CN109811466A - 一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于立体编织技术领域，公开了一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，包括以下步骤：步骤1，进行2.5D浅交弯联结构编织，步骤2，确定预留经纱长度和股数，步骤3，采用减纱操作和移纱操作进行三维四向结构编织。本发明通过改进编织方法，使得编织的立体结构综合力学性能更强。

Description

一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法

技术领域

本发明属于立体编织技术领域，具体涉及一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法。

背景技术

高性能纤维在三维空间多方向连续排布、相互交缠，形成的纤维织物称为立体织物，作为增强体用于制作先进复合材料。复合材料的增强体形状结构及其品质基本决定了复合材料性能。以立体织物作为增强体的复合材料已成功应用于航空、航天等高技术领域，具有很好的发展前景。

碳化硅纤维和碳纤维都具有高比强度、高比模量、耐化学腐蚀和优异电磁波吸收特性，碳纤维在非氧化环境下耐高温、抗氧化、而碳化硅纤维其耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，因此都被称为21世纪航天、航空以及高技术领域用的新材料，成为近年来发展较快的高温陶瓷基复合材料的增强纤维。

在现有的四步法方型三维编织工艺中，编织纱线在编织机底盘上的排列和数量由预型件的横截面形状与尺寸决定，一旦选定某一横截面作为起始编织截面后，所需的编织纱线根数与排列方式就可以根据已知的纱线细度、编织角等材料参数和结构参数计算确定，整个编织过程中编织纱阵列的大小与形状不会发生改变，最终得到的预型件是横截面外观尺寸与起始编织截面完全相同的等截面预型件。可见，常规的四步法方型三维编织工艺只能制备横截面外形尺寸沿长度方向不发生改变的等截面预型件。

针对受力复杂构件，即不同部位受力不同的构件，单一织物结构和形状和不能满足其使用需求。

目前，立体编织中主要存在以下问题：

1、编织纱线的排列结构单一，仅能制备横截面外形尺寸沿长度方向不发生改变的等截面预型件。

2、织物交界面交接处力学性能薄弱、质量难以保证。

发明内容

本发明目的在于针对现有编织技术的不足，提供一种可靠性高、方便易行、纤维取向复杂、纤维体积含量可设计性强、纤维之间连续的变截面的新结构立体编织方法。

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明所采用的技术方案为：

一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，包括以下步骤：

步骤1：进行2.5D浅交弯联结构编织。

步骤2：确定预留经纱长度和股数。

步骤3：采用减纱操作和移纱操作进行三维四向结构编织。

进一步的，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：根据织物尺寸计算预留2.5D浅交弯联结构中的纤维长度。

步骤2.2：根据三维四向结构需要的纤维线密度计算预留纤维股数和根数。

步骤2.3：将2.5D浅交弯联结构中预留的纤维线作为三维多向结构中编织纱。

进一步的，所述步骤3包括至少一次减纱操作，减纱操作能够改善减纱点的孔洞现象。

进一步的，一次减纱操作，使得编织工艺更加便捷，效率更高，多次减纱使得编织的纹路更加紧密，使用效果更好，通过选择不同的编织方式可以适用于不同的编织条件。

进一步的，所述减纱操作包括以下步骤：

步骤a1：将与截面尺寸缩减位置相对应的编织纱线划分为纱线单元。

步骤a2：在缩减截面宽度时，选择至少一列纱线单元作为减纱单元。

步骤a3：在缩减截面厚度时，选择至少一行纱线单元作为减纱单元。

步骤a4：将所有的减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，并在预型件的自由头端处将其剪断。

进一步的，所述步骤3包括至少一次移纱操作。

进一步的，所述移纱操作包括以下步骤：

步骤b1：在缩减截面宽度时，将与减纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元作为移纱单元。

步骤b2：将移纱单元填充减纱单元的空缺。

步骤b3：依次将与该移纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元平移填充该移纱单元的纱线空缺，直至该减纱单元所在行的外侧所有的纱线单元全部平移过，空缺位置移至该行最外侧为止。

步骤b4：在缩减横截面厚度时，将与减纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元作为移纱单元。

步骤b5：将移纱单元填充减纱单元的空缺。

步骤b6：依次将与该移纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元平移填充该移纱单元的纱线空缺，直至该减纱单元所在列的外侧所有移纱单元全部平移过，空缺位置移至该列最外侧为止。

进一步的，所述纤维采用碳化硅纤维或者碳纤维。

进一步的，所述碳化硅纤维和碳纤维兼具材料的强抗拉力和纤维柔软可编织性两大特征，是力学性能优异的新材料，被称为21世纪航天、航空以及高技术领域用的新材料。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过改进编织方法，使得编织的立体结构综合力学性能更强。

(2)本发明通过运用减纱操作能够改善减纱点的孔洞现象，通过运用移纱操作能够改善移纱点的孔洞现象。

(3)本发明的纤维选择碳化硅纤维和碳纤维兼具材料的强抗拉力和纤维柔软可编织性两大特征，是力学性能优异的新材料，被称为21世纪航天、航空以及高技术领域用的新材料。

(4)本发明具有至少一次减纱操作，一次减纱操作使得编织工艺更加便捷，效率更高，多次减纱使得编织的纹路更加紧密，使用效果更好，通过选择不同的编织方式可以适用于不同的编织条件。

附图说明

图1为本发明中复合材料的变截面新结构立体编织物中三维四向结构纤维预留图；

图2为本发明中复合材料的变截面新结构立体编织物中2.5D浅交弯联结构成型示意图；

图3为本发明复合材料的变截面新结构立体编织物由正交2.5D浅交弯联结构和三维四向结构组合的成型图；

图4为图3的立体结构示意图。

图中：1-预留纤维；2-编织纤维；3-三维四向结构；4-纬纱；5-三维四向编织纱；6-经纱；7-2.5D浅交弯联结构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1：

如图1所示，一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，包括以下步骤：

步骤1：进行2.5D浅交弯联结构7编织。

步骤2：确定预留经纱6长度和股数。

步骤3：采用减纱操作和移纱操作进行三维四向结构3编织。

实施例2：

如图1-4所示，一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，包括以下步骤：

步骤1：进行2.5D浅交弯联结构7编织。

步骤2：确定预留经纱6长度和股数。

步骤3：采用减纱操作和移纱操作进行三维四向结构3编织。

所述2.5D浅交弯联结构7包括相互编织的编织纤维2和用于编织三维四向结构3的预留纤维1。

所述三维四向结构3包括三维四向编织纱5，三维四向编织纱5包括相互编织的经纱6和纬纱4。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：根据织物尺寸计算预留2.5D浅交弯联结构7中的纤维长度。

步骤2.2：根据三维四向结构3需要的纤维线密度计算预留纤维1股数和根数。

步骤2.3：将2.5D浅交弯联结构7中预留的纤维线作为三维多向结构中编织纱。

所述减纱操作包括以下步骤：

步骤a1：将与截面尺寸缩减位置相对应的编织纱线划分为纱线单元。

步骤a2：在缩减截面宽度时，选择至少一列纱线单元作为减纱单元。

步骤a3：在缩减截面厚度时，选择至少一行纱线单元作为减纱单元。

步骤a4：将所有的减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，并在预型件的自由头端处将其剪断。

所述移纱操作包括以下步骤：

步骤b1：在缩减截面宽度时，将与减纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元作为移纱单元。

步骤b2：将移纱单元填充减纱单元的空缺。

步骤b3：依次将与该移纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元平移填充该移纱单元的纱线空缺，直至该减纱单元所在行的外侧所有的纱线单元全部平移过，空缺位置移至该行最外侧为止。

步骤b4：在缩减横截面厚度时，将与减纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元作为移纱单元。

步骤b5：将移纱单元填充减纱单元的空缺。

步骤b6：依次将与该移纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元平移填充该移纱单元的纱线空缺，直至该减纱单元所在列的外侧所有移纱单元全部平移过，空缺位置移至该列最外侧为止。

实施例3：

如图1-4所示，一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，包括以下步骤：

步骤1：进行2.5D浅交弯联结构7编织。

步骤2：确定预留经纱6长度和股数。

步骤3：采用减纱操作和移纱操作进行三维四向结构3编织。

所述2.5D浅交弯联结构7包括相互编织的编织纤维2和用于编织三维四向结构3的预留纤维1。

所述三维四向结构3包括三维四向编织纱5，三维四向编织纱5包括相互编织的经纱6和纬纱4。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：根据织物尺寸计算预留2.5D浅交弯联结构7中的纤维长度。

步骤2.2：根据三维四向结构3需要的纤维线密度计算预留纤维1股数和根数。

步骤2.3：将2.5D浅交弯联结构7中预留的纤维线作为三维多向结构中编织纱。

所述步骤3包括至少一次减纱操作，减纱操作能够改善减纱点的孔洞现象。

所述减纱操作包括以下步骤：

步骤a1：将与截面尺寸缩减位置相对应的编织纱线划分为纱线单元。

步骤a2：在缩减截面宽度时，选择至少一列纱线单元作为减纱单元。

步骤a3：在缩减截面厚度时，选择至少一行纱线单元作为减纱单元。

步骤a4：将所有的减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，并在预型件的自由头端处将其剪断。

所述步骤3包括至少一次移纱操作。

所述移纱操作包括以下步骤：

步骤b1：在缩减截面宽度时，将与减纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元作为移纱单元。

步骤b2：将移纱单元填充减纱单元的空缺。

步骤b3：依次将与该移纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元平移填充该移纱单元的纱线空缺，直至该减纱单元所在行的外侧所有的纱线单元全部平移过，空缺位置移至该行最外侧为止。

步骤b4：在缩减横截面厚度时，将与减纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元作为移纱单元。

步骤b5：将移纱单元填充减纱单元的空缺。

步骤b6：依次将与该移纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元平移填充该移纱单元的纱线空缺，直至该减纱单元所在列的外侧所有移纱单元全部平移过，空缺位置移至该列最外侧为止。

所述纤维采用碳化硅纤维或者碳纤维。

所述碳化硅纤维和碳纤维兼具材料的强抗拉力和纤维柔软可编织性两大特征，是力学性能优异的新材料，被称为21世纪航天、航空以及高技术领域用的新材料。

本发明通过改进编织方法，使得编织的立体结构综合力学性能更强。

本发明通过运用减纱操作能够改善减纱点的孔洞现象，通过运用移纱操作能够改善移纱点的孔洞现象。

本发明的纤维选择碳化硅纤维和碳纤维兼具材料的强抗拉力和纤维柔软可编织性两大特征，是力学性能优异的新材料，被称为21世纪航天、航空以及高技术领域用的新材料。

实施例4：

如图1-4所示，本发明用于复合材料的变截面新结构立体编织物以碳化硅纤维或碳纤维为原材料，首先按照2.5D浅交弯联结构7成型工艺完成织物中2.5D浅交弯联结构7编织，编织织物尺寸100mm×50mm×20mm，预留经纱6，一股纤维，90mm长，500根。

根据设计要求，固定好已成型的2.5D浅交弯联结构7织物，然后将2.5D浅交弯联结构7中预留碳化硅或碳纤维作为编织纱，根据织物体积密度要求增加部分编织纱或者直接编织，以纤维体积含量为55％，编织角我35°，需要增加324根编织纱，按照三维四向编织要求的工艺参数，逐步完成纤维编织。

以2.5D浅交弯联结构7中的最大端面为减纱基准截面，按照四步法方型三维编织工艺进行编织，在编织过程中进行至少一次的减纱操作与移纱操作，得到变截面三维编织预型件。首先在编织机底盘上将824根纱线排列成T形，其中翼板中包含494根编织纱，筋板中包含330根编织纱；然后按照四步法方型三维编织工艺开始编织；由于预型件的翼板为等截面矩形件，而筋板为高度逐渐变小的变截面结构件，因此编织过程中翼板的纱线根数保持不变，只需在筋板处进行减纱编织，筋板高度的变化通过6次减纱、移纱近似逼近，每次使2个减纱单元以整行分布的形式排列在相应的减纱截面内，减纱8根，每次减纱后外侧相邻行位置的移纱单元依次填充空缺纱线的位置；每次编织纱线移动并重新排列后，将按照其所处位置的运动规律参与后续编织，最终T形梁的最小横截面内共有776根纤维。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：进行2.5D浅交弯联结构(7)编织；

步骤2：确定预留经纱(6)长度和股数；

步骤3：采用减纱操作和移纱操作进行三维四向结构(3)编织。

2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：根据织物尺寸计算预留2.5D浅交弯联结构(7)中的纤维长度；

步骤2.2：根据三维四向结构(3)需要的纤维线密度计算预留纤维(1)股数和根数；

步骤2.3：将2.5D浅交弯联结构(7)中预留的纤维线作为三维多向结构中编织纱。

3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，其特征在于：所述步骤3包括至少一次减纱操作，减纱操作能够改善减纱点的孔洞现象。

4.根据权利要求3所述的一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，其特征在于：所述减纱操作包括以下步骤：

步骤a1：将与截面尺寸缩减位置相对应的编织纱线划分为纱线单元；

步骤a2：在缩减截面宽度时，选择至少一列纱线单元作为减纱单元；

步骤a3：在缩减截面厚度时，选择至少一行纱线单元作为减纱单元；

步骤a4：将所有的减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，并在预型件的自由头端处将其剪断。

5.根据权利要求3所述的一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，其特征在于：所述步骤3包括至少一次移纱操作。

6.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，其特征在于：所述移纱操作包括以下步骤：

步骤b1：在缩减截面宽度时，将与减纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元作为移纱单元；

步骤b2：将移纱单元填充减纱单元的空缺；

步骤b3：依次将与该移纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元平移填充该移纱单元的纱线空缺，直至该减纱单元所在行的外侧所有的纱线单元全部平移过，空缺位置移至该行最外侧为止；

步骤b4：在缩减横截面厚度时，将与减纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元作为移纱单元；

步骤b5：将移纱单元填充减纱单元的空缺；

步骤b6：依次将与该移纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元平移填充该移纱单元的纱线空缺，直至该减纱单元所在列的外侧所有移纱单元全部平移过，空缺位置移至该列最外侧为止。

7.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的变截面新结构立体编织方法，其特征在于：所述纤维采用碳化硅纤维或者碳纤维。