专利名称：改变参与纱锭数量制备拐角预成型体的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过改变参与纱锭数量以达到调整拐角角度的预成型体制备方 法，属于增强纤维及编织技术领域。
背景技术：
复合材料管道以其重量轻、强度高、抗蠕变、耐腐蚀等优良特性，在航天、化工、石 油等许多领域得到了广泛应用。管道接头是复合材料管道必不可少的连接部件。一般的金 属管道接头由于重量较重，且会发生热胀冷缩和易被腐蚀等影响，制约了其在航天、化工领 域的应用。
中国专利公告号CN200810236210. 5，公告日是2008年11月沈日，名称为‘2. 5维整 体编织多通管织物的编织方法’中公开了一种多通管状织物的编织方法，采用2. 5维结构和 2. 5维整体编织方法。该专利较好地解决了多通管外形尺寸的精度问题，不足之处是由于 2. 5维结构只是相邻层两两相连，层间力学性能较低，制约了其在结构复合材料领域应用； 此外，多通管通过中心连接体实现连接过渡，体积大、结构不紧凑。《第12届全国复合材料 学术会议》杂志2002年10月出版的第13章‘复合材料管道接头预型件的设计与织造’ 一 文中介绍了采用2. 5维结构和由立体结构转化为平面结构的平面织造方法制备的管道接 头预型件，虽能制备三通(如T型、Y型)、多通(如四通)和弯头等多种类型管道接头预成型 体，不足之处是层间力学性能较低；且立体展开成平面织造存在形状误差，如织造方法中特 殊固结区域的设计，使预成型体的设计尺寸比产品尺寸要大，进行二次加工后对产品性能 形成影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是现有技术中2. 5维结构层间力学性能低；2. 5维整 体编织多通管连接过渡结构不紧凑；复合材料管道接头由立体展开为平面的预成型体存在 形状误差等问题，提出一种采用三维多向结构，通过改变参与纱锭数量制备拐角预成型体 的方法。本发明改变参与纱锭数量制备拐角预成型体的方法包括如下步骤
1)以第一芯模为几何中心，通过对称、均布单元方机的方法组成四步法圆形或方形 预成型体的编织设备，按第一方向开始编织；
2)编织至第一芯模内侧的拐角处时，以此位置预成型体的截面A上的纱线列数即 运动纱和轴向不动纱列数之和为基数，在以后的每个机器循环均减少相同列数的纱线，并 将减出纱线所对应的纱锭固定，使其不参与方机下一个机器循环的运动，剩余列数的纱线 所对应的纱锭则继续下一个机器循环的运动，编织至第一芯模外侧的拐角处为止；
(3)再以第二芯模为几何中心，通过对称、均布单元方机的方法组成四步法圆形或方形 预成型体的编织设备，从第二芯模的外侧拐角外开始按第二方向继续编织，并以此位置预成型体截面B上的纱线列数列数即运动纱和轴向不动纱列数之和为基数，在以后的每个机 器循环均增加相同列数的纱线，编织至第二芯模内侧拐角处后，以此位置的纱线列数全部 参与编织直至第二芯模2的尾部，即得拐角预成型体。前述截面A和截面B的纱线列数相同，步骤(3)中的每次增纱的列数和步骤(2)每 次减纱的列数相同。前述步骤2)中从第一芯模内侧拐角处编织至外侧拐角处所需的机器循环数=第 一芯模内侧拐角处与外侧拐角处在第一方向上的长度差/母向花节长度/10，每个机器循 环减少的纱线列数=第一芯模内侧拐角处截面A的纱线列数/机器循环数，纱线列数递减 的操作次数=机器循环数-1。前述步骤3)中从第二芯模的外侧拐角处编织至内侧拐角处所需的机器循环数= 第一芯模内侧拐角处与外侧拐角处在第一方向上的长度差/母向花节长度/10，每个机器 循环增加的纱线列数=第二芯模外侧拐角外截面B的纱线列数/机器循环数，纱线列数递 增的操作次数=机器循环数+1。前述母向花节长度单位为mm/ΙΟ个花节。采用本发明编织的预成型体为三维四向或四向以上结构，采用四步法方形或/和 圆形编织工艺进行编织。前述第一芯模和第二芯模为组合使用的模具，完成步骤2)后将第二芯模与第一芯 模对接，第一芯模的内侧拐角处和外侧拐角处的位置分别与第二芯模的内侧拐角处和外侧 拐角处的位置重合，形成一个L型的组合芯模；第一芯模和第二芯模的横截面形状均为圆 形或方形，两者的组合方式为“圆形+圆形”、“方形+方形”或“圆形+方形”。前述组合芯模由N (N彡2)个单元芯模组合而成。采用本发明进行预成型体编织用纱线为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤 维、
聚乙烯纤维、芳纶纤维或金属纤维。本发明所采用的四步法为三维编织的已知主要编织方法之一，以四步为一个编织 循环。本发明所采用的单元方机是指三维编织设备底盘的形状为方形，为现有技术，该 单元方机纱锭的运动有行列结构和角导轮结构两种形式，本发明采用的是行列结构的单元 方机。与现有技术相比，本发明的有益效果是
采用本发明编织的预成型体为三维多向单元，单元纱线连续、结构完整，有利于提高复 合材料的力学性能；而且，复杂制品可整体成型，结构紧凑。本发明可应用于拐角小于π /2、等于π /2、大于π /2的块状和管状预成型体的整 体制备，拓展三维多向预成型体应用，解决复杂结构复合材料预成型体的制备难题，可有效 满足工程应用的现实需求。
图1-1为本发明“L”型拐角预成型体(圆形空心)横截面剖视示意图；图1-2为本发明“L”型拐角预成型体(圆形空心)纱线列数递减、递增工艺示意图；图2 为本发明“Z”拐角预成型体(圆形空心)横截面剖视示意图3为本发明“L”型拐角预成型体(方形实心)横截面剖视示意图； 图4为本发明拐角预成型体制备用单元方机组合、布置平面示意图； 图5-1为本发明拐角三维四向预成型体制备方法的递减纱锭列数工艺示意图； 图5-2为本发明拐角三维四向预成型体制备方法的递增纱锭列数工艺示意图； 图6-1为本发明拐角三维五向预成型体制备方法的递减纱锭列数工艺示意图； 图6-2为本发明拐角三维五向预成型体制备方法的递增纱锭列数工艺示意图。图1-2中，I处所示的是至下纱线列数递减操作截面，II处所示的是由左至右纱 线列数递增操作截面。图4中，N表示行数，M表示列数。图5-1中，BZ表示编织机，Y表示运动纱绽，S表示纱线，JSl表示第一次减少纱绽， JS2表示第二次减少纱绽，JSN表示第η次减少纱绽。图5-2中，BZ表示编织机，Y表示运动纱绽，ZSl表示第一次增加纱绽，ZS2表示第 二次增加纱绽，ZSN表示第η次增加纱绽。图6-1中，BZ表示编织机，Y表示运动纱绽，S表示纱线，W表示轴向不动纱绽，JSl 表示第一次减少纱绽，JS2表示第二次减少纱绽，JSN表示第η次减少纱绽。图6-2中，BZ表示编织机，Y表示运动纱绽，ZSl表示第一次增加纱绽，ZS2表示第 二次增加纱绽，ZSN表示第η次增加纱绽。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述 实施例1
用Τ300碳纤维I两股合股，四步法工艺编织一件三维四向结构的“L”型圆环形截 面拐角预成型体，参见图1-1。第一芯模1和第二芯模2的横截面形状均为圆形，直径 60mm，直柱长度150mm ；预成型体5的厚度5 mm，纤维体积含量50%。其编织方法具 体如下
(1)根据预成型体的外形尺寸和纤维体积含量设计工艺参数编织纱(三维四向全是运 动纱)初始列数180列，初始行数9行，母向花节长度(第一方向3) 40mm/10个花节，周向花 节长度(与第一方向3垂直)21mm/10个花节。确定第一芯模1的内侧拐角处1-1为第一芯模1递减纱线列数的起始点同时也是 第二芯模2递增纱线列数的终止点(即第二芯模2的内侧拐角处2-1)，第一芯模外侧拐角处 1-2为第一芯模1递减纱线列数的终止点同时也是第二芯模2递增纱线列数的起始点(即第 二芯模2的内侧拐角处2-2)。确定纱锭列数递减和递增的规律
第一芯模1内侧拐角处1-1至外侧拐角处1-2编织所需的机器循环数(个)=芯模1内 侧拐角处1-1与外侧拐角处1-2在第一方向3上的长度差(mm) /母向花节长度(mm/10个 花节)/10=60/母向花节长度/10=60/40/10=15个。
每个机器循环减少的纱线列数=第一芯模1内侧拐角处1-1截面A的纱线列数/ 机器循环数=180/15=12列/个机器循环。纱线列数递减的操作次数(次)=机器循环数-1=15-1=14次
纱线列数的递增与递减规律相同，每个机器循环增减的纱线列数都为12列/个机 器循环，纱线列数递增的操作次数为14次，操作方法和列数变化趋势与递减操作相反。(2)芯模固定及编织机布置以第一芯模1为几何中心，根据步骤1的计算结果选 用四台50列X20行(MXN)的单元方机，在Φ2000πιπι圆周上对称、均布组成四步法圆形
编织设备，参见图4。(3)挂纱、梳理后开始第一芯模1部分的编织
按180列Χ9行挂纱，行、列梳理后，按三维四向四步法圆形编织工艺先在第一芯模1 上沿第一方向3开始编织，至第一芯模1内侧拐角处1-1时，以此位置截面A的纱线列数 180列为基数，按12列/个机器循环的规律递减参与编织的纱线，被递减的纱线与对应纱锭 仍保持连接，只是通过调整方机使其固定不参与方机的后续运动，重复此递减规律操作14 次，至第一芯模1的外侧拐角处1-2为止，纱线递减的操作步骤完成，参见图1-2、图5-1。(4)第二芯模2部分的编织加装第二芯模2，使第二芯模2的内侧拐角2_1和 外侧拐角2-2分别与芯模1的内侧拐角1-1和外侧拐角1-2的位置重合，再以第二芯模2 为几何中心，重布单元方机(方法同步骤2)，按第二方向4自第二芯模2外侧拐角2-2开始 编织，并以此位置截面B上的纱线列数12列为基数，每个机器循环增加相同列数12列的纱 线，重复此递增规律操作14次，至第二芯模2内侧拐角处2-1为止，完成纱线递增的操作步 骤，参见图5-2 ；最后以此位置的纱线列数180列全部参与编织至第二芯模2的尾端，即得 “L”型圆环形截面拐角预成型体。(5)本实施例为“圆形+圆形”组合芯模的编织方法，除此之外，本发明还适用于 “方形+方形”、“圆形+方形”组合芯模的编织，其操作步骤只是在编织到方形芯模时，单元 方机要呈方形对称、均布，采用四步法方形编织工艺，其余操作步骤与“圆形+圆形”组合芯 模编织完全相同。
实施例2
用Τ300碳纤维I两股合股，四步法工艺编织一件三维五向结构的“Ζ”变角度圆环形 截面拐角预成型体，参见图2。运动纱和轴向不动纱都为:3ΚΧ2股；芯模1和芯模2的横截 面形状均为圆形，其两中心线交角为60°，芯模直径60mm，直柱长度150mm ；预成型体厚度 5mm，纤维体积含量50%。其具体编织方法如下
(1)根据预成型体的外形尺寸和纤维体积含量设计编织工艺参数运动纱初始列数 160列，初始行数7行，轴向不动纱初始列数160列，初始行数5行，母向花节长度(第一方向 3) 52mm/10个花节，周向花节长度(与方向3垂直)23. 6mm/10个花节。确定第一芯模1的内侧拐角处1-1为第一芯模1递减纱线列数的起始点同时也是 第二芯模2递增纱线列数的终止点(即第二芯模2的内则拐角处2-1)，第一芯模外侧拐角 1-2处为第一芯模1递减纱线列数的终止点同时也是第二芯模2递增纱线列数的起始点
(即第二芯模2的内则拐角处2-2)。确定纱锭列数递减和递增的规律第一芯模1内侧拐角处1-1至外侧拐角处1-2编织所需的机器循环数(个)=第一芯模 1内侧拐角处1-1与外侧拐角处1-2在第一方向3上的长度差(mm)/母向花节长度(mm/10 个花节)/10=60/tan30° / 母向花节长度/10=60/tan30° /52/10=20 次。每个机器循环减少的纱线列数(包括运动纱和轴向不动纱)=第一芯模1内侧拐角 处
1-1截面A的纱线列数/机器循环数=320/20=16列/个机器循环。纱线列数递减的操作次数(次)=机器循环数-1=20-1=19次。纱线列数的递增与递减规律相同，每个机器循环增减的纱线列数都为12列/ 个机器
循环纱线列数递增的操作次数为19次，操作方法和列数变化趋势与递减操作相反。(2)芯模固定及编织机布置以第一芯模1为几何中心，按步骤1的计算结果选用 四
台(50列X20层+ 列X38层)的单元方机，在Φ2000mm的圆周上对称、均布组成四 步法圆形编织设备，参见图4。(3)挂纱、梳理后开始芯模1部分的编织
按运动纱(160列X7行)和轴向不动纱(160列X5行)挂纱，行、列梳理后，按三维五 向四步法圆形编织工艺先在第一芯模1上沿第一方向3开始编织，至第一芯模1内侧拐角 处1-1时，以此位置截面A的纱线列数320列(运动纱和轴向不动纱之和，下同)为基数，按 16列/个机器循环的规律递减参与编织的纱线，被递减的纱线与对应纱锭仍保持连接，只 是通过调整方机使其固定不参与方机的后续运动，重复此递减规律操作19次，至芯模1外 侧拐角1-2为止，纱线递减的操作步骤完成，参见图6-1。(4)第二芯模2部分的编织加装第二芯模2，使第二芯模2的内侧拐角处2_1和 外侧拐角处2-2分别与第一芯模1的内侧拐角处1-1和外侧拐角处1-2的位置重合，再以 第二芯模2为几何中心，重布单元方机(方法同步骤2)，按第二方向4自第二芯模2外侧拐 角处2-2开始编织，并以此位置截面B的纱线列数16列为基数，每个机器循环增加相同列 数16列的纱线，重复此递增规律操作19次，至第二芯模2内侧拐角处2-1为止，完成纱线 递增的操作步骤，参见图6-2 ；最后以此位置的纱线列数320列全部参与编织至第二芯模2 的尾端，即得“Z”变角度圆环形截面拐角预成型体。
实施例3
用环氧型石英纱190Tex两股合股，四步法工艺编织一件三维四向结构的“L”型方形 实心截面的预成型体，参见图3。预成型体尺寸30mmX230mmX5 mm (aXbXc)，a、b、 c分别表示预成型体的宽度、长度和宽度方向尺寸，纤维体积含量45%。其具体制备方法如 下
(1)根据预成型体的外形尺寸和纤维体积含量设计编织工艺参数编织纱(全为运动 纱)初始列数42列，初始行数10行，母向花节长度(方向12) 45mm/10个花节，周向 花节长度(与方向12垂直)14mm/10个花节。根据预成型体的外形尺寸，以其内侧角7-1与外侧角7-2的连线10为递减和递增 纱线列数的分界线，此线为设计与操作基准，实际在预成型体表面不存在。
确定纱锭列数递减和递增的规律
预成型体6内侧拐角7-1处至外侧拐角处7-2编织所需的机器循环数(个)=预成型体 6内侧拐角处7-1与外侧拐角处7-2在第一方向8上的长度差(mm)/母向花节长度(mm/10 个花节)/10=30/45/10=6. 6 ^7 (个)。每个机器循环减少的纱线列数=预成型体6内侧拐角处7-1截面的纱线列数/机 器循环数=42/7=6列/个机器循环。纱线列数递减的操作次数(次)=机器循环数-1=7-1=6次
纱线列数的递增与递减规律相同，每个机器循环增减的纱线列数都为6列/个机器循 环，纱线列数递增的操作次数为6次，操作方法和列数变化趋势与递减操作相反。(2)第一部分预成型体编织选用一台50列X 20行(MXN)的单元方机，按三维四 向四步法方形编织工艺制备方形截面预成型体。按方向8编织，到长度200mm处，即预成型体6内拐点7_1处，以此位置截面A的 纱线列数42列为基数，按6列/个机器循环的规律递减参与编织的纱线，被递减的纱线与 对应纱锭仍保持连接，只是通过调整方机使其固定不参与方机的后续运动，重复此递减规 律操作6次，至预成型体6外侧拐角处7-2为止，参见图3。(3)第二部分预成型体编织改变编织方向9，重布单元方机(方法同步骤2)，再以 预成型体7外拐点7-2开始，并以此位置截面B的纱线列数6列为基数，每个机器循环增加 相同列数6列的纱线，重复此递增规律操作6次，至预成型体7内侧拐角7-1为止，完成纱 线递增的操作步骤，参见图3 ；最后以此位置的纱线列数42列全部参与编织至要求长度，即 得“L”型圆环形截面拐角预成型体。本发明中所指的机器循环是专指三维编织四步法工艺而言，但单元方机依次 完成行、列方向的四步运动，就是一个机器循环，在芯模的编织方向就编织一个花节，并把 它定义为一个母向花节长度，母向花节通常以10个花节的总长为计量单位，单位mm/10个 花节；与编织方向相垂直的方向定义为周向，周向花节通常也以10个花节的总长为计量单 位，单位mm/10个花节。本发明所采用的纱线细度的国际计量单位为特克斯(Tex)，但对碳纤维按使 用习惯，通常用K数来表示碳纤维的细度，IK为有1000根单丝组成的碳纤维细度。
权利要求
1.一种改变参与纱锭数量制备拐角预成型体的方法，其特征是包括下列步骤1)以第一芯模(1)为几何中心，通过对称、均布单元方机组成四步法圆形或方形预成型 体的编织设备，按第一方向(3)开始编织；2)编织至第一芯模(1)内侧的拐角处(1-1)时，以此位置预成型体(5)的截面(A)上的 纱线列数即运动纱和轴向不动纱列数之和为基数，在以后的每个机器循环均减少相同列数 的纱线，并将减出纱线所对应的纱锭固定，使其不参与方机下一个机器循环的运动，剩余列 数的纱线所对应的纱锭则继续下一个机器循环的运动，编织至第一芯模(1)外侧的拐角处 (1-2)为止；3)再以第二芯模(2)为几何中心，通过对称、均布单元方机组成四步法圆形或方形预成 型体的编织设备，从第二芯模(2)的外侧拐角处(2-2)开始按第二方向(4)继续编织，并以 此位置预成型体的截面(B)上的纱线列数列数即运动纱和轴向不动纱列数之和为基数，在 以后的每个机器循环均增加相同列数的纱线，编织至第二芯模(2)内侧拐角处(2-1)后，以 此位置的纱线列数全部参与编织直至芯模(2)的尾端，即得拐角预成型体；前述截面(A)和截面(B)的纱线列数相同；前述步骤3)中的每次增纱的列数和步骤2)每次减纱的列数相同；前述第一芯模(1)和第二芯模(2)为组合使用的模具，完成步骤2)后将芯模(2)与芯 模(1)对接，第一芯模(1)的内侧拐角处(1-1)和外侧拐角处(1-2)的位置分别与第二模 芯(2)的内侧拐角处(2-1)和外侧拐角处(2-2)的位置重合，形成一个L型的组合芯模。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤2)中从第一芯模(1)内侧拐角(1-1)处 编织至外侧拐角(1-2)处所需的机器循环数=芯模(1)内侧拐角(1-1)与外侧拐角处(1-2) 在第一方向(3)上的长度差/母向花节长度/10，每个机器循环减少的纱线列数=第一芯模 (1)内侧拐角处(1-1)截面A的纱线列数/机器循环数，纱线列数递减的操作次数=机器循 环数-1 ；前述母向花节长度单位为mm/10个花节。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤3)中从第二芯模(2)的外侧拐角处 (2-2)编织至内侧拐角处(2-1)所需的机器循环数=第一芯模(1)内侧拐角处(1-1)与外 侧拐角处(1-2)在第一方向(3)上的长度差/母向花节长度/10，每个机器循环增加的纱线列数=第二芯模(2)外侧拐角处(2-2)截面B的纱线列数/机器循环数，纱线列 数递增的操作次数=机器循环数+1，前述母向花节长度单位为mm/10个花节。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征是所述的预成型体为三维四向或四向 以上结构，采用四步法方形或/和圆形编织工艺进行编织。
5.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征是所述第一芯模(1)和第二芯模(2) 的横截面形状均为圆形或方形，两者的组合方式为“圆形+圆形”、“方形+方形”或“圆形+ 方形”。
6.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征是，所述的组合芯模由N个单元芯模组 合而成，N彡2。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是编织用纱线为碳纤维、玻璃纤维、石英纤 维、高硅氧纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维或金属纤维。
全文摘要
一种改变参与纱锭数量制备拐角预成型体的方法，包括下列步骤1)以第一芯模(1)为几何中心，对称、均布编织设备，按第一方向(3)开始编织；2)编织至第一芯模(1)内侧的拐角处(1-1)时，开始按规律不断减少参与编织的纱锭数量，编织至第一芯模(1)外侧的拐角处(1-2)为止；3)以第二芯模(2)为几何中心，对称、均布编织设备，从第二芯模(2)的外侧拐角处(2-2)按第二方向(4)继续编织，按规律不断增加参与编织的纱锭数量，编织至第二芯模(2)内侧拐角处(2-1)后，以此位置的纱线列数全部参与编织直至芯模(2)的尾端，即得拐角预成型体；采用本发明编织的预成型体单元纱线连续、结构完整，有利于提高复合材料的力学性能。
文档编号D04C1/06GK102134786SQ20111009943
公开日2011年7月27日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者朱建勋, 王宇, 蒋云 申请人:中材科技股份有限公司