一种格栅型预制件的三维整体编织方法及其制品技术

本发明专利技术涉及一种格栅型预制件的三维整体编织方法及其制品。该编织方法以四步法三维四向、五向或六向方形编织工艺为基础编织格栅部分。首先，根据格栅型预制件外形尺寸和格栅形状的变化规律，在挂纱的过程中将所需纱线分成一定层数，并根据格栅的边长设计相应的轴向花节数量；其次，在编织过程中，按所述的轴向花节数量仅对编织机底盘上对应的携纱器排列按照所述的变化规律进行连层编织和分层编织，最后，重复以上的编织，直至编织完成。该格栅型预制件制品由本发明专利技术编织方法直接制成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维整体编织技术，具体为一种用于复合材料增强体的格栅型预制件的三维整体编织方法及其制品。
技术介绍
在工程应用中，结构的性能与重量的比值是衡量材料优劣的一个重要指标。轻质 化是航空航天复合材料和结构的基本要求，低成本技术又是任何一项复合材料结构广泛应 用的前提。先进复合材料格栅结构(AdvancedComposite Grid Structure,简称AGS)是一 种最接近于实用性的复合材料点阵结构，自上世纪90年代由斯坦福大学首先提出以来，以 其较强的可设计性和多种优良性能而广受关注。其优势在于(l)它拥有复合材料结构高 比强度、高比模量等优良性能；(2)本身拓扑优化性好，相比其它复合材料结构能够取得更 高的截面惯性矩，具有更高的抗弯和抗屈曲性能；(3)没有材料匹配的问题，不会出现分层 等现象，具有较高的损伤容限和抗疲劳能力；(4)是一种开放式的结构，克服了蜂窝夹芯结 构在制作过程中，由于水分侵入引起结构抗腐蚀性能下降的缺陷，开放式结构还为智能元 件的埋入以及结构的健康检测和修复提供了便利。鉴于以上优良性能，美国NASA的研究人 员将AGS列为未来航空航天发展的六大结构技术之一的低成本结构技术之内，并且指出其 极有可能是未来蜂窝夹芯结构的替代品。 格栅结构作为国际上最有前景的新一代轻质超强韧材料结构，已经开始应用于多 种商用飞机、研究卫星和运载火箭中。此外，在土木工程结构中也有很大的开发市场。现 在的格栅结构多为单向纤维铺层，其制造工艺主要面临两个困难(l)格栅的加筋肋是相 互交叉的，交叉处会引起纤维堆积和堆积处纤维的弯曲，弯曲的纤维成为强度和刚度的薄 弱处，降低了结构的力学性能，在受压载荷下尤为明显；(2)为提高结构的抗弯和抗屈曲性 能，要尽可能提高加筋肋法向上的高度以获取更高的截面惯性矩。针对以上问题，美国空 军实验室针对旋转壳结构和板壳结构的特征，提出了基于缠绕的混合工艺和模具膨胀工 艺。针对平板格栅结构特点又提出了铆钉增强格栅工艺(Pin Enhanced Geometry)和 套管增强格栅工艺(Tooling Reinforcedlnterlaced Grid)以及拉挤-互锁格栅工 艺(Interlock Composite Grid)。这几种格栅的不足之处是抗剪性能差，格栅肋的开槽 处出现结构强度和刚度的薄弱区。 三维整体编织预制件作为高性能先进复合材料增强结构的重要形式，具有如下优 点(l)纤维束在制件中相互交织、多方向取向，从而形成一个整体的结构，使制件在各个 方向、特别是在厚度方向上得到增强，避免了分层；(2)可以近净体编织出各种形状、不同 尺寸的三维整体异型制件；(3)可以使用各种高性能纤维，如碳纤维、碳化硅纤维、石英纤 维、芳纶纤维、玻璃纤维等以及普通纤维进行编织。因此，三维整体编织技术近年来得到迅 速的发展，并成为航空、航天等高
所使用复合材料构件的关键制备技术之一，具有 很好的发展前景。
技术实现思路
针对现有格栅型预制件的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种格栅型预 制件的三维整体编织方法及其制品，该编织方法采用三维仿形整体编织工艺制作格栅型预 制件，方法简单，实用性广；所得预制件制品的增强纤维呈网状交织，连续且穿过厚度方向， 加强肋交叉处无纤维堆积，并且预制件为近净体成型，制成复合材料后无需再加工，重量减 轻，成本降低。 本专利技术解决所述编织方法技术问题的技术方案是设计一种格栅型预制件的三维 整体编织方法，该编织方法以四步法三维四向、五向或六向方型编织工艺为基础编织格栅 部分。首先，根据格栅型预制件外形尺寸和格栅形状的变化规律，在挂纱的过程中将所需纱 线分成一定层数，并根据格栅的边长设计相应的轴向花节数量；其次，在编织过程中，按所 述的轴向花节数量仅对编织机底盘上对应的携纱器排列按照所述的变化规律进行连层编 织和分层编织；最后，重复以上的编织，直至编织完成。 本专利技术解决所述制品技术问题的技术方案是设计一种格栅型预制件制品，该制 品由本专利技术所述格栅型预制件的三维整体编织方法制成。 与现有制件相比，本专利技术编织方法在四步法编织工艺基础上，通过巧妙设计所需 纱线的层数、连层和分层的编织方法，连层和分层部分编织一定的轴向花节数量，实现了具 有整体编织结构的格栅型预制件，可编织出各种形状和不同大小格栅型预制件，且纱线依 照设计规律在格栅型预制件各层中相互贯穿，成为一个整体，可保证整个制件中增强纤维 的连续和完整，并具有结构合理、编织方法简单、适应性广等特点。同时，所得制件可以完全 按照产品设计的尺寸来实现，避免和减少了预成型件固化后机械加工造成的纤维损伤，极 大地提高复合材料的整体性和综合性能，尤其是减少了预成型制件的重量。附图说明 图l为本专利技术 图； 图2为本专利技术 图； 图3为本专利技术 图； 图4为本专利技术 片图。 图5为本专利技术具体实施方式 下面结合实施例及其附图进一步叙述本专利技术 本专利技术设计了格栅型预制件(以下简称预制件)的三维整体编织方法(以下简称 编织方法，参见图1-4)，该编织方法以四步法三维四向、五向或六向方形编织工艺为基础编 织格栅部分。首先，根据预制件外形尺寸和格栅形状的变化规律，在挂纱的过程中将所需纱 线分成一定层数，并根据格栅的边长设计相应的轴向花节数量；其次，在编织过程中，按所三维整体编织方法一种实施例编织的三角形格栅型预制件的示意 三维整体编织方法另一种实施例编织的菱形格栅型预制件的示意 三维整体编织方法第三种实施例编织的矩形格栅型预制件的示意 三维整体编织方法所编织的一种制品菱形格栅型预制件的实物照 三维整体编织方法制作的三角形格栅内的支撑模具示意图。述的轴向花节数量仅对编织机底盘上对应的携纱器排列按照所述的变化规律进行连层编 织和分层编织；最后，重复以上的编织，直至编织完成。 所述的变化规律是指格栅的各边分开或合并以形成不同形状网格的变化规律；所述的一定层数是指编织纱线沿列方向的数量；所述的轴向花节是指三维编织预成件表面纱线交织结构的最小重复单元；所述轴向花节数量是指沿着编织成型方向花节的个数。 本专利技术方法所述的分层编织(方法或技术)是指按照格栅的形状和大小对相邻两层编织纱线进行分开编织，所形成的织物为两个独立的层，形成格栅的边。 本专利技术方法所述的连层编织(方法或技术)是指按照格栅的形状和大小将相邻的两层或多层纱线整体进行编织，所形成的织物中纱线贯穿该两层或多层，成为一个整体，形成格栅的交点或交边。 所述的四步法三维四向、五向或六向方形编织工艺本身为现有技术。 所述格栅的形状可以根据客户的需要设计，一般为菱形、方形或三角形等。 下面以三角形格栅预制件的编织为例(参见图1)，进一步详细说明本专利技术预制件制品的编织过程。 第一，选择起始截面，设计纱线排列。选择预制件的一个端面为起始截面，按要求 形状(三角形)尺寸设计所用编织纱根数；根据预制件格栅的三角形形状，把所有纱线在宽 度方向分成所需要的层数，并对所有的纱线层进行分层和相应层的连层组合设计；以分层 编织工艺织造形成格栅三角形的边，以连层编织工艺整体织造形成格栅三角形边之间的交 点。 第二，选定编织成型方向，并排列悬挂编织纱线，纱线平行于成型方向。按照在宽 度方向所设计的纱线层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种格栅型预制件的三维整体编织方法，该编织方法以四步法三维四向、五向或六向方形编织工艺为基础编织格栅部分。首先，根据格栅型预制件外形尺寸和格栅形状的变化规律，在挂纱的过程中将所需纱线分成一定层数，并根据格栅的边长设计相应的轴向花节数量；其次，在编织过程中，按所述的轴向花节数量仅对编织机底盘上对应的携纱器排列按照所述的变化规律进行连层编织和分层编织；最后，重复以上的编织，直至编织完成；所述的变化规律是指格栅的各边分开或合并以形成不同形状网格的变化规律；所述的一定层数是指编织纱线沿列方向的数量；所述的轴向花节是指三维编织预制件表面纱线交织结构的最小重复单元；所述轴向花节数量是指沿着编织成型方向花节的个数；所述分层编织是指按照格栅的形状和大小对相邻两层编织纱线进行分开编织，所形成的织物为两个独立的层，形成格栅的边；所述连层编织是指按照格栅的形状和大小将相邻的两层或多层纱线整体进行编织，所形成的织物中纱线贯穿该两层或多层，成为一个整体，形成格栅的交点或交边。

【技术特征摘要】
一种格栅型预制件的三维整体编织方法，该编织方法以四步法三维四向、五向或六向方形编织工艺为基础编织格栅部分。首先，根据格栅型预制件外形尺寸和格栅形状的变化规律，在挂纱的过程中将所需纱线分成一定层数，并根据格栅的边长设计相应的轴向花节数量；其次，在编织过程中，按所述的轴向花节数量仅对编织机底盘上对应的携纱器排列按照所述的变化规律进行连层编织和分层编织；最后，重复以上的编织，直至编织完成；所述的变化规律是指格栅的各边分开或合并以形成不同形状网格的变化规律；所述的一定层数是指编织纱线沿列方向的数量；所述的轴向花节是指三维编织预制件表面纱线交织结构的最小重复单元；所述轴向花节数量是指沿着编织成型方向花节的个数；所述分层编织是指按照格栅的形状和大小对相邻两层编织纱线进行分...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦亚男，陈利，李嘉禄，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]