CN116121938A - 一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，梁结构中肋板内经纱到各个翼板经纱规格无需变化，将梁结构中肋板内部纬纱层均分成两份或多份，并分别贯穿到梁结构两个或多个翼板中，使肋板内纬纱与各个翼板纬纱连续，同时通过提综开口，加入仅贯穿两两翼板的额外纬纱，使肋板及各翼板厚度相等，实现梁结构预制体的一体化织造。本发明实现梁结构预制体的一体化织造的同时保证整体性能均匀性。

Description

一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法

技术领域

本发明涉及三维机织复合材料领域，具体涉及一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法。

背景技术

立体织物是一种极具发展潜力的预成型织物，是采用独特的三维纺织加工方法将连续纤维束按照一定规律在三维空间中相互交织而形成一个整体的纤维网络结构体。其最引人注目的特点是可以通过三维机织制造出复杂外形的构件，大大提高了复合材料的层间剪切强度和抗损伤容限，广泛应用在航天航空等领域。

目前对于T型、H型梁结构预制体的制备，通常采用多层折叠织造再展开的方法进行制备，即在传统织机上通过改变捆绑纱的路径，织造出局部分叉的三维平面预制体，下机后通过折叠成为立体的梁结构。其中肋板中纬纱延续到缘板，如此以来缘板中纬纱层数为肋板中纬纱层数的一半，导致肋板厚度后，缘板厚度薄的情况出现，如果通过局部经纱规格变化的方法来制造，厚度变化有限，且预制体整体均匀性也将受到影响。对于肋板缘板等厚度的梁结构，在先专利“纤维增强树脂梁成型用预成型体的制造方法，其制造装置及纤维增强树脂梁的制造方法(EP2119544A1)”，提出将梁结构压扁多层折叠织造再展开之后，另外制造一定厚度的平板缝，缝合到缘板上，实现等厚度T型、H型梁预制体。但是这种方法制备的梁形预制体，梁型构件在承力工况下，缘板与缝合的平板预制体之间使用过程中极易出现等层，容易损坏。也有在先专利“一种T型结构纤维针刺预制体(CN110820169B)”提出，通过纤维布料叠层针刺制备出等厚度梁结构预制体，但是同样面临着纤维布之间强度薄弱的缺陷，使用过程中极易出现分层的现象。此外在先专利“纤维结构体和纤维增强复合材料(US10544525B2)”提出，采用肋板和翼板交叉部位经纬纱线相互交叉制造一体的T型预制体，虽然实现等厚度T形梁结构预制体的制备，但是肋板和翼板之间仅靠局部纱线连接，极易相互脱离。以上围绕三维机织梁结构技术的发明专利均是为解决梁结构预制体厚度问题展开，但是都面临层间强度薄弱的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，解决现有技术中层间强度薄弱的问题，实现在预制体内各区域经纱系统纱线规格保持相等的情况下，一体化织造出整体性能均匀的等厚度梁结构预制体。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，该方法中将梁结构中肋板内经纱到各个翼板经纱规格无需变化，梁结构中肋板内部纬纱层均分成两份或多份，并分别贯穿到梁结构两个或多个翼板中，保证肋板内纬纱与各个翼板纬纱连续，同时通过提综开口设计，加入仅贯穿两两翼板的额外纬纱，保证肋板及各翼板厚度相等，实现梁结构预制体一体化织造的同时保证整体性；其中所述梁结构为T型梁或H型梁。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在保持梁结构预制体内各区域经纱系统纱线规格相等的情况下，将梁结构中肋板内部纬纱层均分成两份或多份，并分别贯穿到梁结构两个或多个翼板中，保证肋板内纬纱与各个翼板纬纱连续，同时通过提综开口设计，加入仅贯穿两两翼板的额外纬纱，保证肋板及各翼板厚度相等，实现梁结构预制体的一体化织造的同时保证整体性能，解决现有技术中层间强度薄弱的问题。

附图说明

图1为本发明等厚度T型梁预制体压扁织造纬纱路径示意图。

图2为本发明等厚度T型梁预制体展开后纬纱路径示意图。

图3为本发明等厚度T型梁预制体加入额外纬纱操作示意图。

图4为本发明等厚度H型梁预制体内纬纱路径示意图。

图5为本发明等厚度H型梁预制体展开后纬纱路径示意图。

图6为本发明等厚度H型梁预制体加入额外纬纱操作示意图。

具体实施方式

本实施方式提供一种各个区域纱线规格配比相等且厚度相等的三维机织梁结构预制体一体化制造方法。结合图1～图3，等厚度T型梁预制体制造过程中，将T型梁压扁，沿着幅宽方向为肋板-叠层翼板两部分，其中肋板厚度方向为一体织物，翼板部位分为上下等厚的两块织物制造；

在肋板部位纬纱层数等分到两块叠层制造的翼板中，保证肋板T型梁表层纬纱1和T型梁内部纬纱2到翼板的连续性；

为实现肋板和翼板等厚度且肋板和翼板中各系统纱线规格一致，两个翼板部位经纱层数均采用肋板部位相同经纱层数；

肋板部位的T型梁表层纬纱1和T型梁内部纬纱2连续贯穿到翼板，翼板再增加T型额外纬纱3来实现结构完整性，需注意额外增加的每一根纬纱仅贯穿两层翼板且不制造到肋板预制体内。

图3为上述增加的每一根T型梁额外纬纱3仅贯穿两层翼板且不制造到肋板的方法说明：采用梭子携带纬纱引纬，翼板首次引入T型梁额外纬纱3之前，肋板部位经纱下沉不开口，叠层翼板部位上片翼板经纱开口，纬纱引入穿过肋板和翼板，经纱再次运动时，肋板部位经纱下沉不开口保持不变，叠层翼板部位下片翼板经纱开口，引入纬纱，随后将遗留在肋板内的T型梁临时纬纱4带出，仅在上下翼板中保有加入T型梁额外纬纱3。

结合图4～图6，等厚度H型梁预制体制造过程中，将H型压扁，沿着幅宽方向为叠层翼板-肋板-叠层翼板叠层部分，其中肋板厚度方向为一体织物，左右两侧的翼板部位均分为上下等厚的两块织物；

在肋板部位经纱层数等分到左右各两块叠层制造的翼板中，保证肋板H型梁表层经纱5、H型梁内部纬纱6到翼板的连续性；

为实现肋板和翼板等厚度且肋板和翼板中各系统纱线规格一致，左右侧两个翼板部位经纱层数均采用肋板部位相同经纱层数；

肋板部位的H型梁表层经纱5、H型梁内部纬纱6连续贯穿到左右两侧翼板内，再增加H型梁右侧额外纬纱7、H型梁左侧额外纬纱8来实现结构完整性，需注意额外增加的每一根纬纱仅贯穿左侧或右侧的两层翼板且不制造到肋板预制体内。

图6为上述增加的H型梁右侧额外纬纱7、H型梁左侧额外纬纱8仅贯穿左侧或右侧两层翼板且不制造到肋板的方法说明：采用梭子携带纬纱引纬，右侧首次引入翼板H型梁右侧额外纬纱7前，肋板和左侧翼板部位经纱下沉不开口，右侧叠层翼板部位上片翼板经纱开口，纬纱引入，右侧翼板经纱再次运动时，左侧翼缘和肋板部位经纱下沉不开口保持不变，右侧叠层翼板部位下片翼板经纱开口，引入同根纬纱，随后将遗留在外部的H型梁临时纬纱9带出，仅在上下翼板中保有加入的H型梁右侧额外纬纱7，完成后同样操作完成左侧缘板H型梁左侧额外纬纱8加纱。

实施例1

以厚度为3mm的等厚度T型梁预制体的织造为例，对本发明的制备方法进一步说明。

一种等厚度T型梁预制体的织造方法，具体如下步骤：

(1)已知条件如下：原料为HF30F-12K(780tex)碳纤维，T型梁交织结构为一三斜纹，肋板宽50mm，翼板50mm，长度为100mm，预制体纤维体积分数设定为55±2％；

(2)将等厚度T型梁压扁制造，沿着幅宽方向分为肋板-叠层翼板两部分，其中肋板厚度方向为一体织物，翼板部位分为上下两块等厚的织物。根据已知条件，设计各部位的经密、纬密、经纱规格、纬纱规格，经纱层数、纬纱层数，设计结果如下表所示：

(3)经纱拴纱，沿着幅宽方向肋板部位经纱拴纱3层，叠层翼板部位经纱拴纱6层；

(4)引纬织造，采用梭子携带纬纱引纬；

(5)第一次提综，肋板区域经纱下沉不开口，翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，翼板区域经纱开口位置为纬纱第四层，引入纬纱；

(6)第二次提综，肋板区域经纱下沉不开口，翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，翼板区域经纱开口位置为纬纱第五层，将第一次引入的纬纱反向引入该开口，并将留在外部的纬纱拉紧，使得纬纱仅贯穿翼板织物；

(7)第三次提综，肋板区域经纱下沉不开口，翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，翼板区域经纱开口位置为纬纱第三层，引入纬纱；

(8)第四次提综，肋板区域经纱下沉不开口，翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，翼板区域经纱开口位置为纬纱第六层，将第三次引入的纬纱反向引入该开口，并将留在外部的纬纱拉紧，使得纬纱仅贯穿翼板织物；

(9)第五次提综，肋板和翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第一层，翼板区域经纱开口位置为纬纱第一层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(10)第六次提综，肋板和翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第三层，翼板区域经纱开口位置为纬纱第二层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(11)第七次提综，肋板和翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第二层，翼板区域经纱开口位置为纬纱第七层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(12)第八次提综，肋板和翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第四层，翼板区域经纱开口位置为纬纱第八层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(13)完成一纬织造，重复上述八次提综引纬，直至织造完成；

(14)下机展开成T型梁预制体。

实施例2：

以厚度为4.5mm的等厚度H型梁预制体的织造为例，对本发明的制备方法进一步说明。

一种等厚度H型梁预制体的织造方法，具体如下步骤：

(1)已知条件如下：原料为CCF800G-12K(515tex)碳纤维，H型梁交织结构为一三斜纹，肋板宽100mm，翼板100mm，长度为100mm，预制体纤维体积分数设定为55±2％；

(2)将等厚度H型梁压扁制造，沿着幅宽方向分为叠层翼板-肋板-叠层翼板三部分，其中肋板厚度方向为一体织物，左右翼板部位均分为上下两块等厚的织物。根据已知条件，设计各部位的经密、纬密、经纱规格、纬纱规格，经纱层数、纬纱层数，设计结果如下表所示：

(3)经纱拴纱，沿着幅宽方向肋板部位经纱拴纱5层，叠层翼板部位经纱拴纱10层；

(4)引纬织造，采用梭子携带纬纱引纬；

(5)第一次提综，肋板和右侧翼板区域经纱下沉不开口，左侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，左侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第六层，引入纬纱；

(6)第二次提综，肋板和右侧翼板区域经纱下沉不开口，左侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，左侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第七层，将第一次引入的纬纱反向引入该开口，并将留在外部的纬纱拉紧，使得纬纱仅贯穿左侧翼板织物；

(7)第三次提综，肋板和右侧翼板区域经纱下沉不开口，左侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，左侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第五层，引入纬纱；

(8)第四次提综，肋板和右侧翼板区域经纱下沉不开口，左侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，左侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第八层，将第三次引入的纬纱反向引入该开口，并将留在外部的纬纱拉紧，使得纬纱仅贯穿左侧翼板织物；

(9)第五次提综，肋板和右侧翼板区域经纱下沉不开口，左侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，左侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第四层，引入纬纱；

(10)第六次提综，肋板和右侧翼板区域经纱下沉不开口，左侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，左侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第九层，将第五次引入的纬纱反向引入该开口，并将留在外部的纬纱拉紧，使得纬纱仅贯穿左侧翼板织物；

(11)第七次提综，肋板和左侧翼板区域经纱下沉不开口，右侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，右侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第六层，引入纬纱；

(12)第八次提综，肋板和左侧翼板区域经纱下沉不开口，右侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，右侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第七层，将第七次引入的纬纱反向引入该开口，并将留在外部的纬纱拉紧，使得纬纱仅贯穿右侧翼板织物；

(13)第九次提综，肋板和左侧翼板区域经纱下沉不开口，右侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，右侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第五层，引入纬纱；

(14)第十次提综，肋板和左侧翼板区域经纱下沉不开口，右侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，右侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第八层，将第九次引入的纬纱反向引入该开口，并将留在外部的纬纱拉紧，使得纬纱仅贯穿右侧翼板织物；

(15)第十一次提综，肋板和左侧翼板区域经纱下沉不开口，右侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，右侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第四层，引入纬纱；

(16)第十二次提综，肋板和左侧翼板区域经纱下沉不开口，右侧翼板区域经纱按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，右侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第九层，将第十一次引入的纬纱反向引入该开口，并将留在外部的纬纱拉紧，使得纬纱仅贯穿右侧翼板织物；

(17)第十三次提综，肋板和两侧翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第一层，两侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第一层，纬纱穿过肋板和两侧翼板区域；

(18)第十四次提综，肋板和两侧翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第四层，两侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第二层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(19)第十五次提综，肋板和两侧翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第五层，两侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第三层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(20)第十六次提综，肋板和两侧翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第二层，两侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第十层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(21)第十七次提综，肋板和两侧翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第三层，两侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第十一层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(22)第十八次提综，肋板和两侧翼板区域经纱均按照一三斜纹结构的交织规律进行开口，肋板区域经纱开口位置为纬纱第六层，两侧翼板区域经纱开口位置为纬纱第十二层，纬纱穿过肋板和翼板区域；

(23)完成一纬织造，重复上述十八次提综引纬，直至织造完成；

(24)下机展开成H型梁预制体。

Claims (10)

1.一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，将梁结构中肋板内部纬纱层均分成两份或多份，并分别贯穿到梁结构两个或多个翼板中，使肋板内纬纱与各个翼板内纬纱连续且规格相等，通过提综开口，加入仅贯穿两两翼板的额外纬纱，使肋板及各翼板厚度相等，进行梁结构预制体的一体化织造。

2.根据权利要求1所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，所述梁结构为T型梁或H型梁。

3.根据权利要求2所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，所述T型梁预制体制造过程中，将T型梁压扁，沿着幅宽方向为肋板-叠层翼板两部分，其中肋板厚度方向为一体织物，翼板部位分为上下等厚的两块织物制造；

在肋板部位纬纱层数等分到两块叠层制造的翼板中，使肋板T型梁表层纬纱(1)和T型梁内部纬纱(2)到翼板是连续的；

两个翼板部位经、纬纱层数均采用肋板部位相同经、纬纱层数；

肋板部位的T型梁表层纬纱(1)和T型梁内部纬纱(2)连续贯穿到翼板，再增加翼板T型梁额外纬纱(3)实现结构完整性。

4.根据权利要求3所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，所述T型梁额外纬纱(3)仅贯穿两层翼板且不制造到肋板预制体内。

5.根据权利要求4所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，每一根T型梁额外纬纱(3)仅贯穿两层翼板且不制造到肋板预制体内的方法为：采用梭子携带纬纱引纬，首次引入翼板的T型梁额外纬纱(3)之前，肋板部位经纱下沉不开口，叠层翼板部位上片翼板经纱开口，纬纱引入穿过肋板和翼板，经纱再次运动时，肋板部位经纱下沉不开口保持不变，叠层翼板部位下片翼板经纱开口，引入纬纱，随后将遗留在肋板内的T型梁临时纬纱(4)带出，仅在上下翼板中保有加入的T型梁额外纬纱(3)。

6.根据权利要求2所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，所述H型梁预制体制造过程中，将H型压扁，沿着幅宽方向为叠层翼板-肋板-叠层翼板叠层部分，其中肋板厚度方向为一体织物，左右两侧的翼板部位均分为上下等厚的两块织物；

在肋板部位经纱层数等分到左右各两块叠层制造的翼板中，同时使肋板内H型梁表层经纱(5)、H型梁内部纬纱(6)到翼板是连续的；

左右侧两个翼板部位经、纬纱层数均采用肋板部位相同经、纬纱层数；

肋板部位的H型梁表层经纱(5)、H型梁内部纬纱(6)连续贯穿到左右两侧翼板内，再增加H型梁右侧额外纬纱(7)、H型梁左侧额外纬纱(8)实现结构完整性。

7.根据权利要求6所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，所述H型梁右侧额外纬纱(7)、H型梁左侧额外纬纱(8)仅贯穿左侧或右侧的两层翼板且不制造到肋板预制体内。

8.根据权利要求7所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，所述H型梁右侧额外纬纱(7)、H型梁左侧额外纬纱(8)仅贯穿两层翼板且不制造到肋板预制体内的方法为：采用梭子携带纬纱引纬，右侧首次引入翼板H型梁左侧额外纬纱(8)前，肋板和左侧翼板部位经纱下沉不开口，右侧叠层翼板部位上片翼板经纱开口，纬纱引入，右侧翼板经纱再次运动时，左侧翼缘和肋板部位经纱下沉不开口保持不变，右侧叠层翼板部位下片翼板经纱开口，引入同根纬纱，随后将遗留在外部的H型梁临时纬纱(9)带出，仅在上下翼板中保有H型梁左侧额外纬纱(8)，完成后同样操作完成H型梁右侧额外纬纱(7)贯穿右侧翼板。

9.根据权利要求1所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，所述提综开口为多次，肋板或翼板区域经纱均按照梁结构交织结构的交织规律进行开口。

10.根据权利要求9所述的一种等厚度三维机织梁结构预制体制造方法，其特征在于，所述梁结构交织结构为一三斜纹。

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