CN105442154B - 一种具有梯度结构的三维预制体织造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,主要包括以下步骤:根据所需复合材料零部件的使用要求,分解确定零部件不同功能部位的性能要求;对各功能部位进行导向套、纤维选择和参数设计;设计过渡区域的导向套、纤维选择和参数设计,实现过渡区域的平滑过渡;在计算机中根据功能部位、过渡区域的导向套布局、纤维缠绕方式确定织造次序,生成层层织造的纤维迭代指令;按照功能部位和过渡区域的设计要求布置导向套,生成导向套阵列;驱动织造机构选择不同纤维进行分区域逐层编织,得到一种具有梯度结构的三维预制体。本发明能够实现梯度结构的复合材料三维预制体的织造,特别适合于零件不同部位受载情况不同的预制体研制。
Description
技术领域
本发明属于三维预制体织造领域。
背景技术
三维预制体中纱线的方向数是3或3以上,内部纱线大多是处于伸直状态。三维预制体作为增强体材料用于制作先进复合材料,已成功用于航空、航天、船舶、轨道交通等高技术领域,具有良好的发展前景。
目前三维主要是通过机织工艺、三维编织工艺和细编穿刺工艺来实现。中国专利CN1068607A公开了一种采用机织工艺织造三轴向正交结构织物的织造方法,通过多臂机构控制综框运动形成多层移动的梭口,采用两根以上引纬针双侧交替引纬,Z向纱分上、下两层,也由综框控制。采用该方法织造的织物宽度可达20mm-100mm,但其X-Y平面纤维的方向只有0°和90°两种。这种方法受设备限制,无法织造出具有梯度结构的三维预制体。细编穿刺工艺是采用钢针阵列逐层穿刺碳纤维平纹织物或缎纹织物,达到要求织物厚度后,再用碳纤维束逐根替代钢针,形成三向正交结构。细编穿刺工艺可以实现大厚度织物的织造,但由于使用的是碳纤维平稳织物或缎纹织物进行穿刺,该方法无法织造出在平面方面具有梯度结构的三维预制体。
发明内容
本发明的目的在于:提供一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,适合于零件不同部位受载情况不同、功能不同的预制体研制。
本发明所述一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,具体包括以下步骤:
(a)根据所需复合材料零部件的使用环境和工况载荷情况,分解确定零部件不同功能部位的性能要求,并划分过渡区域;
(b)根据零部件的不同功能部位的性能要求选择不同种类、规格的导向套和纤维,设计不同的导向套的排布方式、排布间距和纤维的缠绕方式和缠绕层密度;
(c)设计过渡区域的导向套的种类、规格、排布方式和排布间距,并设计过渡区域的纤维的种类、规格和缠绕方式和缠绕层密度,实现过渡区域的平滑过渡;
(d)在计算机中根据功能部位、过渡区域的导向套布局、纤维缠绕方式确定织造次序,生成层层织造的纤维迭代指令;
(e)按照功能部位和过渡区域的设计要求布置导向套,生成导向套阵列;
(f)驱动织造机构选择不同纤维在导向套阵列中进行分区域逐层编织,直至完成所有纤维层的织造,得到一种具有梯度结构的三维预制体。
所述步骤(a)中的不同功能部位可以是承受静载荷、动载荷、抗失稳、抗冲击等结构性能不同,也可以是电磁性能、导电性能、耐热性能、防火性能、耐腐蚀性能、吸透波性能等功能性能不同。
所述步骤(b)中导向套的种类包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、钛合金、不锈钢,纤维的种类包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、石英纤维。
所述步骤(b)和(c)中导向套的排布方式包括正四边形、长方形、三角形、六边形、环形。
所述步骤(c)中的过渡区域平滑过渡方式包括功能部位纤维材料不同时,过渡区域使用多纤维按比例渐变过渡。
所述步骤(c)中的过渡区域平滑过渡方式包括功能部位纤维体积分数不同时,过渡区域纤维缠绕层密度渐变过渡。
所述步骤(c)中的过渡区域平滑过渡方式包括功能部位导向套排布间距不同时,过渡区域导向套排布间距等差过渡。
所述步骤(c)中的过渡区域平滑过渡方式包括不同功能部位导向套材料不同时,过渡区域导向套兼顾功能部位导向套材料梯度布局过渡。
所述步骤(b)中导向套的排布间距在1.0mm-5.0mm之间。
所述步骤(b)中纤维的缠绕方式可以是直线式和‘8’字式。
所述步骤(c)中的过渡区域,其织物单元结构和尺寸均是连续变化的,材料构成也是连续变化的,从一个属性均匀过渡到另一个属性。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
(1)通过计算机辅助,生成纤维迭代指令,实现预制体织造成形,织造过程中对人工的依赖小,可靠性好;
(2)能够实现梯度结构复合材料预制体的织造,特别适合于零件不同部位受载情况不同的复合材料零部件等的研制;
(3)本发明的方法也适用于多种基体类型、多材料增强复合材料预制体的制备。
附图说明
图1是本发明一种功能梯度复合材料的设计制造方法的流程图。
图2是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例:
1.制作一个碳纤维截面尺寸为250mm×80mm×30mm的纤维增强复合材料预制体,使用工况为主体结构承受静载荷,X向左侧承受部分动载荷。将预制体结构分成3个部分,如图2所示,1为全纤维织造区域,3为Z向使用碳纤维复合材料导向套的织造区域,2为全纤维织造区域1和Z向使用碳纤维复合材料导向套的织造区域3的过渡区域;
2.根据整体受载情况,纤维按空间内X、Y、Z三个方向铺设,贯穿全纤维织造区域1和Z向使用碳纤维复合材料导向套的织造区域3的X向、Y向纤维使用T300-6K碳纤维,纤维缠绕方式为直线式,层密度20层/cm,全纤维织造区域1使用合股的T300-6K纤维束作为Z向导向套,Z向使用碳纤维复合材料导向套的织造区域3的Z向使用直径为2.0mm的碳纤维复合材料导向套,导向套呈正四方形布局,排布间距均为5.0mm;
3.过渡区域2兼顾Z向纤维束导向套和碳纤维复合材料导向套,两侧呈梯度变化对称过渡,有效保证材料变化均匀性,纤维连续性,结构整体性;
4.按照全纤维织造区域1和Z向使用碳纤维复合材料导向套的织造区域3的功能部位,以及过渡区域2的导向套排布方式,布局全纤维织造区域1、过渡区域2和Z向使用碳纤维复合材料导向套的织造区域3的导向套,生成36行×12列的预制体导向套阵列;
5.在计算机中匹配功能部位和过渡区域的纤维缠绕方式、缠绕层密度和织造次序,生成Z向共计60层的完整纤维迭代指令;
6.驱动织造机构携带纤维在导向套阵列中进行逐层编织,直至完成所有纤维层的织造,得到一种具有纤维排布梯度变化的三维预制体。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变化,或直接或间接利用在其他相关的技术领域,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (11)
1.一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于该方法包含以下步骤:
(a)根据所需复合材料零部件的使用环境和工况载荷情况,分解确定零部件不同功能部位的性能要求,并划分过渡区域;
(b)根据零部件的不同功能部位的性能要求选择不同种类、规格的导向套和纤维,设计不同的导向套的排布方式、排布间距和纤维的缠绕方式和缠绕层密度;
(c)设计过渡区域的导向套的种类、规格、排布方式和排布间距,并设计过渡区域的纤维的种类、规格和缠绕方式和缠绕层密度,实现过渡区域的平滑过渡;
(d)在计算机中根据功能部位、过渡区域的导向套布局、纤维缠绕方式确定织造次序,生成层层织造的纤维迭代指令;
(e)按照功能部位和过渡区域的设计要求布置导向套,生成导向套阵列;
(f)驱动织造机构选择不同纤维在导向套阵列中进行分区域逐层编织,直至完成所有纤维层的织造,得到一种具有梯度结构的三维预制体。
2.按权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(a)中的不同功能部位是承受静载荷、动载荷、抗失稳或抗冲击结构性能不同,或者是电磁性能、导电性能、耐热性能、防火性能、耐腐蚀性能或吸透波性能功能性能不同。
3.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(b)中导向套的种类包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、钛合金、不锈钢,纤维的种类包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、石英纤维。
4.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(b)和(c)中导向套的排布方式包括正四边形、长方形、三角形、六边形、环形。
5.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(c)中的过渡区域平滑过渡方式包括功能部位纤维材料不同时,过渡区域使用多纤维按不同纤维比例变化均匀过渡。
6.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(c)中的过渡区域平滑过渡方式包括功能部位纤维体积分数不同时,过渡区域纤维缠绕层密度渐变过渡。
7.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(c)中的过渡区域平滑过渡方式包括功能部位导向套排布间距不同时,过渡区域导向套排布间距等差过渡。
8.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(c)中的过渡区域平滑过渡方式包括不同功能部位导向套材料不同时,过渡区域导向套兼顾功能部位导向套材料梯度布局过渡。
9.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(b)中导向套的排布间距在1.0mm-5.0mm之间。
10.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(b)中纤维的缠绕方式是直线式或‘8’字式。
11.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的三维预制体织造方法,其特征在于:所述步骤(c)中的过渡区域,其织物单元结构和尺寸均是连续变化的,材料构成也是连续变化的,从一个属性均匀过渡到另一个属性。
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