专利名称：变截面预成型制件的三维编织方法及其制件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料支撑体预成型制件的三维编织技术，具体为一种制造高性能复合材料支撑体的异形或变截面预成型制件的三维编织方法及其制件技术，国际专利分类号拟为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件。传统层合复合材料采用层板结构形式，层间性能薄弱是复合材料失效的主要原因之一。采用三维编织技术制备的三维编织预成型件中增强纤维在三维空间内相互交织，具有良好的结构整体性，在提高复合材料的整体性能的同时，改善了复合材料的冲击韧性和损伤容限。同时，三维编织技术具有加工各种异型截面预成型件的能力，可满足高性能先进复合材料构件净型加工的需要。因此，三维编织技术近年来得到了迅速的发展，并成为航天、航空等高技术领域使用复合材料的关键制备技术之一。
目前三维编织技术以四步法三维编织工艺为主，其来源于弗罗亭(R.A.Florentine)在其专利U.S.P.4312261中描述的四步法三维编织方法。李伟(W.Li)等也在其“复合材三维编织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 PartThe Four-step Preforms，J.Text.Inst.，1990，81 No.4)”中系统地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。该工艺中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。编织轴纱按需要排列于编织纱线之间。编织纱线的排列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，这种编织方法称为方型编织；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，并使编织纱线按一定设计规律运动，而轴纱保持不动，这样编织纱线相互交织，并将轴纱捆绑，形成一个不分层的三维五向(含轴纱)或三维四向(不含轴纱)整体结构。经过若干个机器循环，就可制成一定长度和形状的三维编织预成型件。
根据基本的四步法三维编织工艺，编织纱线在机器底盘上的排列形式由制件的横截面形状决定。通常选择制件的某一横截面作为编织成型的起始点，编织纱线的排列方式以该截面形状和尺寸为基准。一旦这一编织基准截面选定后，所用的编织纱线的根数和排列方式就可以根据纤维体积含量和编织角等编织成型条件设计并确定。在编织过程中，如果编织纱线的根数和排列方式不发生变化，编织形成的预成型件将是一个具有与基准截面形状和尺寸相同的等截面的制件。例如在方型编织中，一定根数的编织纱线在机器底盘上排列成T形后，编织形成的预成型件就为一定长度等截面的T型梁；在圆型编织中，一定根数的编织纱线在机器底盘上排列成圆形后，编织形成的预成型件就为一定长度等截面的圆管。可见，基本的四步法三维编织工艺编织仅能编织沿长度方向等截面的异形预成型制件。
但在工程应用中，有一类复合材料制件是变截面制件，即沿此复合材料制件的长度方向，其横截面尺寸是变化的，或者说是不等截面的制件。例如锥套体制件(参见图1所示)，它的横截面尺寸就是一种连续、均匀变化的不等截面的变截面制件；再例如双耳接头(参见图3所示)，它的耳片横截面尺寸也是一种沿长度方向连续、均匀变化的不等截面的变截面制件；又例如螺钉(参见图2所示)，它的横截面尺寸从螺帽到螺杆处则是一种非连续的、不均匀变化的，或者说是突然变化的不等截面的变截面制件；而变截面梁(参见图4所示)则是一种既有连续、均匀变化的不等截面，又有非连续的、不均匀变化的不等截面的变截面制件。对于这类变截面制件的整体预成型制造，所述传统的基本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。目前的解决办法是在所述相应等截面预成型制件的基础上，采用传统的机械加工方法来获得所需要的变截面制件形状，例如把等截面的圆柱体切削成变截面的螺钉。很显然，这样的加工会造成严重的纤维损伤，破坏预成型制件的整体性，造成制件性能的下降，进而使增强结构和复合材料的性能下降；另一方面也增加了工序，提高了预成型制件的制造成本。
发明内容
针对现有编织技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种变截面预成型制件的三维编织方法及其制件技术，该编织方法可以实现具有沿长度方向横截面变化的异形复合材料预成型制件的三维整体编织制造，可省去进一步加工的工序，降低生产成本，且方法简单，适用性广。采用本发明编织方法制造的制件整体性好，机械力学性质大为改善，从而可提高复合材料的品质和性能。
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变截面预成型制件的三维编织方法，该三维编织方法以四步法三维多向编织工艺为基础，其特征在于在编织过程中，以预成型制件的一个端面为基准，根据预成型制件截面尺寸的变化和编织纱线的运动规律，设计截面内的减纱点或增纱点数量，并使减纱点或增纱点在该截面内均匀分布；再根据纤维体积含量的要求，确定受纱点或缩纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的移动、并股、再减细或者增纱、分段、再移动的方法实现预成型制件的截面变化，完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。
本发明在传统的四步法三维多向编织工艺的基础上，通过与预成型制件截面尺寸变化相一致或相对应的编织纱线参与编织数量的变化，来实现变截面预成型制件的三维多向整体编织，因此可保证预成型制件内增强纤维的连续性和制件编织结构的整体性，可避免或减少了预制件复合固化后机械加工造成的严重纤维损伤，从而可提高复合材料的品质和性能；同时因减少了加工工序，可降低制造成本；另一方面，由于本发明所述方法是巧妙设计了编织纱线的移动、并股和再减细的方法，因此，本发明编织方法具有方法简单，适应性广的特点，即它既可适用于方型编织，制造方型类的各种变截面预成型制件，又可适用于圆型编织，制造圆型类的各种变截面预成型制件。
图1为采用本发明编织方法编织所得制件的一种实施例锥套体的外观形状示意图；图2为采用本发明编织方法编织所得制件的另一种实施例螺钉外观形状示意图；图3为采用本发明编织方法编织所得制件的又一种实施例双耳接头立体形状示意图；图4为采用本发明编织方法编织所得制件的第4种实施例变截面方形梁的立体形状示意图；图5为采用本发明编织方法编织所得制件的第5种实施例凹腰型旋转体的立体形状示意图；图6为本发明编织方法的方型编织示意图；图7为本发明编织方法的圆型编织示意图；图8为本发明编织方法编织时在预成型制件截面变化处减纱原理示意图；图9为本发明编织方法编织时在预成型制件截面变化处减纱后的纱线排列示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明本发明设计的是一种变截面预成型制件的三维编织方法(以下简称编织方法)，该三维编织方法以四步法三维多向编织工艺为基础，其特征在于在编织过程中，以预成型制件的一个端面为基准，根据预成型制件截面尺寸的变化和编织纱线的运动规律，设计截面内的减纱点或增纱点数量，并使减纱点或增纱点在该截面内均匀分布；再根据纤维体积含量的要求，确定受纱点或缩纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的移动、并股、再减细或者增纱、分段、再移动的方法实现预成型制件的截面变化，完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。
本发明编织方法所述的编织纱线运动规律，是指在连续编织过程中编织纱线悬挂点在机器底盘上所处位置的变化规律。
本发明编织方法所述的纤维体积含量的要求，是指制件中增强纤维的体积与制件总体积的比值。
本发明编织方法所述的编织纱线的粗细，是指编织纱线的细度，即每千米长度纱线的重量。
本发明编织方法所述的编织纱线的移动、并股、再减细的方法，是指在减纱编织过程中，先将减纱点上的编织纱线移动悬挂到相应的受纱点上，与受纱点上原有的纱线合并，受纱点上悬挂的纱线的细度变为原有纱线细度的二倍，编织一个机器循环后，剪去其中一根纱线，使受纱点上悬挂的纱线恢复到原有的细度，达到减少参加编织纱线根数的方法。
本发明编织方法所述的编织纱线的增粗、分股、再移动的编织方法，是指在增纱编织过程中，先将需要增加的纱线和增纱点上的编织纱线并股，使原来增纱点的编织纱增粗，编织一个机器循环后，再将增粗的纱线分成两股，使编织纱恢复到原有的细度，然后将其中的一股编织纱移动悬挂到相应的受纱点上，达到增加参加编织纱线根数的方法。
本发明编织方法所述的三维多向整体编织是指编织工艺采用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向的编织结构。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七向以上的编织结构。
本发明编织方法优选减纱编织方法，它以四步法三维多向编织工艺为基础，其特征在于在编织过程中，以预成型制件的最大端面(截面)为基准面，根据预成型制件截面尺寸的变化和编织纱线的运动规律，设计相应截面内的减纱点数量，并使减纱点在该截面内均匀分布；再根据纤维体积含量的要求，确定受纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的移动、并股、再减细的方法实现预成型制件的截面变化，完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。
下面以圆锥体预成型制件的减纱编织为例，进一步说明本发明编织方法首先，选择基准截面。减纱编织选择制件2的最大端面(最大直径横截面)为开始起编的基准截面1(参见图7)。依该基准截面1的尺寸大小设计所用的编织纱线根数，包括主纱线系统和辅助纱线系统。主纱线系统为编织纱线3。辅助纱线系统包括第五向纱线4(轴纱)，第六向纱线5和第七向纱线6。辅助纱线系统可以根据预成型制件的设计加入，以提高制件某一方向的力学性能。这样可分别形成三维四向、三维五向、三维六向或三维七向编织结构。对于圆锥体预成型制件的实施例采用三维五向的编织结构编织即可。
其次，排列悬挂编织纱线。按基准截面1的形状将所有设计的编织纱线悬挂于编织机器的底盘上。在方型编织(参见图6)中，主体编织纱线3按行和列的方式排列悬挂，即矩形排列，边纱7间隔排列在主体编织纱线3的外围，且每行或每列的纱线数目相同；在圆型编织中，主体编织纱线3按环向行和径向列的方式排列悬挂，边纱7间隔排列在主体编织纱线3的内外两侧(参见图7)，且每列的纱线数目相同。主体编织纱线3的行数记为M，列数记为N。第五向纱线4(轴纱)排列在每一行的相邻编织纱线3之间。以上两组纱线平行于制件的编织成型方向(即垂直于机器底盘的方向)。第六向纱线5和第七向纱线6分别排列在相邻行和相邻列之间(参见图6、7)，在编织过程中由引纱机构沿垂直于制件编织成型方向引入。所谓某向纱线是指编织结构中不同空间取向的纱线，其中编织纱线有四种取向，第五向纱线为平行于制件的编织成型方向的纱线(轴纱)，第六向纱线为垂直于制件的编织成型方向并沿制件宽度方向的纱线，第七向纱线为垂直于制件的编织成型方向并沿制件厚度方向的纱线。
第三，开始编织。编织过程由编织纱线沿行向和列向的交替运动实现。不同的编织结构具有不同的机器循环步骤。例如较复杂的三维七向编织结构的机器循环由八步组成，第一步相邻列向编织纱线3以相反的方向沿列向运动一个编织纱线3位置；第二步相邻行向编织纱线3以相反的方向沿行向运动一个编织纱线3位置；第三步在相邻行间引入第六向纱线5；第四步在相邻列间引入第七向纱线6；第五步、第六步、第七步和第八步机器运动方向分别与前四步相反。经过所述的八步运动，可完成一个机器循环，如此循环下去，可完成编织任务。如果纱线系统中不含有第六、第七向纱线，则可省去相应的编织步骤。相应地三维六向编织结构的机器循环由六步组成，三维五向和三维四向编织结构的机器循环由四步组成。
第四，减纱操作。当编织至制件2的横截面改变处，根据该横截面尺寸的变化和编织纱线的运动规律，确定减纱点A的数量，并将其均匀分布在该横截面内。所谓减纱点，并不是一个“点”，而是一组纱线的集合。一个减纱点至少包括同行或同列上相邻的两根编织纱线3；如有轴纱4，则包括同行或同列上相邻的两根编织纱线3和两根轴纱4。两个减纱点A不能紧邻，之间要间隔一定数量相互不连通的编织纱线3。与减纱点A对应的是受纱点B。所谓受纱点B的概念本质上与减纱点A一致，只是两者的用途或作用不同。受纱点B的确定与减纱点A所含纱线的排列有关。如果减纱点A所含纱线按行排列，则在与减纱点A同行的相邻位置设计受纱点B；如果减纱点A所含纱线按列排列，则在与减纱点A同列的相邻位置设计受纱点B。受纱点B内所含纱线与减纱点A内所含的纱线一一对应(参见图8、9)，且两者具有相同的运动规律。所述的减纱操作就是将减纱点A上所含的纱线移动到与其对应的受纱点B上，即所谓的移纱，与受纱点B上相应的纱线合并，即所谓的并股或并纱，并移去减纱点A上空的携纱器，将编织纱线重新排列后，编织下一个机器循环。
第五，减细操作。由于在受纱点B上并股后，该处的纱线数目成倍增加，因此，需将受纱点B上的并股纱线按编织纱线细度要求剪去部分纱线，使其细度变细，符合编织纱线的细度要求(参见图9)。
第六，开始正常编织。到下一个横截面变化处重复第四、五步。依此直到编织完成。
本发明编织方法在所述的实施例在编织过程中，以预成型制件的最大截面为基准面，意味着编织过程是单向递减的。这是从编织过程减纱操作更容易实现而设计的。而从原理来说，在编织过程中，以预成型制件的最小截面(端面)为基准面，根据预成型制件截面尺寸的变化和编织纱线的运动规律，设计相应截面内的增纱点数量，并使增纱点在该截面内均匀分布；再根据纤维体积含量的要求，确定受纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的增粗、分股、移动的编织方法实现预成型制件的截面变化，即减纱设计的逆过程——单向递增的编织方法，同样可以完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。一般而言，这种增纱设计在实际操作上要比减纱设计实现困难些。但困难并非不能实现。进一步讲，通过增减纱的协调设计，意味着本发明编织方法可以制造类似葫芦型、凹腰型旋转体(参见图5所示)等的非单向变化的复合材料变截面预成型制件。这也说明本发明编织方法的广泛适用性。
本发明编织方法的优点在于巧妙而科学地应用减纱和减细操作，从而可使复合材料异型预成型制件的横截面变化可由增强纤维整体编织形成，因而减少了复合固化后机械加工造成的纤维损伤，保证了制件内增强纤维的连续性和编织结构的整体性；同时由于减纱点均匀分布于制件的横截面内，因此不会出现贯穿性和集中性的减纱缺陷，保证了变截面预成型制件的整体质量。
下面给出采用本发明编织方法整体编织变截面预成型制件的几个具体实施例实施例1采用本发明方法编织锥套体制件(参见图1)。其大端内径为400mm，小端内径为100mm，高为700mm、壁厚20mm。以锥套体的大端直径横截面为基准截面起始编织，采用圆型编织方法编织，编织成型方向沿锥套体制件的高度方向。锥套体制件横截面尺寸的连续变化通过按纤维体积含量均匀一致的原则沿锥套体的高度方向设计减纱次数和每次减纱根数予以近似逼近。采用三维五向编织结构，编织纱线为T700-12k碳纤维，编织角为25°，纤维体积含量为50％。基准截面设计所需的纱线根数为18720根。为了满足截面的变化要求，编织过程中设计减纱20次，每次减纱704根，有234个减纱点A均匀分布于各个减纱截面上，到锥套体制件小端时，编织纱线根数为4640根。采用本发明方法编织锥套体制件时，除了采用所述的三维五向编织结构外，还可以相应地采用三维四向、或三维六向编织结构。
实施例2采用本发明方法编织M16的螺钉制件(参见图2)。以螺帽的横截面为基准截面起编，采用圆型编织方法，编织结构为三维五向编织结构。编织纱线为T700-12k碳纤维，编织角为20°，纤维体积含量为50％，编织所用纱线根数为520根。正常编织到横截面尺寸从螺帽到螺杆突然变化处，即在螺帽到螺杆衔接处，根据截面变化前后的尺寸要求，一次减纱230根后，正常编织螺杆到结束。
实施例3采用本发明方法编织变截面方型梁制件(参见图4)。以方型梁的大端为编织起始编织基准截面。编织成型方向为长度方向，截面变化通过多次减纱近似逼近。方型梁的大端编织纱线为12000根的2400tex高强玻纤，在机器底盘上排列成矩形；采用方型编织方法，编织结构为三维六向，编织角为30°，纤维体积含量为55％；截面变化通过5次减纱近似逼近，每次减纱600根，150个减纱点均匀分布于每个减纱截面上。编织到方型梁的小端时，该截面为9000根2400tex高强玻纤纱线。
实施例4采用本发明方法编织双耳接头制件(参见图3)。该制件的底板为等截面体，而耳片的截面尺寸由大变小变化的，因此，减纱设计只在耳片处。编织过程中，接头底板不需要减纱操作，耳片横截面尺寸的连续变化通过按纤维体积含量均匀一致的原则沿耳片的长度方向设计减纱次数和每次减纱根数予以近似逼近。以双耳接头最大尺寸的横截面为基准截面起编，采用方型编织方法，编织纱线采用12k的M55高模量碳纤维，在机器底盘上排列为∏型，编织结构为三维七向，编织角为30°，纤维体积含量为55％。制件底板的编织纱线为2289根，两个耳片的编织纱线均为579根。编织过程中底板的纱线根数保持不变，而耳片的截面变化通过10次减纱近似逼近，每次减纱36根，9个减纱点均匀分布于每个减纱截面上。
实施例5采用本发明方法编织凹腰型旋转体(参见图5)制件，其横截面中间细，两端粗。该制件的无论从哪端起编都是先由大变小再由小变大的编织过程，因此，编织中采用了减纱设计和增纱设计相结合的方法。以制件的任一个端面为编织基准截面，编织纱线采用T700-12k碳纤维，编织角为30°，纤维体积含量为50％，编织结构为三维六向，所用纱线根数为3400根，先进行减纱操作。减纱次数为5次，每次减纱320根，80个减纱点均匀分布于每一减纱截面上。当编织到制件最细处后，则进行逆向的增纱操作。由于该制件截面变化具有对称特性，因此，增纱次数也为5次，每次增纱320根，80个增纱点均匀分布于每一增纱截面上。
权利要求
1.一种变截面预成型制件的三维编织方法，该三维编织方法以四步法三维多向编织工艺为基础，其特征在于在编织过程中，以预成型制件的一个端面为基准，根据预成型制件截面尺寸的变化和编织纱线的运动规律，设计截面内的减纱点或增纱点数量，并使减纱点或增纱点在该截面内均匀分布；再根据纤维体积含量的要求，确定受纱点或缩纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的移动、并股、再减细或者增纱、分段、再移动的方法实现预成型制件的截面变化，完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。
2.根据权利要求1所述的变截面预成型制件的三维编织方法，其特征在于该三维编织方法的编织工艺采用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向的编织结构。
3.根据权利要求2所述的变截面预成型制件的三维编织方法，其特征在于该三维编织方法在编织过程中，以预成型制件的一个最大端面为基准，根据预成型制件截面尺寸的变化和编织纱线的运动规律，设计截面内的减纱点数量，并使减纱点在该截面内均匀分布；再根据纤维体积含量的要求，确定受纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的移动、并股、再减细的方法实现预成型制件的截面变化，完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。
4.一种复合材料使用的变截面预成型制件，其特征在于它由权利要求1、2或3所述的三维编织方法整体编织而成。
全文摘要
本发明涉及一种变截面预成型制件的三维编织方法及其制件技术，该三维编织方法以四步法三维多向编织工艺为基础，其特征在于在编织过程中，以预成型制件的一个端面为基准，根据预成型制件截面尺寸的变化和编织纱线的运动规律，设计截面内的减纱点或增纱点数量，并使减纱点或增纱点在该截面内均匀分布；再根据纤维体积含量的要求，确定受纱点或缩纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的移动、并股、再减细或者增纱、分段、再移动的方法完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。该方法可减少工序，降低成本，且方法简单，适用性广。其制件整体性好，机械力学性质大为改善，可提高复合材料的品质和性能。
文档编号D04C1/00GK1651627SQ20051001620
公开日2005年8月10日 申请日期2005年2月23日 优先权日2005年2月23日
发明者李嘉禄, 陈利, 焦亚男 申请人:天津工业大学