變截面三維編織預型件的淨形製備方法
2023-05-04 21:14:51
專利名稱：變截面三維編織預型件的淨形製備方法
技術領域：
本發明涉及一種變截面三維編織預型件的淨形製備方法，具體為一種橫截面尺 寸沿長度方向縮減的三維編織預型件的減錠減紗淨尺寸成型方法。
背景技術：
在現有的四步法方型三維編織工藝中，編織紗線在編織機底盤上的排列和數量 由預型件的橫截面形狀與尺寸決定，一旦選定某一橫截面作為起始編織截面後，所需的 編織紗線根數與排列方式就可以根據已知的紗線細度、編織角、纖維體積含量等材料參 數和結構參數計算確定，整個編織過程中編織紗陣列的大小與形狀不會發生改變，最終 得到的預型件是橫截面外觀尺寸與起始編織截面完全相同的等截面預型件。例如採用基 本的四步法方型三維編織工藝，將一定根數的紗線在編織機底盤上排列成T字形後，最 終形成的是沿預型件長度方向截面不變的T型梁。可見，常規的四步法方型三維編織工 藝只能製備橫截面外形尺寸沿長度方向不發生改變的等截面預型件。然而在實際工程應用中，絕大多數複合材料預型件並不是等截面結構件，而是 橫截面尺寸沿長度方向逐漸縮減的變截面異形結構件，例如風力發電機葉片、飛機旋翼 槳葉、衛星桁架接頭等。目前製備這類變截面複合材料預型件的主要方法是在相應等截 面預型件的基礎上，採用傳統的機械後加工以獲得所需要的變截面外觀尺寸。後加工過 程中，增強纖維受到嚴重損傷，預型件的結構整體性遭到破壞，因而降低了複合材料的 力學性能，同時也增加了工序，提高了生產成本。公開號為CN1614114A的專利「複合 材料用三維多向編織物淨尺寸仿形減紗編織方法」根據四步法圓型三維編織中紗錠(動 紗和不動紗)的運動特點，將編織紗不斷減少或減細來使編織物的橫截面積減小，從而 實現了橫截面積逐漸變化的三維編織預製件的淨尺寸仿形減紗編織。但只有當編織紗由 纖維束合股組成時，才可以採用降低紗線細度的方法來縮減截面面積，而且細度的微小 改變在實際操作時不易實現，過細的纖維束在編織過程中還容易起毛、斷絲。公開號為 CN1651627A的專利「變截面預成型製件的三維編織方法及其製件」以四步法三維多向 編織工藝為基礎，以預成型製件的一個端面為基準，根據截面尺寸變化和編織紗線運動 規律，設計減紗點的數量並使減紗點在減紗截面內均勻分布，再根據纖維體積含量的要 求確定減紗點處編織紗線的粗細，通過編織紗線的移動、並股、再減細實現變截面預成 型製件的三維多向整體編織。但當預成型製件橫截面積較小，編織紗線根數較少時，減 紗點的均勻分布受到限制，尤其當同時減小預成型件的截面寬度與厚度時，減紗點均勻 分布的要求更是難以滿足，而且均勻分布的標準沒有明確量化。
發明內容
本發明的目的在於針對現有編織技術的不足，設計一種變截面三維編織預型件 的淨形製備方法，該方法可以實現橫截面尺寸沿長度方向縮減的三維編織預型件的淨尺 寸成型，無需經過進一步的後加工，可以保證增強纖維的連續性，提高預型件的結構整體性和變截面區域的機械力學性能，降低生產成本，同時對單紗、股線等各種形式的編 織紗線以及橫截面積較小的三維編織預型件均可應用，適用範圍廣，減紗單元以整列或 整行分布的形式排列在減紗截面內，方法簡單。為了達到上述目的，本發明提供了一種變截面三維編織預型件的淨形製備方 法，以預型件的最大端面為減紗基準截面，按照四步法方型三維編織工藝進行編織，在 編織過程中進行至少一次的減紗操作與移紗操作，得到變截面三維編織預型件，其特徵 在於
所述的減紗操作包括將與截面尺寸縮減位置相對應的編織紗線劃分為紗線單元， 在縮減截面寬度時，選擇至少一列紗線單元作為減紗單元，在縮減截面厚度時，選擇至 少一行紗線單元作為減紗單元，將所有的減紗單元中包含的紗線從編織機底盤懸掛點取 下，並在預型件的自由頭端處將其剪斷；
所述的移紗操作包括在縮減截面寬度時，將與減紗單元處在相同行、外側相鄰列位 置的紗線單元作為移紗單元，將移紗單元填充減紗單元的空缺，而後依次將與該移紗單 元處在相同行、外側相鄰列位置的紗線單元平移填充該移紗單元的紗線空缺，直至該減 紗單元所在行的外側所有的紗線單元全部平移過，空缺位置移至該行最外側為止；在 縮減橫截面厚度時，將與減紗單元處在相同列、外側相鄰行位置的紗線單元作為移紗單 元，將移紗單元填充減紗單元的空缺，而後依次將與該移紗單元處在相同列、外側相鄰 行位置的紗線單元平移填充該移紗單元的紗線空缺，直至該減紗單元所在列的外側所有 移紗單元全部平移過，空缺位置移至該列最外側為止。所述的紗線單元以運動規律重複的最小紗線數量和排列為基本單位，是一組紗 線的集合，至少包括同行或同列上相鄰的兩根編織紗線。優選地，在縮減截面寬度時，選擇對稱的兩列紗線單元作為減紗單元，在縮減 截面厚度時，選擇對稱的兩行紗線單元作為減紗單元。本發明所述的變截面三維編織預型件的淨形製備方法，具體如下
第一步，選擇減紗基準截面，排列、懸掛編織紗線選擇預型件的某一端面(最大 截面)為開始起編的減紗基準截面，主體紗線按照行和列的方式即矩形方式排列，每行 或每列的紗線數目相同，邊紗間隔排列在主體紗線陣列的外圍，據此規則根據減紗基準 截面的形狀設計紗線在編織機底盤上的排列形式，並將編織紗線懸掛到機器底盤上；
第二步，開始編織四步法方型三維編織通過紗線沿行方向和列方向的交替運動完 成交織，第1步相鄰行中的編織紗線沿行方向交替運動一個位置，第2步相鄰列中的編織 紗線沿列方向交替運動一個位置，第3步和第4步中紗線的運動規律分別與第1步和第2 步相反，經過上述四步運動，完成一個編織循環，重複上述四個運動步驟，可使預型件 沿長度方向不斷增長；
第三步，減紗操作；減紗單元以運動規律重複的最小紗線數量和排列為基本單位， 是一組紗線的集合，至少包括同行或同列上相鄰的兩根編織紗線，根據截面尺寸變化情 況，可以使減紗單元以整列或整行分布的形式排列在減紗截面內，整列分布是指縮減預 型件橫截面寬度時，使各減紗單元沿編織紗線陣列的列方向在所有行的相同列位置依次 排列，整行分布是指縮減預型件橫截面厚度時，使各減紗單元沿編織紗線陣列的行方向 在所有列的相同行位置依次排列，減紗操作時將減紗單元中包含的紗線從其在編織機底盤懸掛點的位置取下，並在預型件的自由頭端處將其剪斷；
第四步，移紗操作；移紗單元是與減紗單元運動規律相同的紗線循環單元，移紗單 元內的紗線與減紗單元內的紗線一一對應，縮減橫截面寬度時，與減紗單元處在相同行 位置，外側相鄰列位置的移紗單元填充被減紗線的空缺，而後與該移紗單元相鄰的外側 另一移紗單元平移填充該移紗單元的紗線空缺，直至該減紗單元所在行的外側所有移紗 單元依次平移，空缺位置移至該行最外側為止，縮減橫截面厚度時，與減紗單元處在相 同列位置，外側相鄰行位置的移紗單元填充被減紗線的空缺，而後與該移紗單元相鄰的 外側另一移紗單元平移填充該移紗單元的紗線空缺，直至該減紗單元所在列的外側所有 移紗單元依次平移，空缺位置移至該列最外側為止；
第五步，繼續編織將編織紗線移動並重新排列後，所有紗線按照其當前所處位置 的運動規律參與後續編織，到下一個橫截面尺寸變化位置處重複第三、四步，直至變截 面三維編織預型件的製成。與現有技術相比，本發明的優點是
(1)減紗單元以整列或整行分布的形式排列在減紗截面內，操作方法簡單，可以實 現任意錐度和任意方向的截面尺寸變化；
(2)可使預型件按照最終尺寸淨形編織，避免了機械後加工造成的材料損傷和結構 缺陷，提高了複合材料力學性能的穩定性，減少了工序，有利於降低生產成本；
(3)適應範圍廣，對單紗、股線等多種形式的編織紗線以及橫截面積較小的三維編 織預型件均可適用。
圖1為整列減紗原理示意圖； 圖2為整行減紗原理示意圖3為截面寬度與厚度同時減小的錐臺的立體形狀示意圖；圖3中，3為減紗基準截
圖4為筋板高度減小的T形梁的立體形狀示意圖； 圖5為變截面矩形梁的立體形狀示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，為整列減紗原理示意圖，圖中減紗單元1以整列分布的形式排列 在減紗截面中，移紗單元2位於與減紗單元處在相同行、外側相鄰列的位置，在執行減 紗與移紗操作後，可以縮減橫截面的寬度。如圖2所示，為整行減紗原理示意圖，圖中減紗單元1以整行分布的形式排列 在減紗截面中，移紗單元2位於與減紗單元處在相同列、外側相鄰行的位置，在執行減 紗與移紗操作後，可以縮減橫截面的厚度。下面以具體的預型件為例，來闡述本發明。實施例1
如圖3所示，為截面寬度與厚度同時減小的錐臺的立體形狀示意圖，通過四步法方 型三維編織工藝編織三維四向結構的預型件，編織成型方向沿錐臺體的長度方向，編織紗線為T700-12k碳纖維，編織角為30°，纖維體積分數為45%。選擇減紗基準截面3， 首先將624根紗線以24行，24列的排列方式懸掛到編織機底盤上；然後按照四步法方型 三維編織工藝開始編織；第1次減紗、移紗時，首先使26個減紗單元以整列分布的形式 排列在減紗截面上，減掉100根編織紗線，外側相鄰列位置的移紗單元依次填充空缺紗 線的位置，再使22個減紗單元以整行分布的形式排列在該減紗截面上，減掉84根編織紗 線，外側相鄰行位置的移紗單元依次填充空缺紗線的位置，第2次減紗、移紗時，首先 使22個減紗單元以整列分布的形式排列在減紗截面上，減掉84根編織紗線，外側相鄰 列位置的移紗單元依次填充空缺紗線的位置，再使18個減紗單元以整行分布的形式排列 在該減紗截面上，減掉68根編織紗線，外側相鄰行位置的移紗單元依次填充空缺紗線的 位置，第3次減紗時，首先使18個減紗單元以整列分布的形式排列在減紗截面上，減掉 68根編織紗線，外側相鄰列位置的移紗單元依次填充空缺紗線的位置，再使14個減紗單 元以整行分布的形式排列在該減紗截面上，減掉52根編織紗線，外側相鄰行位置的移紗 單元依次填充空缺紗線的位置，最後一次減紗時，首先使14個減紗單元以整列分布的形 式排列在減紗截面上，減掉52根編織紗線，外側相鄰列位置的移紗單元依次填充空缺紗 線的位置，再使10個減紗單元以整行分布的形式排列在該減紗截面上，減掉36根編織紗 線，外側相鄰行位置的移紗單元依次填充空缺紗線的位置，即通過4次減紗、移紗共減 掉144個減紗單元，544根編織紗線來實現橫截面寬度和厚度同時減小的錐臺體預型件的 淨形製備，最終錐臺體的最小橫截面內包含80根紗線。實施例2
如圖4所示，為筋板高度減小的T形梁的立體形狀示意圖，採用本發明方法編織筋 板高度逐漸減小的T形梁，編織紗線採用2400tex的高強玻纖，編織角為35°，纖維體積 分數為55%。選擇減紗基準截面3，首先在編織機底盤上將8240根紗線排列成T形，其 中翼板中包含4940根編織紗，筋板中包含3300根編織紗；然後按照四步法方型三維編織 工藝開始編織；由於預型件的翼板為等截面矩形件，而筋板為高度逐漸變小的變截面結 構件，因此編織過程中翼板的紗線根數保持不變，只需在筋板處進行減紗編織，筋板高 度的變化通過6次減紗、移紗近似逼近，每次使21個減紗單元以整行分布的形式排列在 相應的減紗截面內，減紗82根，每次減紗後外側相鄰行位置的移紗單元依次填充空缺紗 線的位置；每次編織紗線移動並重新排列後，將按照其所處位置的運動規律參與後續編 織，最終T形梁的最小橫截面內共有7748根2400tex高強玻纖。實施例3
如圖5所示，為變截面矩形梁的立體形狀示意圖，採用本發明方法編織變截面矩 形梁預型件，編織紗線為T300-12k碳纖維，編織角為30°，纖維體積分數為45%。選 擇減紗基準截面3，首先使1580根紗線以30行，50列的方式在機器底盤上排列成矩形； 然後按照四步法方型三維編織工藝開始編織；截面寬度的變化通過5次減紗、移紗近似 逼近，每次減紗62根，16個減紗單元以整列分布的形式排列於每個減紗截面內，每次減 紗後外側相鄰列位置的移紗單元依次填充空缺紗線的位置，通過5次減紗、移紗操作， 共減掉80個減紗單元，310根編織紗線，編織至矩形梁最小端面時，該截面內包含的編 織紗線根數為1270根。
權利要求
1.一種變截面三維編織預型件的淨形製備方法，以預型件的最大端面為減紗基準截 面(3)，按照四步法方型三維編織工藝進行編織，在編織過程中進行至少一次的減紗操 作與移紗操作，得到變截面三維編織預型件，其特徵在於所述的減紗操作包括將與截面尺寸縮減位置相對應的編織紗線劃分為紗線單元，在 縮減截面寬度時，選擇至少一列紗線單元作為減紗單元(1)，在縮減截面厚度時，選擇 至少一行紗線單元作為減紗單元(1)，將所有的減紗單元(1)中包含的紗線從編織機 底盤懸掛點取下，並在預型件的自由頭端處將其剪斷；所述的移紗操作包括在縮減截面寬度時，將與減紗單元(1)處在相同行、外側相鄰 列位置的紗線單元作為移紗單元(2)，將移紗單元(2)填充減紗單元(1)的空缺， 而後依次將與該移紗單元(2)處在相同行、外側相鄰列位置的紗線單元平移填充該移 紗單元(2)的紗線空缺，直至該減紗單元(1)所在行的外側所有的紗線單元全部平移 過，空缺位置移至該行最外側為止；在縮減橫截面厚度時，將與減紗單元(1)處在相 同列、外側相鄰行位置的紗線單元作為移紗單元(2)，將移紗單元(2)填充減紗單元 (1)的空缺，而後依次將與該移紗單元(2)處在相同列、外側相鄰行位置的紗線單元 平移填充該移紗單元(2)的紗線空缺，直至該減紗單元(1)所在列的外側所有移紗單 元(2)全部平移過，空缺位置移至該列最外側為止。
2.如權利要求1所述的變截面三維編織預型件的淨形製備方法，其特徵在於，所述的 紗線單元以運動規律重複的最小紗線數量和排列為基本單位，是一組紗線的集合，至少 包括同行或同列上相鄰的兩根編織紗線。
3.如權利要求1所述的變截面三維編織預型件的淨形製備方法，其特徵在於，在縮減 截面寬度時，選擇對稱的兩列紗線單元作為減紗單元(1)，在縮減截面厚度時，選擇對 稱的兩行紗線單元作為減紗單元(1)。
全文摘要
本發明提供了一種變截面三維編織預型件的淨形製備方法，以預型件的最大端面為減紗基準截面，按照四步法方型三維編織工藝進行編織，在編織過程中進行至少一次的減紗操作與移紗操作，得到變截面三維編織預型件，其特徵在於所述的減紗操作包括將與截面尺寸縮減位置相對應的編織紗線劃分為紗線單元，在縮減截面寬度時，選擇至少一列紗線單元作為減紗單元，在縮減截面厚度時，選擇至少一行紗線單元作為減紗單元，將所有的減紗單元中包含的紗線從編織機底盤懸掛點取下，並在預型件的自由頭端處將其剪斷。本發明對單紗、股線等各種形式的編織紗線以及橫截面積較小的預型件均可應用，減紗單元排列方式簡單，適用性廣。
文檔編號D04C1/06GK102011269SQ20101059614
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者俞建勇, 劉麗芳, 劉兆麟 申請人:東華大學