CN111910318A - 一种纤维复合材料壳体的增强体设计方法 - Google Patents

一种纤维复合材料壳体的增强体设计方法 Download PDF

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Abstract

一种纤维复合材料壳体的增强体设计方法，包括以下步骤：步骤一：将纤维复合材料壳体增强体沿厚度方向分解成n个单元套的织物，n个单元套厚度分别为d1、d2……dn，纤维复合材料壳体增强体总厚度D＝d1+d2+……+dn；步骤二：分别织造所述n个单元套的织物；步骤三：将n个单元套的织物展开进行套膜叠加得到所述纤维复合材料壳体增强体。本发明的方法织造周期短、成本低、操作简单、效率高、适应性强，方便实际应用；所制得的增强体织物具有适宜的成型性，蓬松性好等特点；用该方法设计的织物仿形精度高，能满足织物的外形特点要求，相应的织物力学性能优良，整体性能好。

Description

一种纤维复合材料壳体的增强体设计方法
技术领域
本发明属于纺织技术领域，具体涉及一种纤维复合材料壳体的增强体设计方法。
背景技术
纤维复合材料壳体增强体在生产生活中有大量的应用，如纤维增强型复合材料天线、飞机雷达罩以及雨伞等。织造纤维增强型复合材料天线的方法是使用蜂窝夹层结构，蜂窝夹层结构制造过程复杂并且不可逆，对制造过程要求非常严格，织造比较困难；飞机雷达罩的成型采用缠绕法，先用织机织造出条带，再按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。但这种方法的纤维缠绕规律设计和张力控制复杂，成型的复合材料制品沿纤维纵向和横向的强度差异大；雨伞使用裁剪缝合法，该方法需要大量的人工操作，织物的成型效果不好、精度不佳，在缝合处容易破裂。纤维复合材料壳体目前在航空、航天等均有广泛应用，该制品为具有一定形状的整体织物，是织造高性能、净尺寸复合材料所必须的增强材料。现有技术中常采用依模编织保证织物的仿形精度，但该方法操作难度大，现有的机织方法中有些文献提到了织物的仿形性，但关于采用平面织造纤维复合材料壳体增强体的设计及其成型方法鲜有提及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种织造成本低、操作简单、效率高、精度高的纤维复合材料壳体的增强体设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种纤维复合材料壳体的增强体设计方法，包括以下步骤：
步骤一：将纤维复合材料壳体增强体沿厚度方向分解成n个单元套的织物，n个单元套厚度分别为d1、d2……dn，纤维复合材料壳体增强体总厚度D＝d1+d2+……+dn；
步骤二：分别织造所述n个单元套的织物；
步骤三：将n个单元套的织物展开进行套膜叠加得到所述纤维复合材料壳体增强体。
进一步地，所述纤维复合材料壳体的增强体在不同的站位高度的厚度不完全相同。
进一步地，所述步骤一中的n个单元套的织物的厚度相同或不同和/或长度相同或不同。
进一步地，所述纤维复合材料壳体的增强体的外形为规则的外形曲线或不规则的外形曲线。
进一步地，所述步骤一中的n个单元套的织物自底部向顶部厚度逐渐变厚或逐渐变薄。
进一步地，所述步骤一中的n个单元套的织物包括底部截锥套，所述底部截锥套自增强体的底部向顶部延伸，每个底部截锥套的长度相同或不同。
进一步地，所述步骤一中的n个单元套的织物包括多个顶部小单元套，所述顶部小单元套自增强体的顶部向底部延伸，每个顶部小单元套的长度相同或不同。
进一步地，所述步骤一中的n个单元套的织物包括一个顶部加厚层，所述顶部加厚层自增强体的顶部向底部延伸，所述顶部加厚层的厚度大于其它单元套。
进一步地，每个单元套的织物的厚度为0.2mm。
一种纤维复合材料壳体的增强体，所述增强体采用上述的设计方法设计得到。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明新型的引纬方式，结合经纱预置技术和加减纱技术，实现了大曲率曲面、大尺寸截面回转体、方形、多边形等立体织物的快速织造，整体均匀性好，制备的复合材料抗冲击、抗分层、耐疲劳性能优异，可广泛应用与航空、航天、武器等领域大尺寸部件的快速生产制备；
(2)本发明的方法织造周期短、成本低、操作简单、效率高、适应性强，方便实际应用；所制得的增强体织物具有适宜的成型性，蓬松性好等特点；用该方法设计的织物仿形精度高，能满足织物的外形特点要求，相应的织物力学性能优良，整体性能好。
附图说明
图1是纤维复合材料壳体的增强体外形示意图。
图2是对称折叠示意图。
图3是之字折叠示意图。
图4是往复引纬方式示意图。
图5是之字引纬方式示意图。
图6是规则等厚纤维复合材料壳体增强体厚度分解示意图。
图7是不规则等厚纤维复合材料壳体增强体厚度分解示意图。
图8是单元套底部变厚度的纤维复合材料壳体增强体厚度分解示意图。
图9是底部加截锥套的纤维复合材料壳体增强体厚度分解示意图。
图10是顶部加加厚层的纤维复合材料壳体增强体厚度分解示意图。
图11是顶部加小单元套的纤维复合材料壳体增强体厚度分解示意图。
图12是织物织造示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
一种纤维复合材料壳体的增强体设计方法，包括以下步骤：
步骤1：将纤维复合材料壳体增强体沿厚度方向分解成n个单元套的织物，n个单元套厚度分别为d1、d2……dn，纤维复合材料壳体增强体总厚度D＝d1+d2+……+dn；
步骤2：分别织造所述n个单元套的织物；
步骤3：将n个单元套的织物展开进行套膜叠加得到所述纤维复合材料壳体增强体。
优选地，所述步骤二分别织造所述n个单元套的织物的方法包括以下步骤：
步骤2.1：将单元套进行平面展开与仿形设计，将单元套折叠为m层片层织物，m为2的倍数，即根据壳体增强体外形特点进行平面展开，将壳体增强体曲面展开为多片层叠的平面，对于可直接展开平面可根据装备或工艺需要设计相应的片数，对于不可直接展开曲面采用投影计算法，对折叠片数进行设计，满足片层长度和曲面曲线近似相等，最大程度上满足仿形精度的要求，单纯就仿形精度而言，m越大仿形精度高，实际织造过程中，可根据需要合理选择m值，根据选定的仿形方法完成经纱的排布；
步骤2.2：计算单元套不同站位高度处的周长，周长的计算方法包括：①截面为圆形的规则壳体，根据外形曲线方程，计算不同站位高度的半径，根据半径计算周长；②截面为不规则形状的壳体，可以通过拆分成两个或多个规则形状，对拆分的规则形状计算弧长再进行叠加得到总周长，无法通过拆分进行计算的，可直接在三维图形上量取不同站位高度处的周长；
步骤2.3：预置排布经纱；
步骤2.4：设计引纬方式，根据设计的引纬方式依次引纬，保证纬纱连续，与预置的经纱交织完成织造；
步骤2.5：根据单元套仿形平面的尺寸要求判断在相应位置是否需要进行加减纱、加减层的操作，若需要则进行相应操作；
步骤2.6：重复步骤四和步骤五直至完成单个单元套的平面织造；
步骤2.7：重复步骤一至步骤六直至完成所述多个单元套的平面织造。
优选地，结合图2-3，所述步骤2.1中将立体织物折叠为m层片层织物的片层折叠方式是对称折叠(图2所示)或之字折叠(图3所示)或者两者结合的方式。
优选地，所述步骤2.3具体包括：取单元套不同站位高度处的周长的1/m作为织物的幅宽，然后结合织物的在线织造缩率a进行幅宽的修正计算，计算织物的上机幅宽，即上机幅宽＝理论幅宽*(1+a)，根据织物的经密要求，计算织物的上机经纱根数，完成该织物的经纱排列布置，例如经纱总层数为x，x为m的倍数，x/m为每片织物的厚度，经纱总列数k为大于m的正整数，片层中间相隔2个综眼以上。
优选地，所述步骤2.4中引纬方式为先由仿形后单元套的外层向单元套内层引纬，然后从单元套的内层向单元套外层引纬，保证纬纱连续。
优选地，所述引纬方式包括往复引纬方式(图4所示)或之字引纬方式(图5所示)，m层片层织物片层之间的往复引纬方式的纬纱引入方式为：自最下层片层至最上层片层，然后从最上层片层依次往下回最下层片层形成一个闭环的引纬路径，将所述引纬路径上任一点作为纬纱引入点；m层片层织物片层之间的之字引纬方式的纬纱引入方式为：自最下层片层至中部某一层片层，然后从中部某一层片层依次向上至最上层片层，然后从最上层片层至所述中部某一层片层的下一层，最后从中部某一层片层的下一层依次往下回最下层片层形成一个闭环的引纬路径，将所述引纬路径上任一点作为纬纱引入点，采用上述方式将纬纱形成封闭环螺旋状结构，从而实现壳体增强体的仿形织造。
根据周长及经纱排布方式，合理选用往复引纬、之字引纬等引纬方式进行引纬操作，与预置的经纱交织织造，引纬方式与经纱排布方法相关，根据需要选用往复引纬或之字引纬等方式，根本原则在于先由仿形后立体织物的外层向立体织物内层引纬，之后从立体织物的内层向立体织物外层引纬，保证纬纱连续，保证织物的整体性。对于两片法仿形可采用往复引纬方式进行；对于四片及以上多片法仿形采用之字引纬方式引纬。对于单片层内经纱层数为单层时，根据选用的引纬方式依次引纬，保证纬纱连续，完成织造；对于单片层内预置为多层经纱时，设每个片层经纱层数为n，层数自下向上分别为1,2,3……n，自第一片至下一片引纬时，纬纱引入的经纱层数为1——n——1——n……，所有片数该层纬纱引入后，保证纬纱连续将纬纱再次引入至第一片，之后纬纱引入顺序依次为：2——n-1——2——n-1……，3——n-2——3——n-2…………，n——1——n——1……。
优选地，所述纤维复合材料壳体的增强体在不同的站位高度的厚度不完全相同。
优选地，所述步骤一中的n个单元套的织物的厚度相同或不同和/或长度相同或不同。
优选地，结合图8，n个单元套的织物的底部厚度较大，这样可实现底部变厚。
优选地，结合图9，所述步骤一中的n个单元套的织物包括底部截锥套，所述底部截锥套自增强体的底部向顶部延伸，每个底部截锥套的长度相同或不同。
优选地，结合图11，所述步骤一中的n个单元套的织物包括多个顶部小单元套，所述顶部小单元套自增强体的顶部向底部延伸，每个顶部小单元套的长度相同或不同。
优选地，结合图10，所述步骤一中的n个单元套的织物包括一个顶部加厚层，所述顶部加厚层自增强体的顶部向底部延伸，所述顶部加厚层的厚度大于其它单元套。通过上述的方式可使用于厚度变化的壳体增强体。
实施例1：
本实施例为规则壳体增强体织物，其外形如图1所示，总体厚度为4mm，如图6所示厚度相同，织物大端直径为200mm，高度为500mm，采用经纱为66tex×1股的石英玻璃纤维，纬纱66tex×1股的石英玻璃纤维，经密16根/cm，纬密12根/cm进行织造。其设计方法为：首先该织物总体厚度为4mm，纤维复合材料壳体增强体对层间的性能要求也较低，将总厚度分解成20个厚度为0.2mm的单元锥套；其次该织物为规则壳体，采用两片法进行设计；截面为规则圆形，通过数学方法计算不同站位高度对应的周长，取周长的1/4作为织物的幅宽，如大端织物处织物周长为628mm，幅宽为314mm，然后结合织物的在线织造缩率a进行幅宽的修正计算，计算织物的上机幅宽，即上机幅宽＝理论幅宽*(1+a)，本实施例中，a取值2％，即上机幅宽为320.3mm，织物的经密为16根/cm，则预置经纱根数为1024根；最后根据计算的不同站位高度处的经纱根数及纬数，计算经纱的衰减规律，如表1所示，根据表1的衰减规律，采用往复式引纬方式引入纬纱，以此循环，完成织物的上机织造，织物示意图如图12所示。
表1实施例1经纱衰减表
Figure BDA0002609855150000061
Figure BDA0002609855150000071
实施例2：
本实施例为规则壳体增强体织物，其外形如图1所示，总体厚度最大为5mm，最小4mm，从壳体顶部向底部400mm长度厚度4mm不变，从400mm位置至顶部厚度逐渐变厚，变厚度区间50mm，在此区间内，厚度从4mm渐变至5mm，底部50mm长度厚度5mm不变，织物大端直径为200mm，高度为500mm，采用经纱为66tex×1股的石英玻璃纤维，纬纱66tex×1股的石英玻璃纤维，经密16根/cm，纬密12根/cm进行织造。其设计方法为：首先该织物最大厚度为5mm，最小厚度为4mm，根据最小厚度分解成20个厚度为0.2mm的单元锥套，最大厚度分解成20个厚度为0.2mm的单元锥套及5个厚度为0.2mm的截锥套，中间过度区域截锥套的长度逐渐减少，如图9所示；20个单元锥套及5个截锥套的设计及成型方法参照实施例1，本实施例与实施例1的最大区别在于5个截锥套的长度设计，5个截锥套的有效长度依次设计为60mm，70mm，80mm，90mm，100mm，并在有效长度结束的位置添加标记线，以便套模时进行识别。
实施例3：
本实施例为规则壳体增强体织物，其外形如图1所示，总体厚度最大为5mm，最小4mm，从壳体顶部向底部400mm长度厚度4mm不变，从400mm位置至底部厚度逐渐变厚，变厚度区间50mm，在此区间内，厚度从4mm渐变至5mm形成一变厚度区间，底部50mm长度厚度5mm不变，织物大端直径为200mm，高度为500mm，采用经纱为66tex×1股的石英玻璃纤维，纬纱66tex×1股及66tex×2股的石英玻璃纤维，经密16根/cm，纬密12根/cm进行织造。其设计方法为：首先该织物最大厚度为5mm，最小厚度为4mm，根据最小厚度分解成20个厚度为0.2mm的单元锥套，最大厚度分解成20个厚度为0.25mm的单元锥套，中间变厚度区间过度区域的各单元锥套厚度逐渐变化，如图8所示，其中厚度0.2mm的位置采用66tex×1股的石英玻璃纤维，厚度0.25mm的位置采用66tex×2股的石英玻璃纤维；单元锥套的设计及成型方法参照实施例1，本实施例与实施例1的最大区别在于单元锥套的变厚度设计，本实施例采用的是改变纬纱粗细的方式改变厚度，但变厚度的方式不仅限于此。20个单元锥套变厚度的位置即改变纬纱股数的位置为相邻两个单元套的长度间隔2.5mm，即依次为从壳体底部开始50mm处、52.5mm处、55mm处、……100mm处，并在改变纬纱的位置添加标记线，以便套模时进行识别。
实施例4：
本实施例为不规则壳体增强体织物，其外形如图7所示，总体厚度为4mm，厚度相同，织物大端长直径为400mm，短直径300mm，高度为500mm，采用经纱为66tex×1股的石英玻璃纤维，纬纱66tex×1股的石英玻璃纤维进行织造。其设计方法为：首先该织物总体厚度为4mm，纤维复合材料壳体增强体对层间的性能要求也较低，将总厚度分解成20个厚度为0.2mm的单元锥套；其次该织物为不规则壳体，考虑尽量减少母线长度的差异，提高仿形精度，同时兼顾生产效率，因此采用四片法进行设计；计算不同站位高度对应的周长，取大圆弧长度的一半作为其中两片的幅宽，取小圆弧长度的一半作为另外两片的幅宽，如大端织物处大圆弧长度为628mm，则该圆弧对应的两片织物的幅宽为314mm，小圆弧长度为471mm，则该圆弧对应的两片织物的幅宽为235.5mm，然后结合织物的在线织造缩率a进行幅宽的修正计算，计算织物的上机幅宽，即上机幅宽＝理论幅宽*(1+a)，本实施例中，a取值2％，即上机幅宽为320.3mm及240mm，织物的经密为16根/cm，则预置经纱根数为下片(大圆弧对应的两片)1024根，上片(小圆弧对应的两片)768根；最后根据计算的不同站位高度处的经纱根数及纬数，计算经纱的衰减规律，如表2所示，根据表2的衰减规律，采用往复引纬方式引入纬纱，以此循环，完成织物的上机织造，织物示意图如图12所示。
表2实施例4经纱衰减表
Figure BDA0002609855150000091
Figure BDA0002609855150000101
注：合片即上片与下片折叠在一起的地方。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将纤维复合材料壳体增强体沿厚度方向分解成n个单元套的织物，n个单元套厚度分别为d1、d2……dn，纤维复合材料壳体增强体总厚度D＝d1+d2+……+dn；
步骤二：分别织造所述n个单元套的织物；
步骤三：将n个单元套的织物展开进行套膜叠加得到所述纤维复合材料壳体增强体。
2.根据权利要求1所述的纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，所述纤维复合材料壳体的增强体在不同的站位高度的厚度不完全相同。
3.根据权利要求1所述的纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，所述步骤一中的n个单元套的织物的厚度相同或不同和/或长度相同或不同。
4.根据权利要求1所述的纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，所述纤维复合材料壳体的增强体的外形为规则的外形曲线或不规则的外形曲线。
5.根据权利要求1所述的纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，所述步骤一中的n个单元套的织物自底部向顶部厚度逐渐变厚或逐渐变薄。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，所述步骤一中的n个单元套的织物包括底部截锥套，所述底部截锥套自增强体的底部向顶部延伸，每个底部截锥套的长度相同或不同。
7.根据权利要求2-5中任一项所述的纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，所述步骤一中的n个单元套的织物包括多个顶部小单元套，所述顶部小单元套自增强体的顶部向底部延伸，每个顶部小单元套的长度相同或不同。
8.根据权利要求2-5中任一项所述的纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，所述步骤一中的n个单元套的织物包括一个顶部加厚层，所述顶部加厚层自增强体的顶部向底部延伸，所述顶部加厚层的厚度大于其它单元套。
9.根据权利要求1所述的纤维复合材料壳体的增强体设计方法，其特征在于，每个单元套的织物的厚度为0.2mm。
10.一种纤维复合材料壳体的增强体，其特征在于，所述增强体采用如权利要求1-9任一项所述的设计方法设计得到。
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