CN116837529A - 大直径实心杆状预制体的三维编织方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大直径实心杆状预制体的三维编织方法，先采用矩形编织机三维编织出具有实心截面的芯棒预制体，然后再通过圆形编织机以该芯棒预制体做为芯模进行至少一次三维圆形编织，得到实心截面的增厚预制体。本发明利用现有的矩形和圆形编织机，在不改变纱线细度(比如某种市售的、易得的、廉价、质优的纤维)的条件下，也不改变现有的技术支撑条件(如携纱器的储纱量、绕纱机的规格等)的条件下，更不需要重新设计制造或采购大型的昂贵的三维编织机、改造厂房等，便可进行相应的生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种大直径实心杆状预制体的三维编织方法，也涉及大直径实心杆状预制体的三维编织结构。
背景技术
现有的三维编织方法和应用都集中于某种特定三维编织机的使用，如生产实心的方形、矩形、多边形甚至圆形、椭圆形或翼型等实心截面或者口形、日形等带有方形内孔的截面的预制体时，会使用矩形编织机，而生产中空的回转体，或者中空的椭圆、翼型或者带有外倒角的多边形管状预制体都会使用三维圆形编织机，可以说这两种设备虽然都是采用的三维编织技术，但应用场合截然不同，也无法互换使用。
比如，要想编织一根圆形截面的实心预制体用于制作缆绳、杆件或者螺旋弹簧的簧丝等等，就需要将矩形编织机按照组合矩形的方式将编织平台设置成外廓接近圆形，这样的平台上的锭子在编织运动过程中将会带动锭子上的纱线完成圆形截面形状预制体的编织。
一般地，圆形截面预制体的截面尺寸会受到矩形编织平台的尺寸和锭子携带的编织纱线细度的影响，也就是说，平台越大，纱线越粗，则编织成的预制体的截面直径就会越大，反之，预制体的截面直径就越小。
但上述的改变截面尺寸的方法均存在一些局限，具体而言，一般编织平台的规模都是设计确定的尺寸，很难在线加大平台规模，而使用加粗的纱线会受到携纱器尺寸的限制，编织平台制造完成后，其所能使用的携纱器的容量也就确定了上限，因此如果使用较粗的纱线，则携纱器所储纱线的长度就会相应缩短，这样，所能编织的预制体的长度将会受到限制，或者编织过程中需要频繁更换新的装满纱线的携纱器，影响编织效率。
而圆形编织机多用于管型截面预制体的编织，对于一台特定设计的圆形编织机，载纱锭子数具有一个上限，所以，通常根据所使用的纤维的细度不同，所编织的管型预制体的内孔有一个最小的尺寸，壁厚也会随不同芯模的直径而改变，并且具有厚度的上限，因此是不能用于编织大直径实心杆状预制体。
发明内容
本发明的目的是提供一种大直径实心杆状预制体的三维编织方法，解决现有技术中所面临的上述技术问题。
本发明采用的技术方案为：
一种大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：先采用矩形编织机三维编织出具有实心截面的芯棒预制体，然后再通过圆形编织机以该芯棒预制体做为芯模进行至少一次三维圆形编织，得到实心截面的增厚预制体。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：在所述增厚预制体上复合基体材料，将芯棒预制体与其外侧的增厚部分连接为一体。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：所述增厚预制体连接有接头，所述接头与所述增厚预制体一同复合基体材料，形成一体结构。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：所述接头套接于所述增厚预制体的外侧。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：所述接头上沿径向布置有多个针孔，在增厚预制体与接头形成初步连接后，在针孔中插入针体，针体与增厚预制体的增厚部分以及芯棒预制体同时形成连接，之后再复合基体材料，形成接头与增厚预制体的增厚部分以及芯棒预制体的一体连接。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：所述的基体材料是树脂、金属、碳或陶瓷。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：所述芯棒预制体的外径大于或等于所述圆形编织机所能编织的最小内径。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：所述芯棒预制体的外表面的凸起以及凹陷与增厚部分的内表面的凹陷以及凸起位置对应卡合而形成嵌套结构。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：所述增厚预制体是直杆、曲杆或螺旋形杆体。
所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其中：所述增厚预制体盘卷成线盘状。
本发明优点在于：利用现有的矩形和圆形编织机，在不改变纱线细度(比如某种市售的、易得的、廉价、质优的纤维)的条件下，也不改变现有的技术支撑条件(如携纱器的储纱量、绕纱机的规格等)的条件下，更不需要重新设计制造或采购大型的昂贵的三维编织机、改造厂房等，便可进行相应的生产。
附图说明
图1是具有实心圆截面的芯棒预制体的结构简图；
图2是实心圆截面增厚预制体的结构简图；
图3是实心圆截面增厚预制体与接头连接示意图。
附图标记说明：芯棒预制体1；增厚预制体2；接头3；外螺纹31；针孔32；针体33。
具体实施方式
本发明提供一种采用矩形编织机和圆形编织机相结合的制备大直径实心圆截面预制体的方法，先采用矩形编织机通过设计和平台设置，采用合适细度的纱线，三维编织出具有实心圆截面的芯棒预制体，然后再通过圆形编织机以该芯棒预制体做为芯模进行三维圆形编织，通过三维圆形编织所达到的厚度来增加实心圆截面预制体的直径，以便得到所需要的大直径的实心圆截面增厚预制体。
当然，如果所述芯棒预制体为矩形或其他凸多边形，可以通过圆形编织形成带有倒圆角的增厚的矩形或其他凸多边形。
本发明优点在于：利用现有的矩形和圆形编织机，在不改变纱线细度(比如某种市售的、易得的、廉价、质优的纤维)的条件下，也不改变现有的技术支撑条件(如携纱器的储纱量、绕纱机的规格等)的条件下，更不需要重新设计制造或采购大型的昂贵的三维编织机、改造厂房等，便可进行相应的生产。
举例而言，如图1所示，是用矩形编织机三维编织出的具有实心圆截面的芯棒预制体1；再如图2所示，是用圆形编织机以该芯棒预制体1做为芯模进行三维圆形编织，得到的实心圆截面增厚预制体2。
之后，在所述增厚预制体2上复合基体材料，可将芯棒预制体与其外侧的增厚部分连接为一体，以增加结构刚度和强度；所述的基体材料可以是树脂，也可以是金属、碳、陶瓷或其它。其中，以复合树脂基体材料的方式为例，其优选采用RTM(Resin TransferMolding，树脂传递模塑成型)方式，也可以采用浸渍、浇铸、拉挤等方式，这都是成熟的工艺，故其具体过程在此不予赘述。
另外，所述增厚预制体2如果还需要连接一个或若干个接头3，该接头3可与所述增厚预制体2一同进行前述复合基体材料的步骤，从而形成一体结构。如图3所示，接头3一端设有外螺纹31(或内螺纹)或凸耳，用于与待连接部件相接，接头3另一端与所述增厚预制体2套接并沿径向布置有多个针孔32，在增厚预制体2与接头3套接后，在针孔32中插入针体33，可使接头3与增厚预制体2的增厚部分以及芯棒预制体1同时形成连接，之后再进行复合基体材料的步骤，如此形成接头3与增厚预制体2的增厚部分以及芯棒预制体1的一体连接结构，可提高连接效率，增强承载能力。
需要注意的是：
1、矩形编织机需要经过设计，所编织的芯棒预制体1的外径要大于或等于圆形编织机所能编织的最小内径，否则芯棒预制体1与增厚部分之间将会出现明显的分缝，在后续的复合基体材料步骤中会产生明显的富树脂区(对于树脂基复合材料)，或者其他工艺中的相应的基体相，而将不利于该复合材料的性能。
2、芯棒预制体1与增厚部分分别具有各自的纤维结构，彼此之间是没有纤维连接的，所以两层之间的界面就成了结构中的弱区，通常会在承受较大外载荷时首先发生开裂，并进而引发整个结构的失效；为了解决这一问题，本发明利用了三维编织结构的表面都会具有的凸起(由纤维穿越到表面并再折返内部而形成)以及凸起旁边的凹陷(表面没有纤维表面进出的地方所形成)，让芯棒预制体1的外表面的凸起以及凹陷与增厚部分的内表面的凹陷以及凸起位置对应卡合相互作用而形成嵌套结构，来增加该界面上的力学和其他性能。
3、三维编织复合材料的性能相较于其他工艺制备的复合材料有许多明显的优势，其中之一就是所有的纤维联合承载，而不是像其他工艺那样不同方向布置的纤维主要负担该方向上的载荷，比如典型层板结构中具有0度、±45度和90度方向的铺层，每一层都是沿一个确定的方向的，如果该层板承受0度方向的外载荷，则只由0度层主要承受、±45度部分承受，而90度方向的层只起到横向约束作用，基本不承担任何载荷，其他的一维(如拉挤)、二维(如缠绕)也有类似的机理。在本发明中，所述的增厚预制体2具有芯棒预制体1与增厚部分这两部分的编织结构，且彼此之间纤维不连续，有可能导致两部分区域内的纤维在承担外载荷时的受力不一样，也就是说可能存在着当外载持续增加时，其中的某一部分会受载大于另一部分，从而导致受载大的一方更易发生破坏和失效而导致载荷会转由另一方承担，而另一方通常也无法独立承担较大的外载荷，从而形成连锁的破坏，这样的设计显然无法达到最优的承载能力；所以，本发明将内部和外部的编织结构进行相容性设计，即通过调整相应的编织工艺参数-编织角、纤维性能、纤维体积含量等，使得各区的纤维在外载荷作用下能够产生尽量相容的变形和受力，以使该编织结构发挥更优的效果。
4、由于三维编织预制体的柔韧性非常好，在弯折的过程中纤维束可以通过滑移适应变形，所以可以适应任意的制品形状；本申请中的增厚预制体2，除了可选择直杆形状外，也可成型为曲杆、螺旋弹簧等；更进一步地，如果采用韧性更好的基体材料进行增厚预制体2的后续固化步骤，如用于桥梁的斜拉索，海上石油平台的锚固索，石油开采井用的抽油杆等，得到的产品可以很容易盘卷成较小直径的线盘状，便于生产、储存、运输和施工。
此外，上述实施例中是以只经过一次增厚三维编织为例进行的说明，实际上，也可以对芯棒预制体1进行两次或更多次的增厚三维编织，形成更大直径的实心圆截面增厚预制体2。
Claims (10)
1.一种大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：先采用矩形编织机三维编织出具有实心截面的芯棒预制体，然后再通过圆形编织机以该芯棒预制体做为芯模进行至少一次三维圆形编织，得到实心截面的增厚预制体。
2.根据权利要求1所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：在所述增厚预制体上复合基体材料，将芯棒预制体与其外侧的增厚部分连接为一体。
3.根据权利要求1所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：所述增厚预制体连接有接头，所述接头与所述增厚预制体一同复合基体材料，形成一体结构。
4.根据权利要求3所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：所述接头套接于所述增厚预制体的外侧。
5.根据权利要求4所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：所述接头上沿径向布置有多个针孔，在增厚预制体与接头形成初步连接后，在针孔中插入针体，针体与增厚预制体的增厚部分以及芯棒预制体同时形成连接，之后再复合基体材料，形成接头与增厚预制体的增厚部分以及芯棒预制体的一体连接。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：所述的基体材料是树脂、金属、碳或陶瓷。
7.根据权利要求1所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：所述芯棒预制体的外径大于或等于所述圆形编织机所能编织的最小内径。
8.根据权利要求1所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：所述芯棒预制体的外表面的凸起以及凹陷与增厚部分的内表面的凹陷以及凸起位置对应卡合而形成嵌套结构。
9.根据权利要求1所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：所述增厚预制体是直杆、曲杆或螺旋形杆体。
10.根据权利要求1所述的大直径实心杆状预制体的三维编织方法，其特征在于：所述增厚预制体盘卷成线盘状。
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