CN1827887A - 一种多向预成型制件的三维整体编织方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多向预成型制件的三维整体编织方法，该方法以四步法三维四向、五向或五向以上方型或/和圆型编织工艺为基础，其特征在于在编织多向预成型制件第一成型方向部分的同时，在两个或两个以上几何体空间垂直相交的位置处，按后续成型方向的几何体形状和编织规律要求采用加线引线方法预留出制件的第二或所余下其它成型方向部分的全部纱线后，再继续编织制件的第一成型方向部分，直至完成；然后转换编织方向，在第二或所余下其它成型方向引出所述的预留纱线，并相应调整机器的编织规律，编织制件的第二或所余下其它成型方向部分，直至制件全部编织完成。本发明方法简单，适用性广，可提高制件的结构整体性和机械性能。

Description

一种多向预成型制件的三维整体编织方法

技术领域

本发明涉及一种三维编织技术，一种用于复合材料支撑体预成型制件的三维编织技术，具体为一种制作两个或两个以上几何体空间垂直相交的复杂形状复合材料支撑体的多向预成型制件的三维整体编织方法，国际专利主分类号拟为Int.Cl⁷ D04C 1/00。

背景技术

复合材料的增强结构或支撑体预成型制件的形状结构及其品质基本决定了复合材料的性能。高性能先进复合材料增强结构的重要形式是采用三维编织技术制备的三维编织预成型制件。其主要特点是：1.纤维束在制件中相互交织、多方向取向，从而形成一个整体的结构，使制件在各个方向、特别是在厚度方向上得到增强，避免了分层。2.可以直接编织出各种形状、不同尺寸的三维整体异型制件，例如三维整体厚壁圆管、圆环、锥套体、工型梁、T型梁、L型梁、盒型梁等。用其制成的复合材料制件不需再加工，避免了加工造成的纤维损伤。3.可以使用各种高性能纤维，如碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维以及普通纤维等进行编织。因此，三维编织技术近年来得到迅速的发展，并成为航空、航天等高技术领域所使用复合材料构件的关键制备技术之一，具有很好的发展前景。

目前三维编织技术以四步法三维编织工艺为主，它源于弗罗亭(R.A.Florentine)在其专利(US 4312261)中描述的四步法三维编织方法。李维(W.Li)等也在其“三维编织复合材料预成型制件的结构分析I：四步法预成型编织工艺”(纺织研究，1990.4.81页Structural Analysis of 3-D BraidedPreforms for Composites Part I：The Four-step Preforms，J.Text.Inst.，1990，81 NO.4)中系统描述了方型和圆型四步法三维编织工艺，并分析了编织过程中编织纱线的运动规律。该工艺可包含两个纱线系统，即编织纱线系统和轴纱系统(第五向纱线系统)。其中编织纱线系统为主纱线系统，轴纱系统为根据需要加入的辅助纱线系统。所有纱线沿编织成型方向悬挂排列于编织机底盘上。编织纱线的排列形式和编织形式由制件的横截面形状决定：1.制件横截面为矩形或矩形组合，例如T型、工型、L型、盒型等，编织纱线按行和列方式排列成制件的截面形状，这种编织方法为方型编织；2.制件的横截面为圆形或圆环形，编织纱线则按环向行和径向列的方式排列成制件的截面形状，这种编织方法称为圆型编织。编织过程中，机器按行列交替方式运动，四步为一个机器循环，编织纱按一定设计规律运动，轴纱沿编织方向不动，这样形成一个不分层的三维四向(不含轴纱)或三维五向(含轴纱)整体结构，经过若干机器循环，就可制成一定长度等截面的三维编织预成型件。中材科技股份有限公司在其专利“复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法”(CN 1614114)中报道了一种复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法。其原理是利用三维编织纱锭(动纱和不动纱)运动的特点，将编织纱不断减少或者减细，从而实现编织物横截面积的减小。该方法可实现横截面积逐渐变化的三维编织预制件的编织，但整体制件只有一个成型方向。在纱线减少或减细的过程中，机器底盘携纱器的运动规律不会转变，例如，初始截面为矩形的预成型制件，其纱线运动按方型编织运动规律的横向行和纵向列运动。经过纱线减少或减细后，剩余纱线仍然遵循方型编织横向行和纵向列的运动规律；又例如，初始截面为矩形和圆形组合的制件，机器底盘运动规律为方型与圆型编织规律的组合，编织过程中即使其中的一部分(圆形或矩形)被减掉，其它部分的运动规律也不会变化，其制件成型方向也只有一个；再例如，矩形截面拐角制件，是通过编织过程中改变编织方向而制成的，但机器运动规律不会变化，而且这种方法仅限于低厚度平板的方型编织。

但在工程应用中，多数复合材料制件形状结构比较复杂，例如，由两个或两个以上几何体空间垂直相交构成的复杂形状复合材料支撑体的多向成型预制件具有两个或两个以上的成型方向，或者在一个制件中同时涉及方型编织和圆型编织两种运动规律，例如平板接头制件，就有两个成型方向(参见图1箭头所示)，一个是沿平板轴向，纱线排列和编织规律采用方型编织；另一个沿圆管轴向，纱线排列和编织规律采用圆型编织；又例如，T形接头制件，也有2个成型方向(参见图2箭头所示)，一个沿主平板轴向，另一个沿垂直于主平板的方向；再例如，盒形体接头(参见图3所示)，它有5个成型方向，一个成型方向是主盒体的方型组合编织轴向，垂直伸出来的四个圆管分别为另外4个圆型编织的成型方向。对于这类有两个或两个以上编织成型方向的复合材料制件，采用已有的四步法三维编织方法或技术就无法完成，不能满足高性能复合材料对预成型件的要求。目前的解决办法是采用三维编织工艺分别编织制件的各个组成部分，然后采用缝合或共固化的技术将它们连接在一起。这样的预成型制件整体性很差，连接部位仅有缝合纤维或基体受力，承受载荷时很容易形成应力集中而被破坏。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种多向预成型制件的三维整体编织方法，该方法可以实现两个或两个以上几何体空间垂直相交构成的复杂形状复合材料支撑体的多向预成型制件的三维整体编织，使制件内部增强纤维束可依设计规律沿不同的空间取向贯穿于不同成型方向的组成部分之中，并形成一个连续不分层的三维整体网状结构，提高制件结构的整体性，改善几何体空间连接部位的机械力学性能，并且制件为净体成型，制成复合材料后无需再加工，同时方法简单，适用性广。

本发明解决所述编织方法技术问题的技术方案是：设计一种多向预成型制件的三维整体编织方法，该编织方法以四步法三维四向、五向或五向以上方型或/和圆型编织工艺为基础，其特征在于在编织多向预成型制件的第一成型方向部分的同时，在两个或两个以上几何体空间垂直相交的位置处，按后续成型方向的几何体形状和编织规律要求采用加线引线方法预留出多向预成型制件的第二或所余下其它成型方向部分的全部纱线后，再继续编织多向预成型制件的第一成型方向部分，直至完成；然后转换编织方向，在第二或所余下其它成型方向引出所述的预留纱线，并相应调整机器的编织规律，编织多向预成型制件的第二或所余下其它成型方向部分，直至多向预成型制件全部编织完成。

与现有技术相比，本发明在基本的四步法三维四向、五向或五向以上编织工艺的基础上，通过巧妙设计预加纱和引线的编织方法，实现了具有两个或两个以上编织成型方向的预成型制件的整体编织，适用于两个或两个以上几何体空间垂直相交的各种复杂结构形状复合材料支撑体的多向预成型制件的三维整体编织要求，可编织出各种复杂结构形状的复合材料支撑体的多向预成型制件，且纱线依照设计规律在不同成型方向预成型制件中相互贯穿成一个整体，可保证整个预成型制件中增强纤维的连续和完整。同时，预成型制件完全按照产品尺寸设计实现，避免或减少了预成型件复合固化后机械加工造成的纤维损伤，极大地提高复合材料的整体性和综合性能，尤其是不同成型方向之间的连接强度，并具有编织方法简单、适应性广等特点。

附图说明

图1为采用本发明三维整体编织方法编织所得制件的一种实施例——具有两个成型方向的平板与垂直圆管接头制件的外观形状示意图；

图2为采用本发明三维整体编织方法编织所得制件的另一种实施例——具有两个成型方向的T形接头制件的外观形状示意图；

图3为采用本发明三维整体编织方法编织所得制件的第三种实施例——具有五个成型方向的四个圆管与一个盒形体垂直相连接头制件的外观形状示意图；

图4为本发明三维整体编织方法第一个实施例两个成型方向平板与垂直圆管接头制件的圆管部分预留纱线的理论定位图，图中1、2、3等为编织纱列的序号；

图5为本发明三维整体编织方法第一个实施例两个成型方向平板与垂直圆管接头制件的圆管部分预留纱线挂纱示意图；

图6为本发明三维整体编织方法第一实施例两个成型方向平板与垂直圆管接头制件的辅助工装示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但本发明不受实施例的限制：

本发明设计的一种制作两个或两个以上几何体空间垂直相交的复杂形状复合材料支撑体的预成型制件(以下简称多向制件)的三维整体编织方法(以下简称编织方法)是以传统的四步法三维四向、五向或五向以上方型或/和圆型编织工艺为基础，其特征在于在编织多向制件的第一成型方向部分的同时，在两个或两个以上几何体空间垂直相交的位置处，按后续成型方向的几何体形状和编织规律要求采用加线引线方法预留出多向制件的第二或所余下其它成型方向部分的全部纱线后；再继续编织多向制件的第一成型方向部分，直至完成；然后转换编织方向，在第二或所余下其它成型方向引出所述的预留或预加入纱线，并相应调整机器的编织规律，编织多向制件的第二或所余下其它成型方向部分，直至多向制件全部编织完成。

本发明编织方法所述的成型方向，是指垂直于制件规则横截面的长度方向，也是编织过程中花节长度形成的方向，一般垂直于立式编织机的底盘。

本发明编织方法所述的花节长度，是指四步编织运动即一个机器循环所编织出的预成型制件的长度。

本发明编织方法所述花节线P，是指沿编织成型方向以花节长度为间距获得的一系列等高线(参见图4)。

本发明编织方法所述的加线引线方法或技术，是指在编织第一成型方向制件部分的过程中，在两个或两个以上几何体空间垂直相交的相应位置处，按后续成型方向的几何体形状和编织规律要求将设计数量的纱线加入和引出，同时既要求所相应加入纱线的根数与所引出的纱线数量一致，以满足第一成型方向制件部分的编织要求，又要求所引出的纱线数量与所相应加入纱线的根数总和满足后续第二成型方向或其它成型方向制件部分的编织要求。

本发明编织方法所述的三维多向编织工艺是指采用三维四向或三维五向的编织结构工艺。但根据需要，本发明编织方法所述的三维多向整体编织工艺仍可适用于三维五向以上的编织结构工艺。

下面以两个成型方向平板与垂直圆管接头制件(参见图1)的编织过程为例，进一步说明本发明编织方法：

第一，选定多向制件的主成型方向，并排列纱线编织。该多向制件实施例由矩形平板与垂直相交的圆管两部分组成。编织时，以矩形平板长度方向为主成型方向或第一成型方向I，依该矩形截面尺寸设计所用编织纱线根数，包括主纱线系统和辅助纱线系统。主纱线系统为编织纱线，辅助纱线系统包括第五向纱线、第六向纱线和第七向纱线。辅助纱线系统可以根据多向制件的设计要求加入，以提高制件在此方向的力学性能。对于本例平板部分的编织，采用三维五向编织结构即可。编织纱线在机器底盘上排列成矩形，按照方型编织方法的横向行和纵向列的规律运动。

第二，设计第二成型方向或所余其他成型方向的加线引线的理论定位与数量。本例多向制件的第二成型方向II为所述的圆管部分。首先利用计算机辅助设计(CAD)方法得到圆管部分与平板相交区域的圆环交线，即圆管纱线预留的理论定位或位置图(参见图4)；然后以一个编织花节长度为间距在圆管和平板的相交线间(包括相交线部分)标出一系列称其为花节线P的直线。花节线P与圆管的根部相交(或相切)几次，说明每根圆管纱线预留时要分别引出几次纱线；计算花节线P与圆环线的交点(或切点)到花节线P与平板边界线的交点之间的长度，根据多向制件的宽度和编织机底盘上挂纱的携纱器列数成正比的关系，可以计算出多向制件上理论引出纱线部位相对应的携纱器列的位置；圆管所需纱线排列和数量按其外形尺寸设计，根据花节线P所截圆环线的弧长，可以按比例计算出每次引出纱线的根数，从而可以确定加线引线的数量。如果是两个以上成型方向的多向制件，则其它成型方向加线引线的理论定位与数量设计原理同于所述的第二成型方向II。

第三，第二成型方向的加线引线。这是本发明的技术关键。当编织本例多向制件主成型方向I平板部分的长度达到与所述圆管部分相切处即第一次引纱位置时，均匀地引出第二成型方向II圆管部分的第一组(No.1)纱线(参见图4)。纱线从挂纱点取下，弯折后挂到与之成一定角度放置的挂纱盘上。挂纱盘按照圆管的圆型编织规律的纱线排列设计。每引出一根纱线，要同时加入一根纱线。加入纱线的一端挂在挂纱盘上，另一端挂在刚刚取下纱线的挂纱点上。引出纱线和加入纱线都是部分长度在平板内部分长度(也就是即将编织的圆管上的长度)挂在挂纱盘上。这样通过加线引线可使制件的平板部分和圆管部分连接成为一个整体(参见图5。图5表示了挂纱点a处的加线引线示意，其中，a1为预留引出的纱线，a2为预留加入的纱线)。引出第一组纱线之后，编织一个花节长度，第一组引出的纱线被织入。然后引出第二组纱线(No.2)，加线引线方法同第一组，但第二组纱线分为左、右对称的两部分。以此类推，可完成第二成型方向部分即圆管部分的加线引线。预留圆管纱线按圆型编织方法排列纱线并预挂在挂纱盘上。如果是两个以上成型方向的多向制件，则其它成型方向加线引线的方法同于所述的第二成型方向加线引线的方法。

第四，继续主成型方向制件部分的编织，直到完成。第二成型方向或其它成型方向的加线引线完成后，继续主成型方向制件部分的编织，直到完成该部分制件。本例即按制件平板部分的要求长度继续编织剩余的平板部分，直到编织完成，结束后将纱尾剪断。

第五，转换编织轴向到第二成型方向或其它成型方向编织。主成型方向部分制件编织完成后，转换编织轴向到第二成型方向或其它成型方向再继续编织第二成型方向或其它成型方向制件部分。本例第二成型方向制件部分为圆管部分，因此采用相应的圆型编织机，将所述预留的圆管编织纱线从挂纱盘转移到编织机底盘挂纱点上，所有纱线按圆型编织方法排列，按四步法圆型编织工艺编织第二成型方向的圆管部分，直到规定长度，固定纱尾后剪断。如果是两个以上成型方向的多向制件，则其它成型方向加线引线的编织方法同于所述的第二成型方向加线引线的编织方法。很明显，由于第二或其它成型方向纱线的另一端或部分参与了第一成型方向制件部分的编织，因此纱线在制件的两部分之间相互贯穿，使不同成型方向连接成为一个整体。由于本发明巧妙地设计了预留纱线或加线引线技术的编织方法，因此，本发明编织方法可适用于两个或两个以上几何体空间垂直相交的各种复杂结构形状复合材料支撑体的多向预成型制件的三维整体编织要求，编织出各种复杂结构形状的复合材料支撑体的多向预成型制件，不仅适用于两个或两个以上成型方向都是方型或圆型编织的制件，而且也适用于两个或两个以上成型方向分别为圆型和方型编织的制件，并且为高质量的整体多向制件(参见图3)。

对于两个以上成型方向的多向制件，本发明可以有两种编织方法：一是在先完成第一成型方向(主成型方向)制件部分的编织后，再同时编织所余下其它方向制件部分的编织；二是在先完成第一成型方向(主成型方向)的编织后，可按设计顺序依次分别编织其它成型方向的制件部分，即确定好编织顺序后，先编织第一成型方向，后编织第二成型方向，再编织第三个成型方向(参见图3)，依此类推，直至多向制件各个部分全部编织完成。简单说，两个以上成型方向的多向制件每次编织成型方向的数量和排列顺序并不唯一，这有利于方便实施和提高效率。

为了克服多向制件的变形性，提高多向制件的规则性和编织质量，本发明编织方法还可配套设计了辅助工装，其特征在于该辅助工装用于本发明所述的编织方法换向编织时固定所述制件已编织好的部分。所述的辅助工装依据所述制件已编织好的部分形状设计。本例的辅助工装(参见图6)依据所述制件设计为矩形金属板，上下两块，上板中心有孔，可将所述多向制件平板部分上除圆管部分之外的其它部分覆盖并固定。换向编织时，夹持住多向制件的第一成型方向部分，并固定或吊挂在机器上方，以提高多向制件的第二成型方向或其它成型方向部分的编织张力，保证制件编织成型良好，整体多向制件形体规则。

本发明的优点在于巧妙而科学地设计了多向制件的编织方法，采用加线引线技术来实现多向制件各部分的整体连接，从而可以使两个或两个以上编织成型方向的复杂异型预成型制件由纤维束连续编织而成，且为净体成型，避免或减少了复合固化后复合材料机械加工造成的纤维束损伤，保证了制件内增强纤维束的连续性和编织结构的整体性，提高了制件的机械力学性质，且方法简单，适用性广。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面再进一步给出本发明编织方法的具体实施例。

实施例1：

采用本发明编织方法编织两个成型方向的平板与垂直圆管接头制件(参见图1)。

该制件的主成型方向I设计为平板部分，第二成型方向II为圆管部分。平板部分的矩形宽度53mm、厚度5mm，长度250mm；圆管部分的内径22mm，外径26mm，圆管部分起始点距平板起始面60mm。平板采用四步法三维五向方型编织。编织纱线为T300-6K碳纤维，编织角20°，编织花节长度4.5mm，设计编织所需纱线根数为605根。编织到圆管加线位置开始预加入圆管编织所需的纱线。设计圆管部分用纱350根，预引线根数和位置参见表1。表1中数据为引出纱线根数175根，预加入纱线根数与此相同，总纱线数满足350根。圆管部分编织引线顺序从No.1到No.7。编织纱列的序号从1开始排列，顺序以面对机器方向由左至右排列。编织完平板部分，再编织圆管部分，直到规定长度，完成所述多向制件整体编织。

        表1平板与垂直圆管接头圆管所需预加线引线参数表

引线编号	左侧根数	引线列范围	右侧根数	引纱列范围
					No.1	45	25-35
No.2	11	20-25	11	35-40
					No.3	9	16-20	9	40-44
No.4	3	15-16	3	44-45
					No.5	9	16-20	9	40-44
No.6	11	20-25	11	35-40
					No.7	44	25-35

实施例2：

采用本发明编织方法编织两个成型方向T形接头制件(参见图2)。

该制件的主成型方向I和第二成型方向II均为平板部分，但两者尺寸不同。前者板的宽度25mm，厚度5mm，长度350mm，编织花节长度设计为4mm；后者板的截面宽度20mm，厚度5mm，长度200mm，编织花节长度设计为4mm。两个成型方向相互垂直。主成型方向I(平板部分)采用四步法三维五向方型编织，编织纱线为T300-12K碳纤维，编织角25°，设计编织所需纱线根数为136根。第二成型方向II(立板部分)采用三维四向编织方型编织，编织纱线为T300-12K碳纤维，编织角25°，设计编织所需纱线根数为124根。经过计算，只能在主成型方向I(平板部分)的相应高度位置2个花节长度范围内引出所有需要的编织纱线。因此每次的引纱数量为31根，引纱次数为2，两次引纱之间间隔一个花节长度，总引纱线数量为62，预加纱线量与引线数量相同，共计引出编织纱线124根。编织完成第一成型方向I(平板部分)后旋转90°，采用四步法三维五向方型编织工艺编织第二成型方向II(立板部分)，直到规定长度，完成所述多向制件的整体编织。

实施例3：

采用本发明方法编织五个成型方向的四个圆管与一个盒形体垂直相连接头制件(参见图3)。

该制件以盒形体部分为主成型方向I，采用盒形体截面方型编织工艺编织；四个侧面的圆管可同为第二成型方向II或者排列成型方向顺序为II、III、IV和V(参见图3)，采用圆型编织工艺编织。首先以多向制件的盒形体部分的起始截面作为编织的起始截面，按此截面尺寸和形状设计编织纱线排列。编织纱线采用T700 12K碳纤维，在机器底盘上排列为盒形体，编织选用三维五向编织方法，花节长度5mm；圆管部分采用同样的纱线，编织采用为三维六向编织方法，编织角22°。盒形体部分设计编织纱总数为1636根，每根圆管按其截面设计编织纱线为280根。当盒形体部分编织到与圆管结合处的高度时，同时在四个侧面预留出四根圆管所需的全部纱线。加线引线参数见表2。编织完盒形体部分，再同时或依顺序(II、III、IV、V)编织四个圆管部分，直到规定长度，完成所述多向制件整体编织。

       表2五向圆管与盒形体接头制件圆管部分加线引线参数表

引纱顺序编号	左侧根数	引纱列范围	右侧根数	引纱列范围
					No.1	33	20-30
No.2	14	15-20	14	30-35
					No.3	7	13-15	7	35-37
No.4	15	13-19	15	31-37
					No.5	35	19-31

不难理解，本实施例的多向制件形状虽然复杂，但在其基础上经多种变化而简化或更为复杂的多向制件，本发明编织方法同样可以顺利整体编织完成，例如所述圆管部分数量的减少与增加；圆管部分的内径、外径与厚度的一样或不同；所述盒形体部分接出圆管部分位置的高低、左右及对称与不对称的变化等，它们的加线引线规律和编织方法都是一样的，都可以采用本发明编织方法制造，也即本发明编织方法具有广泛和良好的适用性和实用性。

Claims (3)

1.一种多向预成型制件的三维整体编织方法，该编织方法以四步法三维四向、五向或五向以上方型或/和圆型编织工艺为基础，其特征在于在编织多向预成型制件的第一成型方向部分的同时，在两个或两个以上几何体空间垂直相交的位置处，按后续成型方向的几何体形状和编织规律要求采用加线引线方法预留出多向预成型制件的第二或所余下其它成型方向部分的全部纱线后，再继续编织多向预成型制件的第一成型方向部分，直至完成；然后转换编织方向，在第二或所余下其它成型方向引出所述的预留纱线，并相应调整机器的编织规律，编织多向预成型制件的第二或所余下其它成型方向部分，直至多向预成型制件全部编织完成。

2.根据权利要求1所述的多向预成型制件的三维整体编织方法，其特征在于该三维编织方法在换向编织时采用配套辅助工装固定住所述制件已编织好的部分。

3.一种辅助工装，其特征在于该辅助工装用于权利要求2所述的多向预成型制件的三维整体编织方法换向编织时固定所述制件已编织好的部分，所述的辅助工装依据所述制件已编织好的部分形状设计。

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