CN108998888B - 一种行列变换变截面预成型制件的三维编织方法及制件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过行列变换完成一种变截面预成型制件的三维编织方法及制件技术。该编织方法在纤维总根数不变的前提下，通过行列之间的相互变换完成新截面的排列，这种编织技术避免了额外的增、减纱从而保证纤维的连续性，提高织物的整体性，实现沿长度方向横截面变化的异形复合材料预成型制件的三维整体性织造。通过行列变换完成的预制件结构整体性较高，预制件性能得以有效提升，方法简单、适用性广，有效的减少生产工序，降低生产成本。

Description

一种行列变换变截面预成型制件的三维编织方法及制件

技术领域

本发明涉及一种复合材料预成型制件的三维编织技术，具体为一种制造高性能复合材料预制件的变截面预成型制件的三维编织方法及其制件技术。

背景技术

三维编织复合材料是由三维编织织物与基体复合而成的一种先进的复合材料，三维编织结构具有高度整体化的空间互锁网状结构，可以避免传统层合板的分层破坏、断裂韧性、冲击损伤容限等，具有良好的可设计性。目前已成功应用于航空航天、国防军工、交通、建筑等领域。

在实际应用中，绝大多数复合材料如发动机喷管、罩体等织物，并不是外形规则的等截面结构，而是截面尺寸沿长度方向变化的截面异型件。目前的三维编织工艺在改变织物截面形状时有两种方法，一种是，先得到等截面积的三维编织预制件，再通过机械加工（如切削）得到变截面积预制件，这样会对织物纤维造成损伤，产生大量不连续纤维，破坏了三维编织物的整体结构，不但降低了复合材料的整体性能和产品性能的稳定性，还增加了加工工序；另一种方法，也是目前常用做法是利用三维编织结构材料的集合形状和内部纱线密度的良好的可设计性，通过改变编织纱、轴纱的排列、合股数等，将一部分纱线分出、剪断或者加入部分新的纱线来改变织物排列，编织出符合不同尺寸要求的织物。

但对于天线罩、喷管等对织物的整体性能要求较高的产品而言，通过增减纱的方式完成变截面的编织，并不是最优选择。例如收敛-扩散类喷管，其外形类似沙漏，喷管的前半部由大变小向中间收缩至窄喉，窄喉之后又由小变大向外扩张至箭底，其中喉部受热和承力最为严重。根据受力、受热的不同要求，一般前、后扩张段直径大、壁厚薄，喉部直径小，壁厚大，所以设计参数时，扩张处列数多、层数少，在窄喉处列数少、层数多。若采用增、减纱的方式生产，会破坏部分纤维的连续性，并且在织物中产生增、减纱点，而由于喷管工作环境的特殊性，在高温和高压燃气的冲刷下，这些增减纱点对喷管的完整性与可靠性的破坏是致命的。

发明内容

针对现有三维变截面编织技术的不足，本发明的目的在于提出一种通过行列变换的形式完成一种变截面预成型制件的三维编织方法及其制件技术。该编织方法在纤维总根数不变的前提下，通过行列之间的相互变换完成新截面的排列，这种编织技术没有增、减纱从而保证纤维的连续性，提高织物的整体性，实现在沿长度方向横截面变化的异形复合材料预成型制件的三维整体性织造。通过行列变换完成的预制件结构整体性较高，性能得以有效提升，方法简单、适用性广，有效的减少生产工序，降低生产成本。

本发明提出的技术方案是：设计一种变截面成型制件在编织过程中的行列变换方法，该方法以四步法三维多向编织工艺为基础，其特征在于在编织过程中，以已成型制件的一个端面编织纱、轴纱初始状态为基准，按照工艺设计要求，通过行列变换方法形成新截面的排列，完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。为方便后续描述将初始截面编织纱及轴纱的排列位置关系用矩阵[M]_ab表示，其中a表示纱线所在行数，b表示纱线所在列数；新截面的编织纱及轴纱初始状态排列关系用矩阵[N]_ij表示其中i表示纱线所在行数，j表示纱线所在列数。

附图说明

图1为采用本发明编织方法编织所得喷管的外观形状示意图；

图2为已成型端面编织纱与轴纱排列矩阵；

图3为新截面编织纱与轴纱排列矩阵；

图4为实施例1中扩张处编织纱排列矩阵；

图5为实施例1中窄喉处编织纱排列矩阵；

图6为采用本发明编织方法编织所得天线罩的外观形状示意图；

图7为实施例2中工作区编织纱与轴纱排列矩阵；

图8为实施例2中连接区编织纱与轴纱排列矩阵。

具体实施方式：

本发明的行列变换设计方案，按照就近原则将[M]_ab按列依次填入新行列式[N]_ij中，下面结合附图，做出进一步详细描述。

图2为已成型端面编织纱与轴纱排列，为方便描述写作矩阵[M]_ab，图3为新截面的编织纱、轴纱排列，为方便描述写作矩阵[N]_ij，矩阵不是满矩阵。

本发明中所指的就近原则阐述如下:

1、从[M]_ab中第一列开始取线填入[N]_ij中，直至此列取线完毕后方可取下列，即先取第一列，然后取第二列，然后取第三列依次取至第b列。

2、 [M]_ab选定“列”后，初始移动轨迹从a最小行开始依次向下一行取线，取线方向用“

”表示，中间若有空行，可直接跳过，顺次取线即可，例如依次取线M₁₁、M_21、M₃₁、M₅₁……

3、[M]_ab中取下的纱线依次填充入[N]_ij中，从第一列开始填充，直至此列填充完毕后方可填充下列，即先填充第一列，然后填充第二列，然后填充第三列直至第j列。

4、 [N]_ij填充初始同样从第一列中i最小依次向下一行填入，取线方向用“

”表示，若中间有空行可直接跳过，顺次填入即可，例如填入N₁₁、N₂₁、N₃₁、N₅₁。。。。。。

5、当遇到[M]_ab一整列取线完毕或[N]_ij一整列填充完毕时，[M]_ab、[N]_ij同时改变取线、填线方向,即若原来是自上而下从a小值向a大值取线（取线方向为“

”）则改为自下而上从a大值向a小值取线（取线方向为“

”）；若原来是自下而上从a大值向a小值取线（取线方向为“

”）则改为从自上而下a小值向a大值取线（取线方向为“

”）。同时，原来是从i小值向i大值取线（取线方向为“

”），改为从i大值向i小值取线,（取线方向为“

”）；原来是从i大值向i小值取线（取线方向为“

”），改为从i小值向i大值取线,（取线方向为“

”）继续顺次填入，按照此规律直至完成所有排列。

【例】

实施例1：

图1所示为一种收敛-扩散类喷管的示意图。图中“1”、“3”部分为前、后扩张段，“2”部分为窄喉。设计“1”、“3”部分纱线排列为6列×2层，总纱线根数为12根；“2”部分纱线排列为3列×4层，总纱线根数为12根。变换前后纱线总根数相等，直接通过行列变换完成变截面编织。

第一步：将编织所用纱线按照“1”部分6列×2层排布在三维编织机上，按照四步法编织至窄喉位置；

第二步：准备行列变换，分别将“1”部分、“2”部分的编织纱的排列分别写为矩阵[M]₂₆、矩阵[N]₄₃方便后续描述，如图4、图5；

第三步：按照就近原则将纱线由[M]₂₆变换为[N]₄₃形式。

按照就近原则解释要求，从[M]₂₆中b最小的列开始取线，即从第1列开始取线。初始按“

”方向，从M₁₁向M₂₁依次取线。将取下的纱线依次填充入[N]₄₃中的i最小列，即第1列，初始同样按“

”方向从N₁₁依次向下一行N₂₁填入，即将M₁₁填入N₁₁、M₂₁填入N₂₁,此时[M]₂₆中第1列移动完毕。按照转换原则第5条，[M]₂₆第2列、[N]₄₃第1列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，即将M₂₂填入N₄₁、M₁₂填入N₃₁，此时[M]₂₆第2列、[N]₄₃第1列同时移动、填充完毕。

按照转换原则，[M]₂₆第3列、[N]₄₃第2列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₁₃填入N₁₂、M₂₃填入N₂₂，此时[M]₂₆中第3列移动完毕。按照转换原则第5条，[M]₂₆第4列、[N]₄₃第2列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，即将M₂₄填入N₄₂、M₁₄填入N₃₂，此时[M]₂₆第4列、[N]₄₃第2列同时移动、填充完毕。

按照转换原则，[M]₂₆第5列、[N]₄₃第3列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₁₅填入N₁₃、M₂₅填入N₂₃，此时[M]₂₆中第5列移动完毕。按照转换原则第5条，[M]₂₆第6列、[N]₄₃第3列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，即将M₂₆填入N₄₃、M₁₆填入N₃₃，此时[M]₂₆第6列、[N]₄₃第3列同时移动、填充完毕。

至此，已转换为新排列。

第四步：按照新排列3列×4层将窄喉编织完毕。

第五步：准备编织下扩张部位“3”，按将纱线由[N]₄₃变换为[M]₂₆形式；

按照就近原则解释要求，从[N]₄₃中i最小的列开始取线，即从第1列开始取线。初始按“

”方向，从N₁₁向N₂₁依次取线。将取下的纱线依次填充入[M]₂₆中的b最小列，即第1列，初始同样按“

”方向从M₁依次向下一行M₂₁填入，即将N₁₁填入M₁₁、N₂₁填入M₂₁,此时[M]₂₆中第1列填充完毕。

按照转换原则第5条，[M]₂₆第2列、[N]₄₃第1列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，即将N₄₁填入M₂₂、N₃₁填入M₁₂，此时[M]₂₆第2列、[N]₄₃第1列同时移动、填充完毕。

按照转换原则第5条，[M]₂₆第3列、[N]₄₃第2列，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，即将N₁₂填入M₁₃、N₂₂填入M₂₃，此时[M]₂₆第3列填充完毕。

按照转换原则第5条，[M]₂₆第5列、[N]₄₃第3列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，即将N₄₂填入M₂₄、N₃₂填入M₁₄，此时[M]₂₆第4列、[N]₄₃第2列同时移动、填充完毕。

按照转换原则第5条，[M]₂₆第5列、[N]₄₃第3列，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，即将N₁₃填入M₁₅、N₂₃填入M₂₅，此时[M]₂₆第5列填充完毕。

按照转换原则第5条，[M]₂₆第6列、[N]₄₃第3列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，即将N₄₃填入M₂₆、N₃₃填入M₁₆，此时[M]₂₆第6列、[N]₄₃第3列同时移动、填充完毕。

至此，已完成全部行列变换。

第四步：新排列6列×2层按照四步法编织编织至下扩张段。

至此，喷管编织完毕。

实施例2：

图6所示为一种天线罩的示意图。图中“1”部分为工作区，“2”部分为连接区。设计“1”部分纱线排列为4列，每列包含4根编织纱与3根轴纱，记作4列×（4+3）层，总纱线根数为28根；“2”部分纱线排列为7列，每列包含3根编织纱与1根轴纱，记作7列×（3+1）层，总纱线根数为28根。变换前后纱线总根数相等，直接通过行列变换完成变截面编织。

第一步：将编织所用纱线按照“1”部分4列×（4+3）层排布在三维编织机上，按照四步法编织至连接区位置；

第二步：准备行列变换，将“1”、“2”部分的编织纱与轴纱的排列分别写为矩阵[M]₄₈、矩阵[N]_3（14)方便后续描述，如图7、图8；

第三步：按照就近原则将纱线由[M]₄₈变换为[N]_3（14)形式。

按照就近原则解释要求，从[M]₄₈中b最小的列开始取线，即从第1列开始取线。初始按“

”方向，从M₁₁向M₂₁依次取线。将取下的纱线依次填充入[N]_3（14)中的i最小列，即第1列，初始同样按“

”方向从N₁₁依次向下一行N₂₁填入，即将M₁₁填入N₁₁、M₂₁填入N₂₁、M₃₁填入N₃₁,此时[N]_3（14)第1列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第1列剩余纱线、[N]_3（14)第2列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₄₁填入N₂₂，此时[N]_3（14)第2列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第2列纱线、[N]_3（14)第3列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₂₂填入N₁₃、M₃₂填入N₂₃、M₄₂填入N₃₃，此时[N]_3（14)第3列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第3列纱线、[N]_3（14)第4列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₄₃填入N₂₄，此时[N]_3（14)第4列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第3列剩余纱线、[N]_3（14)第5列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₁₃填入N₁₅、M₂₃填入N₂₅、M₃₃填入N₃₅，此时[N]_3（14)第5列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第4列纱线、[N]_3（14)第6列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₄₄填入N₂₆，此时[N]_3（14)第6列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第4列剩余纱线、[N]_3（14)第7列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₂₄填入N₁₇、M₃₄填入N₂₇、M₃₃填入N₃₅，此时[M]₄₈第4列填充完毕。按照转换原则，[M]₄₈第5列剩余纱线、[N]_3（14)第7列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，将M₄₅填入N₃₇。此时[N]_3（14)第7列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第5列剩余纱线、[N]_3（14)第8列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₁₅填入N₂₈，此时[N]_3（14)第8列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第5列剩余纱线、[N]_3（14)第9列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₃₅填入N₃₉、M₂₅填入N₂₉，此时[M]₄₈第5列填充完毕。按照转换原则，[M]₄₈第6列纱线、[N]_3（14)第9列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入将M₂₆填入N₁₉。此时[N]_3（14)第9列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第6列剩余纱线、[N]_3（14)第10列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₄₆填入N_2（10），此时[N]_3（14)第10列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第6列剩余纱线、[N]_3（14)第11列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₃₆填入N_1（11），此时[M]₄₈第6列填充完毕。按照转换原则，[M]₄₈第7列纱线、[N]_3（14)第11列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入，将M₄₇填入N_3（11）、M₃₇填入N_2（11）。此时[N]_3（14)第11列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第7列剩余纱线、[N]_3（14)第12列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₁₇填入N_2（12），此时[N]_3（14)第12列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第7列剩余纱线、[N]_3（14)第13列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₂₇填入N_3（13），此时[M]₄₈第7列填充完毕。按照转换原则，[M]₄₈第8列纱线、[N]_3（14)第13列剩余纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入将M₂₈填入N_1（13）、M₃₈填入N_2（13）。此时[N]_3（14)第13列填充完毕。

按照转换原则，[M]₄₈第8列剩余纱线、[N]_3（14)第14列纱线，需同时改变取线、填线方向，改为“

”,继续顺次填入。将M₄₈填入N_2（14），此时[N]_3（14)第14列填充完毕。

至此，已转换为新排列。

第四步：按照新排列7列×（3+1）层将连接区编织完毕。

至此，天线罩编织完毕。

Claims (4)

1.一种行列变换变截面预成型制件的三维编织方法，该三维编织方法以四步法三维多向编织工艺为基础，其特征在于在纱线总根数不变的前提下，通过行列变换的方式改变织物的排列，从而改变截面尺寸。

2.权利要求1所述的行列变换变截面预成型制件的三维编织方法，其特征在于在编织过程中，以预成型制件的一个端面为基准，根据变化的成型预制件截面尺寸和纤维体积含量的要求，设计新截面的排列，再通过相邻编织纱、轴纱的位置变换，完成新的排列，实现预成型制件的截面变化，完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。

3.根据权利要求1所述的行列变换变截面预成型制件的三维编织方法，其特征在于该三维编织方法的编织工艺采用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向的编织结构。

4.一种复合材料使用的行列变换变截面预成型制件，其特征在于它由权利要求1、2或3所述的三维编织方法整体编织而成。

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