接结组织结构。

按照如此步骤，当缠绕纱线与编织纱线的各层缠绕编织完毕，同时，周向和轴向加强筋均匀的夹持在各缠绕编织层中，且接结纱线沿周向和轴向均进行接结，构成一个缠绕编织循环。不断的周期循环织造，当缠绕编织循环次数达到3500次时，达到所需的织物长度25米，完成整个缠绕编织过程，获得仿蚕茧编织结构的复合材料车厢蒙皮预成型件13，预成型件的纤维体积含量达到60%。

4）复合固化。

从芯模上取下仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮预成型件，对预成型件进行崩直张拉，克服在编织缠绕过程中产生的纱线松紧不一的状况。将缠绕编织好的复合材料预成型件，注入环氧树脂，使预成型件充分浸渍树脂后，采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中进行复合固化，在3个大气压下，高温170℃下固化20小时。树脂复合固化成型后，即得到本发明的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。

Claims (10)

1.一种仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，包括贯穿复合材料周向、径向、轴向三个方向的六组纱线系统：编织纱线、缠绕纱线、轴向加强筋纱线、周向加强筋纱线、周向接结纱线、轴向接结纱线。其特征在于编织纱线沿芯模轴向均匀排列于各层，缠绕纱线沿芯模周向逐层进行缠绕，同时，与编织纱线逐层进行交织，形成层层交织联锁结构，纱线交织叠加构成织物厚度；轴向和周向加强筋纱线均不参与交织，于缠绕纱线与编织纱线交织构成的缠绕编织层间所夹持；周向和轴向接结纱线分别沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。

2.根据权利要求1所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构包括缠绕结构、编织结构、加强筋结构和接结结构。所述的仿蚕茧缠绕编织结构为长纤维连续增强。所述复合材料增强体的原材料选用碳纤维T300系列，3k、6k、9k、12k中的一种或几种混合使用；或选用凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维等中的一种。树脂基体材料采用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂或不饱和树脂中的一种。

3.根据权利要求1所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构是基于内衬芯模缠绕编织而成，所述的内衬芯模是由木材、橡胶、塑料等非金属材料制成的模具。所述的编织纱线沿内衬芯模轴向均匀排列于各层，编织纱线沿机器底盘的径向来回运动，与缠绕纱线按照设计规律逐层相互交织。

4.根据权利要求1所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于：所述的缠绕纱线，沿芯模周向由编织纱线的最外表面层向最内表面层逐层进行缠绕，与编织纱线交织叠加，形成层层交织联锁结构，构成制件径向厚度；纤维缠绕角约为90°。所述的纤维缠绕角是指缠绕纱线与芯模轴向的夹角。

5.根据权利要求1所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于：所述的缠绕纱线与每一层的编织纱线均有相互交织；缠绕纱线与编织纱线交织，构成缠绕编织层。所述的缠绕编织层为10层以上的多层结构。

6.根据权利要求1所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构还包括周向加强筋纱线系统和轴向加强筋纱线系统，周向和轴向加强筋纱线均不参与交织，均匀地夹持在缠绕编织层之间。

7.根据权利要求1所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构还包括周向接结纱线系统和轴向接结纱线系统，周向接结纱线系统沿周向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。轴向接结纱线系统沿轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交或斜交接结组织结构。所述的接结纱线系统接结的位置、密度可以进行任意调节。

8.根据权利要求1所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于：所述的缠绕纱线与编织纱线的各层缠绕编织完毕，同时，周向和轴向加强筋均匀夹持在各缠绕编织层中，且接结纱线沿周向和轴向均进行接结，构成一个缠绕编织循环。在不同缠绕编织循环内，缠绕纱线与编织纱线缠绕交织的织物组织结构可以相同，也可以不同；在不同缠绕编织循环内，接结纱线贯穿织物厚度的交织规律可以相同，也可以不同。

9.根据权利要求1所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，其特征在于：所述整体复合材料车厢蒙皮外形尺寸的长度为0-28米，高度为0-3.5米、宽度为0-3.5米、厚度为0-0.030米；所述车厢蒙皮的纤维体积含量为30%-70%。所述整体复合材料车厢蒙皮采用真空袋法进行密封和加压，并采用大型热压罐进行复合固化成型。所述的热压罐外形尺寸为30-35米，直径为5.5米；可控温度范围为室温到300℃，最大压力水平可达到7个大气压。

10.一种如权利要求1所述仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮的制备方法，其特征在于按如下步骤进行制备：

1）制备非金属材料芯模；

设计与制备非金属材料芯模，芯模外形的形状和尺寸大小与所制备的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮内表面的外形和尺寸大小相同。

2）纱线布置；

a)确定纱线系统的原材料。

确定编织纱线、缠绕纱线、轴向加强筋纱线、周向加强筋纱线、周向接结纱线、轴向接结纱线的原材料。

b)布置编织纱线系统。

首先确定编织机器底盘上编织纱线的总数目；确定编织纱线沿径向的层数和沿周向的列数；并根据编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，在编织机器底盘上，进行编织纱线携纱器沿径向层排和周向列排的初始排列，并布置编织纱线。

c)布置轴向和周向加强筋纱线系统。

所述轴向加强筋纱线的位置、数量可根据设计要求进行任意调整，因此，首先确定轴向加强筋纱线的加入位置和加入数量。待确定好轴向加强筋纱线的加入位置，加入数量后，轴向加强筋纱线由机器底盘上轴向加强筋纱线携纱器所携带，布置于编织纱线携纱器之间。

所述周向加强筋纱线的位置、数量可根据设计要求进行任意调整，因此，首先，确定周向加强筋纱线的位置和加入数量。待确定好轴向加强筋纱线的加入位置，加入数量后，将周向加强筋纱线缠绕于周向加强筋纱线导纱装置上，并由引纱装置于空中喂入沿芯模的周向进行布置。

d)布置缠绕纱线系统。

在不同的缠绕编织循环中，缠绕纱线与编织纱线交织的织物组织结构可以相同，也可以不同。因此，确定在不同的缠绕编织循环中，缠绕纱线与编织纱线交织的织物组织结构，将缠绕纱线系统缠绕于缠绕纱线导纱装置上，由导纱装置携带缠绕纱线系统，并于空中编织纱线层间喂入，沿芯模周向与编织纱线进行缠绕编织。

e）布置周向和轴向接结纱线系统。

将周向接结纱线缠绕于周向接结纱线导纱装置上，由导纱装置携带喂入周向接结纱线系统，贯穿织物厚度沿芯模周向进行接结。将轴向接结纱线缠绕于轴向接结纱线导纱装置上，由导纱装置携带喂入轴向接结纱线系统，贯穿织物厚度沿芯模轴向进行接结。所述的周向和轴向接结纱线系统接结的位置、密度可以进行任意调节。

3）缠绕编织；

a）编织纱线。

编织纱线由编织机器底盘上编织纱线携纱器所携带，编织纱线携纱器沿径向层来回错动，与沿周向缠绕的缠绕纱线进行交织。编织纱线与缠绕纱线每进行一层缠绕交织，编织纱线携纱器在编织机器底盘上沿径向层进行一次运动，其运动规律可以相同，也可以不同。不同周向列的编织纱线携纱器沿径向层移动的层数位置由编织纱线与缠绕纱线交织的组织结构所决定。

b）缠绕纱线。

基于芯模表面，缠绕纱线沿芯模的周向，由编织纱线的最外表面层向最内表面层逐层进行缠绕。确定编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，缠绕纱线在逐层缠绕的过程中，与各层的编织纱线按设计好的织物组织结构交织叠加，形成层层交织联锁结构，构成制件径向厚度。纱线在缠绕过程中的纱线缠绕角约为90°。所述的纱线缠绕角是指缠绕纱线与芯模轴向之间形成的夹角。

c）轴向和周向加强筋纱线。

轴向加强筋纱线由轴纱携纱器所携带，在编织机器底盘沿径向层和周向列都不参与运动，因此，轴向加强筋纱线不参与交织，均匀的夹持在编织纱线和缠绕纱线交织构成的缠绕编织层之间。

缠绕纱线与编织纱线由最外层向最内层交织，每交织完一层，周向加强筋纱线由导纱装置喂入，沿周向由缠绕编织层的最外层向最内层逐层进行缠绕加强。周向加强筋纱线也不参与交织，均匀的夹持在编织纱线和缠绕纱线交织构成的缠绕编织层之间。

d）周向和轴向接结纱线。

缠绕纱线与编织纱线由最外层向最内层交织结束，同时，周向和轴向加强筋纱线也均匀的夹持在各缠绕编织层中，接着，周向接结纱线沿芯模周向，贯穿织物厚度进行接结，将织物各层沿周向接结成一个整体，周向接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交或斜交接结组织结构。轴向接结纱线，则沿芯模轴向，贯穿织物厚度进行接结，将织物各层沿轴向接结成一个整体，轴向接结纱线贯穿织物厚度的交织规律为正交或斜交接结组织结构。

按照如此步骤，当缠绕纱线与编织纱线的各层缠绕编织完毕，同时，周向和轴向加强筋均匀的夹持在各缠绕编织层中，且接结纱线沿周向和轴向均进行接结，构成一个缠绕编织循环。不断的周期循环织造，直至达到所需的织物长度，完成整个缠绕编织过程，获得仿蚕茧编织结构的复合材料车厢蒙皮预成型件。

4）复合固化。

从芯模上取下仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮预成型件，对预成型件进行崩直张拉，克服在编织缠绕过程中产生的纱线松紧不一的状况。将缠绕编织好的复合材料预成型件，注入树脂，使预成型件充分浸渍树脂后，采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中进行复合固化。树脂复合固化成型后，即得到本发明的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。

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