專利名稱：一種格柵型預(yù)制件的三維整體編織方法及其制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維整體編織技術(shù)，具體為一種用于復(fù)合材料增強(qiáng)體的格柵型預(yù)制件
的三維整體編織方法及其制品。
背景技術(shù)：
在工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)的性能與重量的比值是衡量材料優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。輕質(zhì) 化是航空航天復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)的基本要求，低成本技術(shù)又是任何一項(xiàng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng) 用的前提。先進(jìn)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)(AdvancedComposite Grid Structure,簡稱AGS)是一 種最接近于實(shí)用性的復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，自上世紀(jì)90年代由斯坦福大學(xué)首先提出以來，以 其較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和多種優(yōu)良性能而廣受關(guān)注。其優(yōu)勢(shì)在于(l)它擁有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高 比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)良性能；(2)本身拓?fù)鋬?yōu)化性好，相比其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠取得更 高的截面慣性矩，具有更高的抗彎和抗屈曲性能；(3)沒有材料匹配的問題，不會(huì)出現(xiàn)分層 等現(xiàn)象，具有較高的損傷容限和抗疲勞能力；(4)是一種開放式的結(jié)構(gòu)，克服了蜂窩夾芯結(jié) 構(gòu)在制作過程中，由于水分侵入引起結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能下降的缺陷，開放式結(jié)構(gòu)還為智能元 件的埋入以及結(jié)構(gòu)的健康檢測和修復(fù)提供了便利。鑒于以上優(yōu)良性能，美國NASA的研究人 員將AGS列為未來航空航天發(fā)展的六大結(jié)構(gòu)技術(shù)之一的低成本結(jié)構(gòu)技術(shù)之內(nèi)，并且指出其 極有可能是未來蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的替代品。 格柵結(jié)構(gòu)作為國際上最有前景的新一代輕質(zhì)超強(qiáng)韌材料結(jié)構(gòu)，已經(jīng)開始應(yīng)用于多 種商用飛機(jī)、研究衛(wèi)星和運(yùn)載火箭中。此外，在土木工程結(jié)構(gòu)中也有很大的開發(fā)市場?，F(xiàn) 在的格柵結(jié)構(gòu)多為單向纖維鋪層，其制造工藝主要面臨兩個(gè)困難(l)格柵的加筋肋是相 互交叉的，交叉處會(huì)引起纖維堆積和堆積處纖維的彎曲，彎曲的纖維成為強(qiáng)度和剛度的薄 弱處，降低了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在受壓載荷下尤為明顯；(2)為提高結(jié)構(gòu)的抗彎和抗屈曲性 能，要盡可能提高加筋肋法向上的高度以獲取更高的截面慣性矩。針對(duì)以上問題，美國空 軍實(shí)驗(yàn)室針對(duì)旋轉(zhuǎn)殼結(jié)構(gòu)和板殼結(jié)構(gòu)的特征，提出了基于纏繞的混合工藝和模具膨脹工 藝。針對(duì)平板格柵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又提出了"鉚釘增強(qiáng)格柵工藝"(Pin Enhanced Geometry)和 "套管增強(qiáng)格柵工藝"(Tooling Reinforcedlnterlaced Grid)以及"拉擠-互鎖格柵工 藝"(Interlock Composite Grid)。這幾種格柵的不足之處是抗剪性能差，格柵肋的開槽 處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的薄弱區(qū)。 三維整體編織預(yù)制件作為高性能先進(jìn)復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的重要形式，具有如下優(yōu) 點(diǎn)(l)纖維束在制件中相互交織、多方向取向，從而形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，使制件在各個(gè) 方向、特別是在厚度方向上得到增強(qiáng)，避免了分層；(2)可以近凈體編織出各種形狀、不同 尺寸的三維整體異型制件；(3)可以使用各種高性能纖維，如碳纖維、碳化硅纖維、石英纖 維、芳綸纖維、玻璃纖維等以及普通纖維進(jìn)行編織。因此，三維整體編織技術(shù)近年來得到迅 速的發(fā)展，并成為航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域所使用復(fù)合材料構(gòu)件的關(guān)鍵制備技術(shù)之一，具有 很好的發(fā)展前景。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有格柵型預(yù)制件的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種格柵型預(yù) 制件的三維整體編織方法及其制品，該編織方法采用三維仿形整體編織工藝制作格柵型預(yù) 制件，方法簡單，實(shí)用性廣；所得預(yù)制件制品的增強(qiáng)纖維呈網(wǎng)狀交織，連續(xù)且穿過厚度方向， 加強(qiáng)肋交叉處無纖維堆積，并且預(yù)制件為近凈體成型，制成復(fù)合材料后無需再加工，重量減 輕，成本降低。 本發(fā)明解決所述編織方法技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種格柵型預(yù)制件的三維 整體編織方法，該編織方法以四步法三維四向、五向或六向方型編織工藝為基礎(chǔ)編織格柵 部分。首先，根據(jù)格柵型預(yù)制件外形尺寸和格柵形狀的變化規(guī)律，在掛紗的過程中將所需紗 線分成一定層數(shù)，并根據(jù)格柵的邊長設(shè)計(jì)相應(yīng)的軸向花節(jié)數(shù)量；其次，在編織過程中，按所 述的軸向花節(jié)數(shù)量僅對(duì)編織機(jī)底盤上對(duì)應(yīng)的攜紗器排列按照所述的變化規(guī)律進(jìn)行連層編 織和分層編織；最后，重復(fù)以上的編織，直至編織完成。 本發(fā)明解決所述制品技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種格柵型預(yù)制件制品，該制 品由本發(fā)明所述格柵型預(yù)制件的三維整體編織方法制成。 與現(xiàn)有制件相比，本發(fā)明編織方法在四步法編織工藝基礎(chǔ)上，通過巧妙設(shè)計(jì)所需 紗線的層數(shù)、連層和分層的編織方法，連層和分層部分編織一定的軸向花節(jié)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了具 有整體編織結(jié)構(gòu)的格柵型預(yù)制件，可編織出各種形狀和不同大小格柵型預(yù)制件，且紗線依 照設(shè)計(jì)規(guī)律在格柵型預(yù)制件各層中相互貫穿，成為一個(gè)整體，可保證整個(gè)制件中增強(qiáng)纖維 的連續(xù)和完整，并具有結(jié)構(gòu)合理、編織方法簡單、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。同時(shí)，所得制件可以完全 按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)的尺寸來實(shí)現(xiàn)，避免和減少了預(yù)成型件固化后機(jī)械加工造成的纖維損傷，極 大地提高復(fù)合材料的整體性和綜合性能，尤其是減少了預(yù)成型制件的重量。


圖l為本發(fā)明 圖； 圖2為本發(fā)明 圖； 圖3為本發(fā)明 圖； 圖4為本發(fā)明 片圖。 圖5為本發(fā)明
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明 本發(fā)明設(shè)計(jì)了格柵型預(yù)制件(以下簡稱預(yù)制件)的三維整體編織方法(以下簡稱 編織方法，參見圖1-4)，該編織方法以四步法三維四向、五向或六向方形編織工藝為基礎(chǔ)編 織格柵部分。首先，根據(jù)預(yù)制件外形尺寸和格柵形狀的變化規(guī)律，在掛紗的過程中將所需紗 線分成一定層數(shù)，并根據(jù)格柵的邊長設(shè)計(jì)相應(yīng)的軸向花節(jié)數(shù)量；其次，在編織過程中，按所
三維整體編織方法一種實(shí)施例編織的三角形格柵型預(yù)制件的示意 三維整體編織方法另一種實(shí)施例編織的菱形格柵型預(yù)制件的示意 三維整體編織方法第三種實(shí)施例編織的矩形格柵型預(yù)制件的示意 三維整體編織方法所編織的一種制品菱形格柵型預(yù)制件的實(shí)物照 三維整體編織方法制作的三角形格柵內(nèi)的支撐模具示意圖。述的軸向花節(jié)數(shù)量僅對(duì)編織機(jī)底盤上對(duì)應(yīng)的攜紗器排列按照所述的變化規(guī)律進(jìn)行連層編 織和分層編織；最后，重復(fù)以上的編織，直至編織完成。 所述的變化規(guī)律是指格柵的各邊分開或合并以形成不同形狀網(wǎng)格的變化規(guī)律；所
述的一定層數(shù)是指編織紗線沿列方向的數(shù)量；所述的軸向花節(jié)是指三維編織預(yù)成件表面紗
線交織結(jié)構(gòu)的最小重復(fù)單元；所述軸向花節(jié)數(shù)量是指沿著編織成型方向花節(jié)的個(gè)數(shù)。 本發(fā)明方法所述的分層編織(方法或技術(shù))是指按照格柵的形狀和大小對(duì)相鄰兩
層編織紗線進(jìn)行分開編織，所形成的織物為兩個(gè)獨(dú)立的層，形成格柵的邊。 本發(fā)明方法所述的連層編織(方法或技術(shù))是指按照格柵的形狀和大小將相鄰的
兩層或多層紗線整體進(jìn)行編織，所形成的織物中紗線貫穿該兩層或多層，成為一個(gè)整體，形
成格柵的交點(diǎn)或交邊。 所述的四步法三維四向、五向或六向方形編織工藝本身為現(xiàn)有技術(shù)。 所述格柵的形狀可以根據(jù)客戶的需要設(shè)計(jì)，一般為菱形、方形或三角形等。 下面以三角形格柵預(yù)制件的編織為例(參見圖1)，進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明預(yù)制件
制品的編織過程。 第一，選擇起始截面，設(shè)計(jì)紗線排列。選擇預(yù)制件的一個(gè)端面為起始截面，按要求 形狀(三角形)尺寸設(shè)計(jì)所用編織紗根數(shù)；根據(jù)預(yù)制件格柵的三角形形狀，把所有紗線在寬 度方向分成所需要的層數(shù)，并對(duì)所有的紗線層進(jìn)行分層和相應(yīng)層的連層組合設(shè)計(jì)；以分層 編織工藝織造形成格柵三角形的邊，以連層編織工藝整體織造形成格柵三角形邊之間的交 點(diǎn)。 第二，選定編織成型方向，并排列懸掛編織紗線，紗線平行于成型方向。按照在寬 度方向所設(shè)計(jì)的紗線層數(shù)，把相應(yīng)層的紗線一起掛紗，使所有的紗線層分成幾個(gè)部分，每一 部分之間要間隔一定的距離。 第三，設(shè)計(jì)軸向花節(jié)數(shù)量。根據(jù)三角形的邊長和格柵的交點(diǎn)設(shè)計(jì)所有層分開編織 的軸向花節(jié)數(shù)量(分層編織的長度即三角形的邊)和相應(yīng)層連層編織的軸向花節(jié)數(shù)量(連 層編織的長度即三角形的交點(diǎn))；以變化分層編織的軸向花節(jié)數(shù)量和連層編織的軸線花節(jié) 數(shù)量來得到不同邊長的格柵三角形。 第四，開始編織。按照所設(shè)計(jì)的連層組合(參見圖l)，編織一定的軸向花節(jié)后，作 為初始位置，然后把設(shè)計(jì)的所有紗線層平均分開，進(jìn)行分層編織，得到三角形的一條邊；再 把所有的紗線層按所設(shè)計(jì)的相應(yīng)層組合進(jìn)行連層編織(參見圖l)，編織出格柵的交點(diǎn)，使 三角形的邊在此交點(diǎn)處相交；之后再把所有的紗線層分開進(jìn)行分層編織，這樣編織出三角 形的另一條邊；分層編織出的邊在連層編織的格柵交點(diǎn)處相交，構(gòu)成一個(gè)一個(gè)的三角形。重 復(fù)以上的步驟，就可以得到三角形的格柵預(yù)制件。 為了使編織好的格柵幾何形狀(如三角形)穩(wěn)定，保持設(shè)計(jì)所需的形狀，在已經(jīng)編
織好的格柵幾何形狀(如三角形)內(nèi)逐一放入與格柵幾何形狀一致(如三角形)的支撐模
具(參見圖5)。在編織的過程中，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要加入厚度方向的紗線，以提到格柵預(yù)
制件制品厚度方向的力學(xué)性能。厚度方向的加入紗線方法本身系現(xiàn)有技術(shù)。 以相同或類似于三角形格柵預(yù)制件的編織方法，可以編織出其它幾何形狀格柵預(yù)
制件，例如矩形格柵預(yù)制件(參見圖3)，菱形格柵預(yù)制件(參見圖2、4)或者其它形狀的格
柵預(yù)制件。
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本發(fā)明的格柵型預(yù)制件制品由本發(fā)明所述的格柵型預(yù)制件的三維整體編織方法
直接制成。該預(yù)制件制品的特點(diǎn)在于巧妙而科學(xué)的設(shè)計(jì)了三維編織工藝，使預(yù)制件制品可
由纖維束一次連續(xù)編織而成，保證了制品內(nèi)增強(qiáng)纖維束的連續(xù)性和編織結(jié)構(gòu)的整體性，其
內(nèi)部增強(qiáng)纖維束交織成格柵型三維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且預(yù)制件制品為近凈體成型，制成復(fù)
合材料后無需再加工，極大地提高了制件的結(jié)構(gòu)整體性和機(jī)械力學(xué)性能，并且極大地降低
了制件的成本，方法簡單，適用性廣。 本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。 下面再進(jìn)一步給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。但本發(fā)明權(quán)利要求不受具體實(shí)施例的限 制。
實(shí)施例1 : 格柵形狀為等邊三角形的預(yù)制件的編織方法(參見圖1)。 三角形格柵預(yù)成型制件橫截面為矩形，尺寸100*15咖，編織結(jié)構(gòu)采用三維五向結(jié) 構(gòu)，編織紗線為1200tex玻璃纖維，編織角30。，設(shè)計(jì)編織所需紗線根數(shù)為780根，其中編織 紗為520根，軸向紗為260根；按照格柵要求的形狀，設(shè)計(jì)每層紗線為60根，其中編織紗40 根，軸向紗為20根，所有的紗線共分為13層，分別用1-13表示；所有的紗線層分成7部分， 初始按(1，2) (3) (4，5，6) (7) (8，9，10) (11) (12,13)掛紗；按照掛紗組合編織6個(gè)花節(jié)長度 (花節(jié)長度是指一個(gè)機(jī)器循環(huán)所編織出的預(yù)制件的長度)作為起始位置A ;①把所有的紗線 層均分開，每紗線層各自編織，為了得到等邊三角形，奇數(shù)紗線層編織3個(gè)花節(jié)，偶數(shù)紗線 層編織6個(gè)花節(jié)；②按(1) (2，3，4) (5) (6，7，8) (9) (10， 11， 12) (13)組合編織1個(gè)花節(jié)；③再 把所有的紗線層分開，每紗線層各自編織，奇數(shù)紗線層編織3個(gè)花節(jié)，偶數(shù)紗線層編織6個(gè) 花節(jié)； 按(1，2) (3) (4，5，6) (7) (8，9，10) (11) (12,13)組合編織1個(gè)花節(jié)；重復(fù)上面① ④的四個(gè)步驟，所有的編織紗線均參與編織，直到編織結(jié)束，完成等邊三角形格柵預(yù)成型件 的編織。 實(shí)施例2 : 格柵形狀為菱形的預(yù)制件的編織方法(參見圖2和4)。 菱形格柵編織結(jié)構(gòu)采用三維四向結(jié)構(gòu)，編織紗線為1200tex玻璃纖維，設(shè)計(jì)編織 所需紗線根數(shù)為720根；按照格柵要求的形狀，設(shè)計(jì)每層紗線為60根，所有的紗線共分為 12層，分別用1-12表示；初始部分按(1，2) (3，4) (5，6) (7，8) (9， 10) (11,12)組合編織8個(gè) 花節(jié)作為起始位置A。然后①所有的紗線層均分開，每紗線層各自編織，每個(gè)紗線層編織4 個(gè)花節(jié)；②按(1) (2， 3) (4， 5) (6， 7) (8， 9) (10， 11) (12)組合編織1個(gè)花節(jié)，并且相連的兩個(gè) 紗線層相互交換部分紗線，以提高格柵交點(diǎn)處的力學(xué)性能；③所有的紗線層分開，每紗線層 各自編織，編織4個(gè)花節(jié)； 按(1，2) (3，4) (5，6) (7，8) (9， 10) (11,12)組合編織1個(gè)花節(jié)， 并且相連的兩個(gè)紗線層也要相互交換紗線。重復(fù)上述① ④四個(gè)編織步驟，所有的編織紗 線均參與編織，直到編織結(jié)束，完成菱形格柵預(yù)制件的整體編織(菱形格柵型預(yù)制件制品 參見圖4)。
實(shí)施例3 格柵形狀為方形或矩形的預(yù)制件的編織方法(參見圖2)。 方形格柵編織結(jié)構(gòu)采用三維六向結(jié)構(gòu)，編織紗線為12K碳纖維，設(shè)計(jì)所有的紗線 共分為8層，分別用1-8表示。掛紗時(shí)按(1) (2， 3) (4， 5) (6， 7) (8)組合，編織7個(gè)花節(jié)長度作為起始位置A;然后①每紗線層各自編織相應(yīng)長度；②按(1，2) (3，4) (5，6) (7，8)組合編 織；③所有的紗線層分開，每紗線層各自編織； 按(1) (2， 3) (4， 5) (6， 7) (8)組合編織相應(yīng) 長度。重復(fù)上述① ④四個(gè)編織步驟，所有的編織紗線均參與編織，直到編織結(jié)束，完成方 形格柵預(yù)制件的整體編織。方形預(yù)制件制品的格柵形狀容易變形，因此編織過程中隨時(shí)填 入方形支撐模具(塊)，以良好保持格柵形狀。余同實(shí)施例2。
權(quán)利要求
一種格柵型預(yù)制件的三維整體編織方法，該編織方法以四步法三維四向、五向或六向方形編織工藝為基礎(chǔ)編織格柵部分。首先，根據(jù)格柵型預(yù)制件外形尺寸和格柵形狀的變化規(guī)律，在掛紗的過程中將所需紗線分成一定層數(shù)，并根據(jù)格柵的邊長設(shè)計(jì)相應(yīng)的軸向花節(jié)數(shù)量；其次，在編織過程中，按所述的軸向花節(jié)數(shù)量僅對(duì)編織機(jī)底盤上對(duì)應(yīng)的攜紗器排列按照所述的變化規(guī)律進(jìn)行連層編織和分層編織；最后，重復(fù)以上的編織，直至編織完成；所述的變化規(guī)律是指格柵的各邊分開或合并以形成不同形狀網(wǎng)格的變化規(guī)律；所述的一定層數(shù)是指編織紗線沿列方向的數(shù)量；所述的軸向花節(jié)是指三維編織預(yù)制件表面紗線交織結(jié)構(gòu)的最小重復(fù)單元；所述軸向花節(jié)數(shù)量是指沿著編織成型方向花節(jié)的個(gè)數(shù)；所述分層編織是指按照格柵的形狀和大小對(duì)相鄰兩層編織紗線進(jìn)行分開編織，所形成的織物為兩個(gè)獨(dú)立的層，形成格柵的邊；所述連層編織是指按照格柵的形狀和大小將相鄰的兩層或多層紗線整體進(jìn)行編織，所形成的織物中紗線貫穿該兩層或多層，成為一個(gè)整體，形成格柵的交點(diǎn)或交邊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的格柵型預(yù)制件的三維整體編織方法，其特征在于在已經(jīng)編織 好的格柵幾何形狀內(nèi)逐一放入與格柵幾何形狀一致的支撐模具。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的格柵型預(yù)制件的三維整體編織方法，其特征在于在編織的過 程中，根據(jù)設(shè)計(jì)需要加入厚度方向的紗線。
4. 一種格柵型制件制品，其特征在于該格柵型制件制品由權(quán)利要求l-3任一項(xiàng)所述的 格柵型預(yù)制件三維整體編織方法編織制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的格柵型制件制品，其特征在于該格柵型制件制品的格柵形狀 為菱形、方形或三角形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種格柵型預(yù)制件的三維整體編織方法及其制品。該編織方法以四步法三維四向、五向或六向方形編織工藝為基礎(chǔ)編織格柵部分。首先，根據(jù)格柵型預(yù)制件外形尺寸和格柵形狀的變化規(guī)律，在掛紗的過程中將所需紗線分成一定層數(shù)，并根據(jù)格柵的邊長設(shè)計(jì)相應(yīng)的軸向花節(jié)數(shù)量；其次，在編織過程中，按所述的軸向花節(jié)數(shù)量僅對(duì)編織機(jī)底盤上對(duì)應(yīng)的攜紗器排列按照所述的變化規(guī)律進(jìn)行連層編織和分層編織，最后，重復(fù)以上的編織，直至編織完成。該格柵型預(yù)制件制品由本發(fā)明編織方法直接制成。
文檔編號(hào)D04C1/00GK101713120SQ20091022879
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者李嘉祿, 焦亞男, 陳利 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)