CN102011269B - 变截面三维编织预型件的净形制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变截面三维编织预型件的净形制备方法，以预型件的最大端面为减纱基准截面，按照四步法方型三维编织工艺进行编织，在编织过程中进行至少一次减纱操作与移纱操作，得到变截面三维编织预型件，其特征在于：所述的减纱操作包括将与截面尺寸缩减位置相对应的编织纱线划分为纱线单元，在缩减截面宽度时，选择至少一列纱线单元作为行减纱单元，在缩减截面厚度时，选择至少一行纱线单元作为列减纱单元，将所有的行减纱单元或列减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，并在预型件的自由头端处将其剪断。本发明对单纱、股线等各种形式的编织纱线以及横截面积较小的预型件均可应用，行减纱单元或列减纱单元排列方式简单，适用性广。

Description

变截面三维编织预型件的净形制备方法

技术领域

 本发明涉及一种变截面三维编织预型件的净形制备方法，具体为一种横截面尺寸沿长度方向缩减的三维编织预型件的减锭减纱净尺寸成型方法。

背景技术

在现有的四步法方型三维编织工艺中，编织纱线在编织机底盘上的排列和数量由预型件的横截面形状与尺寸决定，一旦选定某一横截面作为起始编织截面后，所需的编织纱线根数与排列方式就可以根据已知的纱线细度、编织角、纤维体积含量等材料参数和结构参数计算确定，整个编织过程中编织纱阵列的大小与形状不会发生改变，最终得到的预型件是横截面外观尺寸与起始编织截面完全相同的等截面预型件。例如采用基本的四步法方型三维编织工艺，将一定根数的纱线在编织机底盘上排列成T字形后，最终形成的是沿预型件长度方向截面不变的T形梁。可见，常规的四步法方型三维编织工艺只能制备横截面外形尺寸沿长度方向不发生改变的等截面预型件。

然而在实际工程应用中，绝大多数复合材料预型件并不是等截面结构件，而是横截面尺寸沿长度方向逐渐缩减的变截面异形结构件，例如风力发电机叶片、飞机旋翼桨叶、卫星桁架接头等。目前制备这类变截面复合材料预型件的主要方法是在相应等截面预型件的基础上，采用传统的机械后加工以获得所需要的变截面外观尺寸。后加工过程中，增强纤维受到严重损伤，预型件的结构整体性遭到破坏，因而降低了复合材料的力学性能，同时也增加了工序，提高了生产成本。公开号为CN1614114A的专利“复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法”根据四步法圆型三维编织中纱锭(动纱和不动纱)的运动特点，将编织纱不断减少或减细来使编织物的横截面积减小，从而实现了横截面积逐渐变化的三维编织预制件的净尺寸仿形减纱编织。但只有当编织纱由纤维束合股组成时，才可以采用降低纱线细度的方法来缩减截面面积，而且细度的微小改变在实际操作时不易实现，过细的纤维束在编织过程中还容易起毛、断丝。公开号为CN1651627A的专利“变截面预成型制件的三维编织方法及其制件”以四步法三维多向编织工艺为基础，以预成型制件的一个端面为基准，根据截面尺寸变化和编织纱线运动规律，设计减纱点的数量并使减纱点在减纱截面内均匀分布，再根据纤维体积含量的要求确定减纱点处编织纱线的粗细，通过编织纱线的移动、并股、再减细实现变截面预成型制件的三维多向整体编织。但当预成型制件横截面积较小，编织纱线根数较少时，减纱点的均匀分布受到限制，尤其当同时减小预成型件的截面宽度与厚度时，减纱点均匀分布的要求更是难以满足，而且均匀分布的标准没有明确量化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有编织技术的不足，设计一种变截面三维编织预型件的净形制备方法，该方法可以实现横截面尺寸沿长度方向缩减的三维编织预型件的净尺寸成型，无需经过进一步的后加工，可以保证增强纤维的连续性，提高预型件的结构整体性和变截面区域的机械力学性能，降低生产成本，同时对单纱、股线等各种形式的编织纱线以及横截面积较小的三维编织预型件均可应用，适用范围广，行减纱单元以整列分布的形式排列在减纱截面内，列减纱单元以整行分布的形式排列在减纱截面内，方法简单。

为了达到上述目的，本发明提供了一种变截面三维编织预型件的净形制备方法，以预型件的最大端面为减纱基准截面，按照四步法方型三维编织工艺进行编织，在编织过程中进行至少一次的减纱操作与移纱操作，得到变截面三维编织预型件，其特征在于：

所述的减纱操作包括将与截面尺寸缩减位置相对应的编织纱线划分为纱线单元，在缩减截面宽度时，选择至少一列纱线单元作为行减纱单元，在缩减截面厚度时，选择至少一行纱线单元作为列减纱单元，将所有的行减纱单元或列减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，并在预型件的自由头端处将其剪断；

所述的移纱操作包括在缩减截面宽度时，将与行减纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元作为行移纱单元，将行移纱单元填充行减纱单元的空缺，而后依次将与该行移纱单元处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元平移填充该行移纱单元的纱线空缺，直至该行减纱单元所在行的外侧所有的纱线单元全部平移过，空缺位置移至该行最外侧为止；在缩减横截面厚度时，将与列减纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元作为列移纱单元，将列移纱单元填充列减纱单元的空缺，而后依次将与该列移纱单元处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元平移填充该列移纱单元的纱线空缺，直至该列减纱单元所在列的外侧所有纱线单元全部平移过，空缺位置移至该列最外侧为止。

所述的纱线单元以运动规律重复的最小纱线数量和排列为基本单位，是一组纱线的集合，至少包括同行或同列上相邻的两根编织纱线。

优选地，在缩减截面宽度时，选择对称的两列纱线单元作为行减纱单元，在缩减截面厚度时，选择对称的两行纱线单元作为列减纱单元。

本发明所述的变截面三维编织预型件的净形制备方法，具体如下：

第一步，选择减纱基准截面，排列、悬挂编织纱线：选择预型件的某一端面（最大截面）为开始起编的减纱基准截面，主体纱线按照行和列的方式即矩形方式排列，每行或每列的纱线数目相同，边纱间隔排列在主体纱线阵列的外围，据此规则根据减纱基准截面的形状设计纱线在编织机底盘上的排列形式，并将编织纱线悬挂到机器底盘上；

第二步，开始编织：四步法方型三维编织通过纱线沿行方向和列方向的交替运动完成交织，第1步相邻行中的编织纱线沿行方向交替运动一个位置，第2步相邻列中的编织纱线沿列方向交替运动一个位置，第3步和第4步中纱线的运动规律分别与第1步和第2步相反，经过上述四步运动，完成一个编织循环，重复上述四个运动步骤，可使预型件沿长度方向不断增长；

第三步，减纱操作；减纱单元以运动规律重复的最小纱线数量和排列为基本单位，是一组纱线的集合，至少包括同行或同列上相邻的两根编织纱线，根据截面尺寸变化情况，减纱单元可以分为行减纱单元或列减纱单元两种，其中行减纱单元以整列分布的形式排列在减纱截面内，列减纱单元则以整行分布的形式排列在减纱截面内，整列分布是指缩减预型件横截面宽度时，使各行减纱单元沿编织纱线阵列的列方向在所有行的相同列位置依次排列，整行分布是指缩减预型件横截面厚度时，使各列减纱单元沿编织纱线阵列的行方向在所有列的相同行位置依次排列，减纱操作时将行减纱单元或列减纱单元中包含的纱线从其在编织机底盘悬挂点的位置取下，并在预型件的自由头端处将其剪断；

第四步，移纱操作；移纱单元是与减纱单元运动规律相同的纱线循环单元，移纱单元内的纱线与减纱单元内的纱线一一对应，根据截面尺寸变化情况，移纱单元可以分为行移纱单元或列移纱单元两种，缩减横截面宽度时，与行减纱单元处在相同行位置，外侧相邻列位置的行移纱单元填充被减纱线的空缺，而后与该行移纱单元相邻的外侧另一纱线单元平移填充该行移纱单元的纱线空缺，直至该行减纱单元所在行的外侧所有纱线单元依次平移，空缺位置移至该行最外侧为止，缩减横截面厚度时，与列减纱单元处在相同列位置，外侧相邻行位置的列移纱单元填充被减纱线的空缺，而后与该列移纱单元相邻的外侧另一纱线单元平移填充该列移纱单元的纱线空缺，直至该列减纱单元所在列的外侧所有纱线单元依次平移，空缺位置移至该列最外侧为止；

第五步，继续编织：将编织纱线移动并重新排列后，所有纱线按照其当前所处位置的运动规律参与后续编织，到下一个横截面尺寸变化位置处重复第三、四步，直至变截面三维编织预型件的制成。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）行减纱单元以整列分布的形式排列在减纱截面内，列减纱单元以整行分布的形式排列在减纱截面内，操作方法简单，可以实现任意锥度和任意方向的截面尺寸变化；

（2）可使预型件按照最终尺寸净形编织，避免了机械后加工造成的材料损伤和结构缺陷，提高了复合材料力学性能的稳定性，减少了工序，有利于降低生产成本；

（3）适应范围广，对单纱、股线等多种形式的编织纱线以及横截面积较小的三维编织预型件均可适用。

附图说明

图1为整列减纱原理示意图；

图2为整行减纱原理示意图；

图3为截面宽度与厚度同时减小的锥台的立体形状示意图；图3中，5为减纱基准截面；

图4为筋板高度减小的T形梁的立体形状示意图；

图5为变截面矩形梁的立体形状示意图。

具体实施方式

如图1所示，为整列减纱原理示意图，图中行减纱单元1以整列分布的形式排列在减纱截面中，行移纱单元2位于与行减纱单元1处在相同行、外侧相邻列的位置，在执行减纱与移纱操作后，可以缩减横截面的宽度。

    如图2所示，为整行减纱原理示意图，图中列减纱单元3以整行分布的形式排列在减纱截面中，列移纱单元4位于与列减纱单元3处在相同列、外侧相邻行的位置，在执行减纱与移纱操作后，可以缩减横截面的厚度。

     下面以具体的预型件为例，来阐述本发明。

实施例1

如图3所示，为截面宽度与厚度同时减小的锥台的立体形状示意图，通过四步法方型三维编织工艺编织三维四向结构的预型件，编织成型方向沿锥台体的长度方向，编织纱线为T700-12k碳纤维，编织角为30°，纤维体积分数为45%。选择减纱基准截面5，首先将624根纱线以24行，24列的排列方式悬挂到编织机底盘上；然后按照四步法方型三维编织工艺开始编织；第1次减纱、移纱时，首先使26个行减纱单元以整列分布的形式排列在减纱截面上，减掉100根编织纱线，外侧相邻列位置的行移纱单元依次填充空缺纱线的位置，再使22个列减纱单元以整行分布的形式排列在该减纱截面上，减掉84根编织纱线，外侧相邻行位置的列移纱单元依次填充空缺纱线的位置，第2次减纱、移纱时，首先使22个行减纱单元以整列分布的形式排列在减纱截面上，减掉84根编织纱线，外侧相邻列位置的行移纱单元依次填充空缺纱线的位置，再使18个列减纱单元以整行分布的形式排列在该减纱截面上，减掉68根编织纱线，外侧相邻行位置的列移纱单元依次填充空缺纱线的位置，第3次减纱时，首先使18个行减纱单元以整列分布的形式排列在减纱截面上，减掉68根编织纱线，外侧相邻列位置的行移纱单元依次填充空缺纱线的位置，再使14个列减纱单元以整行分布的形式排列在该减纱截面上，减掉52根编织纱线，外侧相邻行位置的列移纱单元依次填充空缺纱线的位置，最后一次减纱时，首先使14个行减纱单元以整列分布的形式排列在减纱截面上，减掉52根编织纱线，外侧相邻列位置的行移纱单元依次填充空缺纱线的位置，再使10个列减纱单元以整行分布的形式排列在该减纱截面上，减掉36根编织纱线，外侧相邻行位置的列移纱单元依次填充空缺纱线的位置，即通过4次减纱、移纱减掉共80个行减纱单元，64个列减纱单元，共544根编织纱线来实现横截面宽度和厚度同时减小的锥台体预型件的净形制备，最终锥台体的最小横截面内包含80根纱线。

实施例2

    如图4所示，为筋板高度减小的T形梁的立体形状示意图，采用本发明方法编织筋板高度逐渐减小的T形梁，编织纱线采用2400tex的高强玻纤，编织角为35°，纤维体积分数为55%。选择减纱基准截面5，首先在编织机底盘上将8240根纱线排列成T形，其中翼板中包含4940根编织纱，筋板中包含3300根编织纱；然后按照四步法方型三维编织工艺开始编织；由于预型件的翼板为等截面矩形件，而筋板为高度逐渐变小的变截面结构件，因此编织过程中翼板的纱线根数保持不变，只需在筋板处进行减纱编织，筋板高度的变化通过6次减纱、移纱近似逼近，每次使21个列减纱单元以整行分布的形式排列在相应的减纱截面内，减纱82根，每次减纱后外侧相邻行位置的列移纱单元依次填充空缺纱线的位置；每次编织纱线移动并重新排列后，将按照其所处位置的运动规律参与后续编织，最终T形梁的最小横截面内共有7748根2400tex高强玻纤。

实施例3

 如图5所示，为变截面矩形梁的立体形状示意图，采用本发明方法编织变截面矩形梁预型件，编织纱线为T300-12k碳纤维，编织角为30°，纤维体积分数为45%。选择减纱基准截面5，首先使1580根纱线以30行，50列的方式在机器底盘上排列成矩形；然后按照四步法方型三维编织工艺开始编织；截面宽度的变化通过5次减纱、移纱近似逼近，每次减纱62根，16个行减纱单元以整列分布的形式排列于每个减纱截面内，每次减纱后外侧相邻列位置的行移纱单元依次填充空缺纱线的位置，通过5次减纱、移纱操作，共减掉80个行减纱单元，310根编织纱线，编织至矩形梁最小端面时，该截面内包含的编织纱线根数为1270根。

Claims (3)

1.一种变截面三维编织预型件的净形制备方法，以预型件的最大端面为减纱基准截面（5），按照四步法方型三维编织工艺进行编织，在编织过程中进行至少一次的减纱操作与移纱操作，得到变截面三维编织预型件，其特征在于：

所述的减纱操作包括将与截面尺寸缩减位置相对应的编织纱线划分为纱线单元，在缩减截面宽度时，选择至少一列纱线单元作为行减纱单元（1），在缩减截面厚度时，选择至少一行纱线单元作为列减纱单元（3），将所有的行减纱单元（1）或列减纱单元（3）中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，并在预型件的自由头端处将其剪断；

所述的移纱操作包括在缩减截面宽度时，将与行减纱单元（1）处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元作为行移纱单元（2），将行移纱单元（2）填充行减纱单元（1）的空缺，而后依次将与该行移纱单元（2）处在相同行、外侧相邻列位置的纱线单元平移填充该行移纱单元（2）的纱线空缺，直至该行减纱单元（1）所在行的外侧所有的纱线单元全部平移过，空缺位置移至该行最外侧为止；在缩减横截面厚度时，将与列减纱单元（3）处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元作为列移纱单元（4），将列移纱单元（4）填充列减纱单元（3）的空缺，而后依次将与该列移纱单元（4）处在相同列、外侧相邻行位置的纱线单元平移填充该列移纱单元（4）的纱线空缺，直至该列减纱单元（3）所在列的外侧所有纱线单元全部平移过，空缺位置移至该列最外侧为止。

2.如权利要求1所述的变截面三维编织预型件的净形制备方法，其特征在于，所述的纱线单元以运动规律重复的最小纱线数量和排列为基本单位，是一组纱线的集合，至少包括同行或同列上相邻的两根编织纱线。

3.如权利要求1所述的变截面三维编织预型件的净形制备方法，其特征在于，在缩减截面宽度时，选择对称的两列纱线单元作为行减纱单元（1），在缩减截面厚度时，选择对称的两行纱线单元作为列减纱单元（3）。

Images