CN113604940B - 一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纤维增加复合材料预制体三维织造领域，具体涉及一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法。内容为在异形回转体三维织造过程中，对张力大小波动范围进行精确控制，以减少纱线在张力作用下的磨损，并补偿纱线在织造过程中的长度变化，保证预制体内部质量均匀性。实现回转异形体预制体织造过程中的张力控制，确保大范围的纱线整体张力的可控性，使张力显著降低并保持恒定，能够减少织造过程中张力不均、张力突变等问题的出现，有利于提高回转异形体三维织造过程的可控化、自动化程度。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增加复合材料预制体三维织造领域，具体涉及一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法。
背景技术
三维机织预制体制造是一种新型机织技术，它是纱线在三维空间中沿着经向和纬向相互垂直的两个方向分布并相互交织在一起形成的整体结构，作为高性能复合材料增强体制成的复合材料构件具有质量轻、高强度、力学性能优异等诸多优点，目前已经在航空航天、国防军工、交通运输、能源等众多领域得到广泛的应用，并向民用领域不断扩展。
随着复合材料预制体三维织造成形技术的发展，基于回转异型体的复合材料三维预制体应用及快速低成本制造的迫切需求，预制体成形的质量稳定性要求也越来越高。常规使用张力传感器直接在工艺过程中进行张力检测并进行控制的方式存在着对纤维磨损大，且不能在回转异形体织造过程对纱线长度进行有效补偿。
数字化三维编织原理样机中纱线张力控制主要由携纱器收放纱机构控制，但是在不同工艺工序中开口机构、致密化单元以及周向/径向纱植入系统等机构都会对纱线张力产生影响，张力控制范围以及波动情况对编织工艺的可行性以及预制体最终复合性能都具有较大的影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，从编织纱张力控制着手，分别研究携纱器路径对张力的影响和多头分携纱器张力波动，指导张力控制及波动范围，突破张力稳定性控制技术。其次分别对开口装置，致密化单元和周向/径向纱植入系统对编织纱张力影响开展研究，突破纱线张力时序精准控制技术。最后，深入研究纱线张力对编织过程中纱线损伤的影响，建立纱线张力、纤维损伤与材料性能的对应关系，指导纱线控制的设计值与波动范围，最终攻克数字化三维低损伤编织技术。
一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，包含以下部分：
A：从编织纱张力控制着手，设计出携纱器路径对张力的影响和多头分携纱器张力波动的试验矩阵；
B：开口对纱线张力控制部分，根据张力变化对开口装置的动作范围进行优化指导；设计出开口方式对纱线张力控制影响试验矩阵；
C:致密化单元对纱线控制部分；得出密化单元施加力与纱线张力的对应关系；其中，致密化单元施加力的大小的直接表现为单胞的花节长度不同，因此可通过设计出致密化单元对纱线张力控制试验矩阵，得到不同结构不同花节长度复合材料的性能以此指导致密化单元施加力的大小，进而对纱线张力控制设计提供数据基础；
D：周向/径向纱植入系统对编织纱张力影响部分：纱线植入系统分为周向/径向纱植入系统，不同方向上纱线以及不同种类纱线的植入对编织纱束缚力不同，对编织纱张力的影响也不同；设计出纱线植入系统对纱线张力控制试验矩阵，实现纱线植入系统与编织纱张力系统的协调匹配满足数字化编织工艺要求。
E:研究纱线张力对编织过程中纱线损伤的影响，建立纱线张力、纤维损伤与材料性能的对应关系，设计各种状态下纱束的拉伸强力试验矩阵和纱线特性参数和原材料的种类的试验矩阵到纱线控制的设计值与波动范围，得到联合控制方法。
本发明进一步改进在于：所述A部分中：所述不同纱线张力对复合材料的性能矩阵中：包含性能测试项目、张力设置范围、纱束编织性能、；其中性能测试项目包括纱束编织性能、拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、剪切、高温剪切、厚度方向拉伸。
本发明进一步改进在于：所述B部分：开口方式对纱线张力控制影响试验矩阵包括开口方式、力学性能测试和微观分析；其中所述开口方式包括周向开口和径向开口。
根据权利要求1所述的一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，其特征在于:所述C部分：致密化单元对纱线张力控制试验矩阵包括性能测试、预制体结构、花节长度，其中性能测试包括拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、剪切、高温剪切、厚度方向拉伸。
本发明进一步改进在于：所述D部分：纱线植入系统对纱线张力控制试验矩阵包括编织方式、测试项目、成型结构；其中所述编织方式采用混编、测试项目包括拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、层间剪切、高温层间剪切、厚度方向拉伸；所述成型结构包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向。
本发明进一步改进在于：所述E部分：包括各种状态下纱束的拉伸强力试验矩阵，，通过对每种纱线(原始、加捻、编织)进行拉伸测试，研究纱线加捻和编织后其拉伸强力变化的趋势；每组试验的有效试样个数应不少于7件。
本发明进一步改进在于：纱线特性参数和原材料的种类的试验矩阵，对不同原材料、不同成型结构方式的三维编织预制体复合材料的力学性能进行测试，包括拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、应力剪切、高温应力剪切和厚度方向拉伸七种力学性能。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，实现回转异形体预制体织造过程中的张力控制，确保大范围的纱线整体张力的可控性，使张力显著降低并保持恒定，能够减少织造过程中张力不均、张力突变等问题的出现，有利于提高回转异形体三维织造过程的可控化、自动化程度。
(2)建立纱线张力、纤维损伤与材料性能的对应关系，指导纱线控制的设计值与波动范围，最终攻克数字化三维低损伤编织技术。
附图说明
图1为纱线联合控制技术路线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，本实施例一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，
从编织纱张力控制着手，分别研究携纱器路径对张力的影响和多头分携纱器张力波动，指导张力控制及波动范围，突破张力稳定性控制技术。其次分别对开口装置，致密化单元和周向/径向纱植入系统对编织纱张力影响开展研究，突破纱线张力时序精准控制技术。最后，深入研究纱线张力对编织过程中纱线损伤的影响，建立纱线张力、纤维损伤与材料性能的对应关系，指导纱线控制的设计值与波动范围，最终攻克数字化三维低损伤编织技术。
(1)编织纱张力控制
数字化三维编织设备编织回转异型体预制体时采用由模具上端向下端的编织方式，因此在数字化三维编织中纱线张力过小将使得纱线依附在芯模上，造成纱线开口不清，周向及径向纱线植入困难，难以完成预制体编织。而纱线张力较大时，造成纱线开口闭合难度大，周向及径向纱线植入后，难以致密化，预制体无法完成尺寸控制。纱线张力不仅影响了预制体编织工艺的可行性，同时纱线张力对预制体内部结构也产生较大影响。纱线张力控制在可编织的工艺范围内，研究携纱器运动路径对纱线张力的影响，设计不同纱线张力，研究纱线张力对预制体单胞内部纱线编织角度和单胞形态的影响，进而研究张力对复合材料的力学性能影响。在此研究基础上，研究不同携纱器张力波动范围，避免编织过程中张力不均的情况。试样要求及数量见下表。
不同纱线张力对复合材料性能试验矩阵:
通过不同纱线张力对复合材料性能试验矩阵得出：
纱线张力处于1-3N时，最终制件的力学性能较优，张力过大会导致纤维损伤，降低力学性能，张力过小不利于预制体成型。
(2)开口装置对纱线张力影响
数字化三维编织装备中纱线张力的控制为组合式多系统联合控制，除了受到携纱器系统的主要控制外，开口装置、纱线植入系统以及致密化单元也会对纱线张力产生影响。对于开口装置，存在周向开口与径向开口两种模式，首先周向开口时，逐层的编织纱线分别需要放纱与收纱，不同层周向纱的引入造成编织纱开口的张力差异较大，因此需要对不同厚度方向上周向开口装置对纱线张力的影响进行研究。其次，径向开口会造成纱线张力不均，开口范围越大，影响的纱线张力变化越多，纱线张力波动范围越大，对预制体均匀性产生较大影响，进而影响材料性能，因此需要根据张力变化对开口装置的动作范围进行优化指导。试样测试数量见下表。
开口方式对纱线张力控制影响试验矩阵
通过开口方式对纱线张力控制影响试验矩阵得出：周向开口时，编织纱张力不均，当纱线张力差大于3N时，预制体内部结构出现部分松散区域，部分纤维受到严重损伤，径向开口时，纱线波动范围大，纱线张力波动超过3N时，纤维受损严重，这两种情况都会对最终预制体的性能产生不利影响，需要根据张力变化对开口装置的动作范围进行实时优化，控制开口大小保持张力恒定。
(3)致密化单元对纱线张力控制影响
在编织过程中，预制体致密化单元及其组合系统对依照交织规律形成交织的纱线施加一定的力，使得预制体致密化，在此过程中可以通过调整施加力的大小、方向，可实现预制体单胞形状、尺寸以及位置的精准控制，以此调控预制体内部不同方向上纤维体积分数配比，进而影响复合材料综合性能。但是在致密化单元工作过程中，施加力大小对编织纱张力具有较大的影响，致密化单元施加力较大时甚至将影响编织工序的进行，因此需要研究致密化单元施加力与纱线张力的对应关系。其中，致密化单元施加力的大小的直接表现为单胞的花节长度不同，因此可通过研究不同结构不同花节长度复合材料的性能以此指导致密化单元施加力的大小，进而对纱线张力控制设计提供数据基础。试验矩阵如下表。
致密化单元对纱线张力控制试验矩阵如下：
致密化单元对纱线张力控制试验矩阵得到：预制体花节长度越小，预制体纤维含量越高，但同时致密化单元对纱线施加的张力越大，提高预制体强度的同时对纤维造成了较大的损伤，因此花节长度不宜过大或过小，应选用中等长度(2-3cm)的花节长度，此时预制体制件在保持一定的纤维含量的同时对纤维损伤较小。
(4)纱线植入系统对纱线张力控制影响
纱线植入系统分为周向/径向纱植入系统，不同方向上纱线以及不同种类纱线的植入对编织纱束缚力不同，对编织纱张力的影响也不同。研究不同纱线在周向和径向进行植入对编织纱张力控制的影响，实现纱线植入系统与编织纱张力系统的协调匹配满足数字化编织工艺要求。试验矩阵如下表。
纱线植入系统对纱线张力控制试验矩阵
通过纱线植入系统对纱线张力控制试验矩阵得出，纱线的周向/径向植入对编织纱的张力影响不同，需要实时调整纱线植入方式从而保证恒定的纱线张力，保证预制体性能。
(5)纤维损伤对材料性能
预制体编织过程中纱线受到编织机构以及纱线间磨损，纱线张力越大，织口位置与携纱器相对距离越远，纱线磨损情况愈严重，分析纤维在编织过程中的损伤对编织结构的设计与张力调整具有指导意义；预制体中纱线起到了主要的承载作用，当复合材料在受到外载荷情况下，应力会由基体传递到纤维，若该载荷超过了纤维的极限抗拉强度时会造成复合材料的失效。因此组成预制体的纱线特性及编织过程中损伤程度，在很大程度上影响着复合材料的性能。本项内容以数字化三维低损伤编织为目标，研究纱线捻度、捻向等纱线参数与纱线张力匹配关系下预制体及复合材料性能，最终实现纱线张力的联合控制，完成预制体低损伤编织。
纱线在进行三维编织中，弯曲、变形、摩擦等因素致使其截面形状和纤维表观产生明显改变。纱线加捻是改善高性能纤维编织性能的常用方法之一，为了探究在加捻和编织过程中纱线的损伤情况，通过对每种纱线(原始、加捻、编织)进行拉伸测试，研究纱线加捻和编织后其拉伸强力变化的趋势。多种状态下纱线的拉伸强力测试见下表。为保证试验数据的准确性，每组试验的有效试样个数应不少于7件。
各种状态下纱束的拉伸强力试验矩阵
项目中按照相关标准测试，对不同原材料、不同成型结构方式的三维编织预制体复合材料的力学性能进行测试，包括拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、应力剪切、高温应力剪切和厚度方向拉伸七种力学性能。为探究预制体参数变化对复合材料性能影响规律提供数据支持。纱线特性参数和原材料的种类的试验见下表。
纱线特性参数和原材料的种类的试验矩阵
不同纤维的损伤对于预制体制件的力学性能都有着严重的不利影响。对于石英纤维而言，2-3N的纱线张力较1-2N的纤纱线张力，使预制体各项性能下降20％以上，而对于碳纤维而言，2-3N的纱线张力较1-2N的纤纱线张力仅使预制体各项性能下降10％以内。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (7)
1.一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，其特征在于: 包含以下部分：
A：从编织纱张力控制着手，设计出携纱器路径对张力的影响和多头分携纱器张力波动的试验矩阵；
B：开口对纱线张力控制部分，根据张力变化对开口装置的动作范围进行优化指导；设计出开口方式对纱线张力控制影响试验矩阵；
C:致密化单元对纱线控制部分；得出密化单元施加力与纱线张力的对应关系；其中，致密化单元施加力的大小的直接表现为单胞的花节长度不同，因此可通过设计出致密化单元对纱线张力控制试验矩阵，得到不同结构不同花节长度复合材料的性能以此指导致密化单元施加力的大小，进而对纱线张力控制设计提供数据基础；
D：周向/径向纱植入系统对编织纱张力影响部分：纱线植入系统分为周向/径向纱植入系统，不同方向上纱线以及不同种类纱线的植入对编织纱束缚力不同，对编织纱张力的影响也不同；设计出纱线植入系统对纱线张力控制试验矩阵，实现纱线植入系统与编织纱张力系统的协调匹配满足数字化编织工艺要求;
E:研究纱线张力对编织过程中纱线损伤的影响，建立纱线张力、纤维损伤与材料性能的对应关系，设计各种状态下纱束的拉伸强力试验矩阵和纱线特性参数和原材料的种类的试验矩阵到纱线控制的设计值与波动范围，得到联合控制方法。
2.根据权利要求1所述的一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，其特征在于: 所述A部分中：所述不同纱线张力对复合材料的性能矩阵中：包含性能测试项目、张力设置范围、纱束编织性能；其中性能测试项目包括纱束编织性能、拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、剪切、高温剪切、厚度方向拉伸。
3.根据权利要求1所述的一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，其特征在于: 所述B部分：开口方式对纱线张力控制影响试验矩阵包括开口方式、力学性能测试和微观分析；其中所述开口方式包括周向开口和径向开口。
4.根据权利要求1所述的一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，其特征在于: 所述C部分：致密化单元对纱线张力控制试验矩阵包括性能测试、预制体结构、花节长度，其中性能测试包括拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、剪切、高温剪切、厚度方向拉伸。
5.根据权利要求1所述的一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，其特征在于: 所述D部分：纱线植入系统对纱线张力控制试验矩阵包括编织方式、测试项目、成型结构；其中所述编织方式采用混编、测试项目包括拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、层间剪切、高温层间剪切、厚度方向拉伸；所述成型结构包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向。
6.根据权利要求1所述的一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，其特征在于: 所述E部分：包括各种状态下纱束的拉伸强力试验矩阵，通过对每种纱线（原始、加捻、编织）进行拉伸测试，研究纱线加捻和编织后其拉伸强力变化的趋势；每组试验的有效试样个数应不少于7件。
7.根据权利要求1所述的一种回转异形体预制体纱线张力联合控制试验方法，其特征在于:纱线特性参数和原材料的种类的试验矩阵，对不同原材料、不同成型结构方式的三维编织预制体复合材料的力学性能进行测试，包括拉伸、高温拉伸、压缩、高温压缩、应力剪切、高温应力剪切和厚度方向拉伸七种力学性能。
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2021
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