CN105862245A - 一种纤维层连结构预成型体的塑型制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维层连结构预成型体的塑型制备方法，纤维层连结构预成型体的制备方法，采用编织方法，依模织造而成。本发明纤维层连结构预成型体的塑型制备方法适于高厚度、大尺寸、复杂形状预成型体制备，具有结构设计性强，预成型体均质性好、力学性能优良，纤维体积分数高，单元结构完整、纱束连续，尺寸稳定可控、制备的精度高，适宜制备形状复杂预成型体。

Description

一种纤维层连结构预成型体的塑型制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维层连结构预成型体的塑型制备方法，属于立体织物编织领域。

背景技术

纤维层连结构是在2D基础上发展起来的，机织工艺是最先研制纤维层连结构的工艺，可制备板块状预成型体；借助离线展开、仿形套模等技术也可制备管、锥状预成型体。随着纤维层连结构的应用扩大，在制备高厚度、大尺寸、复杂形状预成型体过程中，机织离线展开、仿形套模技术已难以实现或难以达到高精度仿形设计要求，勉强采用仿形工艺，产品内部不是存在较大的仿形变形带来的内应力，就是存在无法避免的非均质缺陷，从而造成复合材料性能的下降。为此，必须研究新的纤维层连结构制备方法，以满足高厚度(变厚度)、大尺寸、复杂形状预成型体性能均匀的要求。

发明内容

为了解决现有技术中高厚度、大尺寸、复杂形状预成型体制备难度大、均质性和力学性能等无法满足要求等缺陷，本发明提供一种纤维层连结构预成型体的塑型制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种纤维层连结构预成型体的塑型制备方法，采用编织方法，依模织造而成。

上述方法通过调控结构单元尺寸、数量、方向和位置，依模制造，从而获得一体成型、均质性能的复杂形状预成型体，即本申请方法可根据预成型体的外形变化改变纤维层连结构的单元尺寸、单元数量、单元方向和单元位置。依模织造指直接围绕模具编织，为一次成型。

本申请是在机织仿形套模、离线制备的工艺基础上发展起来的新的制备方法，可以理解为机织仿形是两步法间接成型工艺，适合形状简单，精度要求低的产品制备；而本申请制备方法是一步法直接成型工艺，适用于形状复杂、精度控制要求高的产品制备要求。

现有的机织仿形套模是无法织造厚度大于15mm复杂异型构件的，本申请制备方法解决技术问题是厚度大于15mm的复杂异型构件纤维层连结构预成型体的制备，能控制纤维体积精度在3％以内，实现了复杂异型构件的近净尺寸成型。

本申请适于任意厚度、任意尺寸、任意形状的预成型体的制备，且所得预成型体具有优异的均质性和力学性能。本申请均质性能可以分解为量的均匀和质的均匀两部分，量的均匀，就是预成型体各点的纤维体积分数(单元密度)要尽量均匀，对于块状预成型体，由于尺寸和形状基本保持不变，所以只要原材料和工艺稳定，其密度一定均匀，而对于管状类预成型体由于直径的变化，产品厚度的内外单元存在大小差异；对于锥管状预成型体还存在上下单元尺寸的差异；质的均匀就是要单元中的纤维连续、单元结构完整。因此针对复杂形状要根据单元的变化有目的地保持纤维连续，改变单元纱束的组成、单元的数量、单元的方向、单元的位置等等，调控密度，减少单元质量的波动。

本申请的塑型制备方法适用于各种厚度预成型体的制备，尤其适用于厚度大于15mm的纤维层连结构预成型体。

本申请可采用阵列固定、纱束截面尺寸变化的方法织造或采用阵列变化、纱束截面尺寸固定的方法织造。

优选，采用阵列变化、纱束截面尺寸固定的方法织造。

为方便理解，以管状纤维层连结构预成型体为例，假设管状纤维层连结构预成型体内部半径为R₀(恒定)，初始阵列数为M(恒定)，纱束截面面积为S(可变)，单元径向厚度为dR(可变)，单元周向厚度为W(可变)。

采用阵列固定、纱束截面尺寸变化的管状层连结构设计：

计算内层阵列数M：

M＝2πR₀/W

根据对应的纤维层连结构单元数学模型确定纱束截面参数(确定方法为公知常识)，并推导径向厚度dR及对应的预成型体外径R₀+dR；保持阵列数不变，依次递推层连结构内不同半径处的纱束截面参数及对应的外径，直至达到设计尺寸。这样设计的层连结构有其特点，纱束截面尺寸不确定，单元厚度变化非线性，层连结构的均质性能相对较差。

采用阵列变化、纱束截面面积恒定的管状层连结构塑型设计：

以满足纤维体积分数均匀为目标，计算内层阵列数M(i,1)：

M(i,1)＝2πR₀(x)/W

R₀(x)代表为预成型体半径，是随尺寸变化而变化的。依据对应的纤维层连结构单元数学模型确定纱束截面参数(确定方法为公知常识)，并推导径向厚度dR及对应的预成型体外径R₀+dR；保持纱束截面面积不变，依次递推预成型体内不同半径处的纱束阵列数(均为偶数)及对应的外径，直至达到设计尺寸，并确定每个位置对应的阵列M(i,j)。与最初阵列(直径最小处的阵列M_min)的差值即为确定位置的阵列增量dM(i,j)。这样设计的产品结构有其特点，纱束截面尺寸确定，单元厚度变化很小，整个产品的纤维体积分数波动范围小。

阵列数的具体确定方法为：假设纤维层连结构预成型体内径为R₀，设第一层阵列数为M₀，对应单元周向尺寸(弧长)为2πR₀/M₀，对应单元径向尺寸H₁即为第一层单元的厚度，则第二层单元的内侧半径为R₁＝R₀+H₁，第二层纱束阵列数为(R₁/R₀)M₀，阵列增加数为dM＝M₀(R₁-R₀)/R₀，依次递推，获得每层单元的阵列增量。

取阵列增加数dM为偶数，将引起纤维体积分数的局部波动，须控制在允许范围内。

本申请塑型制备方法可采用多种纤维层连结构，优选，采用浅交直连纤维层连结构或浅交弯连纤维层连结构。

本申请塑型制备方法适用于各种形状预成型体的制备，尤其适用于纤维层连结构预成型体为管状或锥状。

纤维层连结构预成型体为管状，具体织造方法为：

1)首先进行内层浅交弯连纤维层连结构第1层纱束的布置：预置n列、m层连层纱，设定此时设备状态为初始状态；

2)将初始状态分为2等分，预置4列、m-1层连层纱，同样依次，再将2等分后的布纱做为初始状态进行4等分，预置4列、m-2层连层纱；依次类推；

3)完成所有的布纱后，按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备列向连层纱错位，此时设备状态与初始状态相反，即高列比低列低2个纱锭位置，在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为m+1层；

4)完成步骤3)后，按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备连层纱列向错位，此时设备状态与初始状态相同，在此状态下，依次重复步骤2)和步骤3)的操作；

5)步骤2)和步骤3)为一个循环操作，依次顺序继续编织，直至达到要求的尺寸。

前述步骤2)中，第一次为将初始状态分为2等分，预置4列、m-1层连层纱，第二次为将2等分后的布纱做为初始状态进行4等分，预置4列、m-2层连层纱，第n次为将2^n-1等分后的布纱做为初始状态进行2ⁿ等分，预置4列、m-n层连层纱,直至n等于m-1。

纤维层连结构预成型体为锥状，具体织造方法为：

1)首先进行内层浅交弯连纤维层连结构第1层纱束的布置：预置n列、m层连层纱，设定此时设备状态为初始状态；

2)按浅交弯连纤维层连结构的运动规律完成设备列向连层纱错位，即高列比低列低2个纱锭位置，在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为m+1层；

3)完成步骤2)后，按浅交弯连层连结构的运动规律完成设备连层纱列向错位，此时设备状态与步骤2)状态相反，在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为m+1层；

4)完成步骤3)后，设备恢复步骤2)状态，将设备等分为四个象限的倍数做为加纱点，每个加纱点加纱列数为偶数，从第(m/3)+1层开始至第m层加入连层纱，引入叠层纱；

5)完成步骤4)后，重复步骤2)状态，引入叠层纱，叠层纱层数为m+1层；

6)完成步骤5)后，设备恢复与步骤2)状态相反状态，将设备等分为四个象限的倍数做为加纱点，每个加纱点加纱列数为偶数，从第1层开始至第m/3层加入连层纱，引入叠层纱；

7)后续重复3)-6)的步骤，依次顺序继续编织，直至达到要求的尺寸。

本申请制备方法为一步法直接成型一体化编织，满足形状复杂预成型体纤维层连结构的制备。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明纤维层连结构预成型体的塑型制备方法适于高厚度、大尺寸、复杂形状预成型体制备，具有结构设计性强，预成型体均质性好、力学性能优良，纤维体积分数高，单元结构完整、纱束连续，尺寸稳定可控、制备的精度高，适宜制备形状复杂预成型体。

附图说明

图1为本申请纤维层连结构示意图，其中，(a)为浅交直连纤维层连结构示意图，(b)为浅交弯连纤维层连结构示意图。

图2为管状预成型体示意图。

图3为锥状预成型体示意图。

图中，1为连层纱，2为叠层纱，3为芯轴。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

以管状纤维层连结构预成型体(如图2)为例，内径尺寸500mm，预成型体厚度28mm。连层纱、叠层纱均为石英玻璃纤维，采用浅交弯连纤维层连结构，连层纱规格为190Tex×4股，密度9根/cm；叠层纱规格为190Tex×7股，密度2根/cm。

假设管状纤维层连结构预成型体芯轴(模型)外径为R，最内侧单元厚度决定于连层纱阵列数，每周单元数为M与连层纱线阵列数相同。管状扇形单元(将管状纤维层连结构预成型体分割为等大小的n等分，其中的最小单元)随半径变化周向及径向厚度均发生变化，将管状扇形单元等效为平行六面体单元，不同半径处均对应确定尺寸的平行六面体单元。以满足纤维体积分数的内层纱束阵列的单元周向厚度为基础，推导第二层纱束阵列数：假设预成型体内部半径为R₀，设第一层阵列数为M₀，对应单元周向尺寸(弧长)为即为2πR₀/M₀，对应单元径向尺寸H₁即为第一层单元的厚度。第二层单元的内侧半径为R₁＝R₀+H₁，第二层纱束阵列数为(R₁/R₀)M₀，阵列增加数为dM＝M₀(R₁-R₀)/R₀，依次递推，获得每层单元的阵列增量。根据纤维层连结构制备工艺要求，每周阵列增加数须为偶数，取阵列增加数dM为偶数，将引起纤维体积分数的局部波动，须控制在允许范围内。

本实施例最内层单元阵列为1414列，连层纱34层，叠层纱为35层。纱束阵列增加按如下数列(由前述公式计算而得)：

4 8 14 18 22 26 32 36 40 44 50 54 58 62 66 72 ……

制备具体实施步骤说明如下：

1.首先进行内层浅交弯连纤维层连结构第1层纱束的布置：预置1414列、34层连层纱，设定此时设备状态为初始状态；

2.将初始状态分为2等分，预置4列、33层连层纱，同样依次，再将2等分后的布纱做为初始状态进行4等分，预置4列、32层连层纱，依次类推，直至将2³²等分后的布纱做为初始状态进行2³³等分，预置4列、1层连层纱；

3.完成所有的布纱后，按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备列向连层纱错位，此时设备状态与初始状态相反，即高列比低列低2个纱锭位置，在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为35层；

4.完成步骤3后，按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备连层纱列向错位，此时设备状态与初始状态相同，在此状态下，依次重复步骤2的引入叠层纱操作，完成后重复步骤3的操作；

5.步骤2和步骤3为一个循环操作，依次顺序继续编织，编织过程中按预成型体密度要求控制均匀性；直至达到要求的尺寸。

实施例2

以锥状纤维层连结构预成型体(如图3)为例，预成型体内径尺寸500mm，锥角(母线与中心轴的夹角)为16度，锥段高500mm。预成型体厚度28mm。设计连层纱、叠层纱均为石英玻璃纤维，采用浅交弯连纤维层连结构，连层纱规格为190Tex×4股，密度9根/cm；叠层纱规格为190Tex×7股，密度2根/cm。

预成型体最内侧单元厚度决定连层纱阵列数，每周单元数为M与连层纱束阵列数相同，锥状扇形单元(将锥状纤维层连结构预成型体分割为等大小的n等分，其中的最小单元)随半径及轴向尺寸变化单元尺寸发生变化，将扇形单元等效为平行六面体单元时对应板块单元，不同半径处均对应确定尺寸的板块单元。预成型体纤维体积分数随半径的增大而增大，其均匀性沿半径及轴向均呈现一定的梯度，预成型体要达到纤维体积分数均匀性要求，必须在确定的位置增加纱束，以满足纤维体积分数的内层纱束阵列的单元周向厚度为基础，沿径向、轴向同时推导第一层纱束阵列数增加规律；在沿径向推导第二层纱束阵列增加规律(同实施例1)，依次递推，获得每层单元的阵列增量。基于纤维层连结构工艺要求，每周阵列增加数须为偶数，这样必然引起纤维体积分数的局部波动，须将波动控制在允许范围内，满足设计要求。

本实施例最内层单元阵列为1414列，连层纱34层，叠层纱为35层，纱束阵列增加按如下：

隔5mm(厚度)增加2/3从外到里的布纱区域，再隔5mm(厚度)增加1/3从里到内部的布纱区域，从里到内部的“里”指前面“从外到里”的里，即从最外层一直向内增加。

制备具体实施步骤说明如下：

1.首先进行内层浅交弯连纤维层连结构第1层纱束的布置：预置1414列、34层连层纱，设定此时设备状态为初始状态；

2.按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备列向连层纱错位，即高列比低列低2个纱锭位置。在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为35层；

3.完成步骤2后，按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备连层纱列向错位，此时设备状态与步骤2状态相反，在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为35层；

4.完成步骤3后，设备恢复步骤2状态，将设备等分为12加纱点，每个加纱点加2列，从第12层开始至第34层加入连层纱，引入叠层纱；

5.完成步骤4后，重复步骤2状态，引入叠层纱，叠层纱层数为35层；

6.完成步骤5后，设备恢复与步骤2状态相反状态，将设备等分为12加纱点，每个加纱点加2列，从第1层开始至第11层加入连层纱，引入叠层纱；

7.后续重复3到6的步骤，依次顺序继续编织，编织过程中按预成型体密度要求控制均匀性；直至达到要求的尺寸。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是：预成型体厚度为12mm。

实施例3与对比例的不同仅为实施例3为依模制造、一体成型，对比例为离线展开、仿形套模。采用型号为GT-807A的环氧树脂对实施例3和对比例所得织物进行复合，复合后织物力学性能见表1。

表1复合材料性能对比表

表2预成型体产品精度表

Claims (10)

1.一种纤维层连结构预成型体的塑型制备方法，其特征在于：采用编织方法，依模织造而成。

2.如权利要求1所述的塑型制备方法，其特征在于：纤维层连结构预成型体的厚度大于15mm。

3.如权利要求1或2所述的塑型制备方法，其特征在于：采用阵列固定、纱束截面尺寸变化的方法织造。

4.如权利要求1或2所述的塑型制备方法，其特征在于：采用阵列变化、纱束截面尺寸固定的方法织造，纤维层连结构预成型体的厚度大于15mm。

5.如权利要求4所述的塑型制备方法，其特征在于：假设纤维层连结构预成型体内径为R₀，设第一层阵列数为M₀，对应单元周向尺寸为2πR₀/M₀，对应单元径向尺寸H₁即为第一层单元的厚度，则第二层单元的内侧半径为R₁＝R₀+H₁，第二层纱束阵列数为(R₁/R₀)M₀，阵列增加数为dM＝M₀(R₁-R₀)/R₀，依次递推，获得每层单元的阵列增量。

6.如权利要求5所述的塑型制备方法，其特征在于：阵列增加数为偶数。

7.如权利要求1或2所述的塑型制备方法，其特征在于：采用浅交直连纤维层连结构或浅交弯连纤维层连结构。

8.如权利要求1或2所述的塑型制备方法，其特征在于：纤维层连结构预成型体为管状或锥状。

9.如权利要求8所述的塑型制备方法，其特征在于：纤维层连结构预成型体为管状，具体织造方法为：

1)首先进行内层浅交弯连纤维层连结构第1层纱束的布置：预置n列、m层连层纱，设定此时设备状态为初始状态；

2)将初始状态分为2等分，预置4列、m-1层连层纱，同样依次，再将2等分后的布纱做为初始状态进行4等分，预置4列、m-2层连层纱；依次类推；

3)完成所有的布纱后，按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备列向连层纱错位，此时设备状态与初始状态相反，即高列比低列低2个纱锭位置，在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为m+1层；

4)完成步骤3)后，按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备连层纱列向错位，此时设备状态与初始状态相同，在此状态下，依次重复步骤2)和步骤3)的操作；

5)步骤2)和步骤3)为一个循环操作，依次顺序继续编织，直至达到要求的尺寸。

10.如权利要求8所述的塑型制备方法，其特征在于：纤维层连结构预成型体为锥状，具体织造方法为：

1)首先进行内层浅交弯连纤维层连结构第1层纱束的布置：预置n列、m层连层纱，设定此时设备状态为初始状态；

2)按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备列向连层纱错位，即高列比低列低2个纱锭位置，在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为m+1层；

3)完成步骤2)后，按浅交弯连纤维层连的运动规律完成设备连层纱列向错位，此时设备状态与步骤2)状态相反，在此状态下，引入叠层纱，叠层纱层数为m+1层；

4)完成步骤3)后，设备恢复步骤2)状态，将设备等分为四个象限的倍数做为加纱点，每个加纱点加纱列数为偶数，从第(m/3)+1层开始至第m层加入连层纱，引入叠层纱；

5)完成步骤4)后，重复步骤2)状态，引入叠层纱，叠层纱层数为m+1层；

6)完成步骤5)后，设备恢复与步骤2)状态相反状态，将设备等分为四个象限的倍数做为加纱点，每个加纱点加纱列数为偶数，从第1层开始至第m/3层加入连层纱，引入叠层纱；

7)后续重复3)-6)的步骤，依次顺序继续编织，直至达到要求的尺寸。