CN111575875B - 一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体，属于三维机织复合材料技术领域，其中易碎盖的主体纤维部分由若干经纱和纬纱构成；薄弱区，分为经向薄弱区和纬向薄弱区和，由构成主体纤维部分的经纱和纬纱在特定区域发生不连续而构成，不连续纱线使预制体在某特定部分产生至少一个方向上纤维数量的减少。本发明的预制体其结构稳定，同时复合工艺简单，可实现易碎盖薄弱区强力和形状的可设计性，既能承受特定范围内的压力，又能在导弹燃气流的作用下顺利分离抛出，所涉及的预制体结构新颖，实用性强。

Description

一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体
技术领域
本发明属于三维机织复合材料技术领域，具体涉及一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体。
背景技术
导弹贮运发射箱盖是发射箱的关键部件，目前，导弹贮运发射箱端盖的打开方式有机械开关式，爆炸螺栓式和易碎式（详见US Pat.3970006, 1976; US Pat.4333381,1982 ），与上述两种箱盖打开方式相比，易碎式箱盖因具有质量轻，可靠性好等优点而被广泛推广和应用，并且发展迅速。
随着复合材料技术的不断发展，采用该技术制备的易碎式箱盖（以下简称易碎盖）因质轻高强，可设计性强等优点而在航空航天领域得到广泛应用；目前易碎盖的专利中多采用铺层方式制备易碎盖，国内的一种整体冲破式复合材料薄膜盖（详见CN 1844839A,2006），该薄膜盖采用玻纤布以改变不同铺层方式得到准各向同性的主体部分，通过胶接方式将主体与框架相连，在胶接处上下表面粘贴玻璃布条来控制薄弱区气密性与强度。该专利得到的易碎盖质量轻，制造成本低，但铺层主要以手工为主，工艺较复杂，胶接处厚度较难控制。而三维机织预制体在厚度方向上有能与平面发生交织的增强纱线，具有较好的结构整体性，可实现净形制造，减少制造流程，增加产品稳定性。国内另一篇专利（详见 CN109682255A）采用三维机织工艺制备含预置薄弱区的2.5D机织复合材料易碎盖，通过织造后抽取某区域一定层数的经纱以及纬纱来减少厚度方向的纱线数量，从而降低特定区域的强度。该方法工艺简单无需切割，但薄弱区需贯穿易碎盖整个宽度或长度方向，容易在易碎盖框架区域形成设计所不希望实现的薄弱结构，无法保证抛出体与主体的齐根断裂，强度稳定性与气密性无法保证。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题，公开了一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体，通过在易碎盖的薄弱区域设置不连续纱线使预制体在某特定部分产生至少一个方向上的纤维数量的减少，本发明设计的易碎盖既能承受特定范围内的压力、气密性好，又能在导弹燃气流的作用下顺利分离抛出，所涉及的预制体结构新颖，实用性强。
本发明是这样实现的：
一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体，其特征在于，所述的预制体包括主体纤维部分及在主体纤维部分中形成的薄弱区，所述的主体纤维部分由若干经纱和纬纱构成，所述的薄弱区分为经向薄弱区以及纬向薄弱区，两者经纬层数不同，在薄弱区形成经纱或纬纱不连续；不连续纱线使预制体在某特定部分产生至少一个方向上的纤维数量的减少。
所述的经向薄弱区由主体纤维部分的部分纬纱脱离主体纤维部分后在经向薄弱区起点以及经向薄弱区终点发生不连续而构成，所述的纬向薄弱区由主体纤维部分的部分经纱脱离主体纤维部分后在纬向薄弱区起点以及纬向薄弱区终点发生不连续而构成；薄弱区的强度低于主体纤维部分，当易碎盖在受到外部压力时在薄弱区破坏。
本发明采用三维提花织机进行织造，通过提花龙头控制每一根经纱的位置，实现经纱与纬纱的交织规律变化，分区域制造主体纤维部分、经向薄弱区和纬向薄弱区，或是斜向薄弱区。在主体纤维部分经纱与纬纱按照设计要求紧密交织在一起，而在薄弱区域，仅部分经纱和纬纱交织，其余纱线不交织，与主体纤维部分分离，使得纤维在薄弱区域不连续。
进一步，所述的经向薄弱区中：第一至倒数第二层纬纱在纬向薄弱区纤维不连续，最下层纬纱与经纱交织结构不变。
进一步，所述的纬向薄弱区中：第一至倒数第二层经纱在纬向薄弱区不连续，最下层经纱与纬纱交织结构不变。
进一步，所述预制体的纤维数量在薄弱区沿厚度方向减少；所述的薄弱区经向或纬向强度降低。
进一步，所述的预制体可根据不同形状设计实现净尺寸仿形尺寸成型，实现方形、圆形、六边形等的复杂形状易碎盖；
进一步，所述的薄弱区为N瓣或井字型，N为≥4的偶数，例如四瓣、六瓣、八瓣。
进一步，所述的预制体采用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的两种或两种以上混合编织。
本发明与现有技术的有益效果在于：
1. 采用三维机织仿形净尺寸织造，可根据易碎盖外形进行设计，实现一次性机织成形，相对于铺层复合材料易碎盖，加工周期短，减少了人工参与，提高了产品质量一致性；
2. 预制体薄弱区域通过结构设计自动化制造成形，无需二次加工，相较于搭接、切割制造等二次加工的薄弱区，其性能稳定，保证易碎盖既能承受特定范围内的压力，又能在导弹燃气流的作用下顺利分离抛出。
3. 三维机织预制体可根据易碎盖外形一次机织成形，避免了大量织物裁剪，提高了材料利用率；
4. 三维机织易碎盖预制体整体机织成形，主体与薄弱区为一体，提高了预制体完整性，其结构稳定，复合工艺简单;
5.三维机织易碎盖可通过结构设计实现不同工况的设计要求。
附图说明
图1为本发明的一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体的示意图；
图2为本发明实施例中主体纤维部分，截面A-A示意图；
图3为本发明实施例中包含经向及纬向薄弱区，截面B-B示意图；
图4为本发明实施例中包含经向及纬向薄弱区，截面C-C示意图；
图5为本发明实施例中包含经向薄弱区，截面D-D示意图；
图6为本发明实施例中包含纬向薄弱区，截面E-E示意图；
图7为本发明实施例中包含纬向薄弱区，截面F-F示意图；
其中，1-主体纤维部分；2-薄弱区；3-纬向薄弱区起点；4-纬向薄弱区终点；5-经向薄弱区起点；6-经向薄弱区终点；7-交织结构重复部分。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明记载的一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体，预制体包括主体纤维部分1及由主体纤维部分1中部分纱线形成的薄弱区2，所述的主体纤维部分1由若干经纱和纬纱构成，其中预制体中同时包括经向薄弱区和纬向薄弱区，基体与预制体通过复合成形构成易碎盖。本实施例中的基体为树脂；预制体由碳纤维或玻璃纤维等增强纤维制成。本实施例通过树脂传递模塑（RTM）进行复合成型。
以下结合具体的数据展示纤维数量在预制体所述薄弱区沿厚度方向减少，但纱线发生不连续的层数并不局限于实施例中的内容。本实施例的一种预制体，具体为一种包含经向薄弱区和纬向薄弱区的预制体，其中主体纤维部分1由若干经纱和纬纱构成；经向薄弱区由主体纤维部分1的部分纬纱脱离主体纤维部分1后在经向薄弱区起点5以及经向薄弱区终点6发生不连续而构成，同理构成主体纤维部分1的部分经纱脱离主体纤维部分1后在纬向薄弱区起点3以及纬向薄弱区终点4发生不连续而构成纬向薄弱区，薄弱区使预制体产生至少一个方向上的纤维数量的减少，从而降低该方向的力学性能。
其中易碎盖薄弱区的纤维数量沿预制体厚度方向减少，以图3~7为例，为使得更清楚的叙述，现拟定：Wxx-纬纱，其中W后第一个x表明第x列纬纱，第二个x表明从上到下数第x层纬纱，Jxx代表经纱，命名方式同纬纱；图示中的虚线斜杠部分为交织结构重复部分7。图3中W31向W34延伸反向、图4中W41向W44延伸方向、图5中W61向W64延伸方向、图6中J61向J63延伸方向、图7中J71向J73的延伸方向为预制体的厚度方向。
依照易碎盖的几何尺寸，确定三维机织预制体的整体尺寸和薄弱区的位置，具体如图1所示；图2为不含薄弱区的主体纤维部分1沿第二纬W2的轴向截面示意图（轴向截面指平行于纬纱轴向的截面），每列纬纱均包括3层经纱和四层纬纱，每层经纱均对应91纬，主体纤维部分1的表层为一上一下交织结构。其中图2~6中W21指第二纬第一层纬纱，W31指第三纬第一层纬纱，以此类推W911为第91纬第一层纬纱；W22为第二纬第二层纬纱，以此类推W912为第91纬第二层纬纱，其他纬纱标号的命名原则与此相同；同理，经纱命名方式同纬纱，以此类推此处不再赘述；且图2~7中的经纱和纬纱是一一对应的，例如图2与图3中的J63与图6中的J63为同一根经纱。
图3为与图2相邻的第3纬轴向截面示意图，从此列纬纱开始到第5纬结束，第一层至第三层的纬纱在经向薄弱区起点5及经向薄弱区终点6发生不连续，即W31、W32、W33在与经纱J21、J22、J23、J63、J863、J901、J902、J903交织后发生不连续，W34仍然保持与主体纤维部分1相同的交织结构，从而保证结构的完整性；同时，该列纬纱与第3-89列经纱交织部分为纬向薄弱区，此处经纱数量减少。
图4为与图3相邻的第4纬轴向截面示意图，如图所示，W41、W42与W43在经向薄弱区起点5及纬向薄弱区终点6发生不连续造成第4纬在与第3-5列经纱以及第87-89列经纱的交织区间发生数量上的减少，构成经向薄弱区；同理该列纬纱与第3-89列经纱交织区域为纬向薄弱区，此区域经纱数量减少；在本实施例中，第5纬仍然包含纬向薄弱区，其交织结构同图3，从第6-86纬开始不包含纬向薄弱区，其与第6根经纱至第86根经纱的交织结构与主体纤维部分1的交织结构相同，同时第6-86纬与第3-5列、第87-89列经纱的交织区间，经纱数量不变，具体见图5。
图6为包含纬向薄弱区的第6根经纱的轴向截面示意图，如图所示，J61与J62在纬向薄弱区起点3及经向薄弱区终点4发生不连续，造成第6根经纱在第3-5纬及第87-89纬的交织区间内发生数量上的减少，构成纬向薄弱区；J63在薄弱区与第3-5纬，以及第87-89纬的交织结构保持不变，用于保证结构完整性。
图7为第7根经纱的轴向截面示意图，与第6根经纱相同，J71与J72在第3-5纬以及第87-89纬处发生不连续，构成纬向薄弱区；依次类推，当经纱列数范围在6-86列时，若为偶数列，轴向截面的结构图同图6，当为奇数列时，结构图同图7。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体，其特征在于，所述的预制体包括主体纤维部分（1）及由主体纤维部分（1）中部分纱线形成的薄弱区（2），所述的主体纤维部分（1）由若干经纱和纬纱构成，所述的薄弱区分为经向薄弱区以及纬向薄弱区，两者经纬层数不同，在薄弱区形成经纱或纬纱不连续；所述的经向薄弱区由主体纤维部分（1）的部分纬纱脱离主体纤维部分（1）后在经向薄弱区起点（5）以及经向薄弱区终点（6）发生不连续而构成，所述的纬向薄弱区由主体纤维部分（1）的部分经纱脱离主体纤维部分（1）后在纬向薄弱区起点（3）以及纬向薄弱区终点（4）发生不连续而构成；薄弱区（2）的强度低于主体纤维部分（1），当易碎盖在受到外部压力时在薄弱区（2）破坏；经纱与纬纱的交织规律变化，分区域制造主体纤维部分、经向薄弱区和纬向薄弱区，或是斜向薄弱区；在主体纤维部分经纱与纬纱按照设计要求紧密交织在一起，而在薄弱区域，经纱和纬纱仅部分交织，其余纱线不交织，与主体纤维部分分离，使得纤维在薄弱区域不连续；
所述的经向薄弱区中：第一至倒数第二层纬纱在经 向薄弱区纤维不连续，最下层纬纱与经纱交织结构不变；所述的纬向薄弱区中：第一至倒数第二层经纱在纬向薄弱区不连续，最下层经纱与纬纱交织结构不变；所述预制体的纤维数量在薄弱区（2）沿厚度方向减少；所述的薄弱区（2）经向或纬向强度降低。
2.根据权利要求1所述的一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体，其特征在于，所述的预制体可根据不同形状设计实现净尺寸仿形尺寸成型，实现方形、圆形、六边形的复杂形状易碎盖。
3.根据权利要求1所述的一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体，其特征在于，所述的薄弱区（2）为N瓣或井字型，N为≥4的偶数。
4.根据权利要求1所述的一种易碎盖用含薄弱区三维机织预制体，其特征在于，所述的预制体采用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的两种或两种以上混合机织而成。
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