CN117306086A - 多分支、含球冠、法兰盘结构预制体及其三维编织方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体的三维编织方法，包括：采用三维六向编织法或三维七向编织法对球冠进行编织，并在编织时预留纱线；基于编织好的球冠，采用三维六向编织法或三维七向编织法对法兰盘进行编织；利用球冠编织时预留的纱线，采用三维五向编织法对分支结构进行编织，得到多分支、含球冠、法兰盘结构预制体。本发明还公开了一种采用上述编织方法得到的多分支、含球冠、法兰盘结构预制体。本发明能实现多分支、含球冠、法兰盘结构预制体的三维编织，工艺简单，有利于提高产品的质量和性能。

Description

多分支、含球冠、法兰盘结构预制体及其三维编织方法

技术领域

本发明属于复合材料制造领域，涉及一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体及其三维编织方法。

背景技术

三维编织技术可适用于几乎所有种类纤维预制体制备，通过三维编织与液体成型工艺所制造出来的复合材料拥有非常优异的综合力学性能，通过不同的三维编织轨迹规划，不同的编织参数设计，可进一步使三维编织复合材料力学性能拥有一定的取向性，以匹配其形状特点及使用工况。随着编织设备的发展，所能编织的预制体形状更加复杂，很多异型预制体可做到一次性近净编织成形。因此，编织设备能力的提升及人工辅助使三维编织复合材料制件的编织结构拥有了更多选择。

在产品前端设计阶段，除了对复合材料制件外形进行设计，其编织结构设计同样至关重要，因为这直接关系到制件的使用性能。预制体编织结构的设计，主要通过编织参数的设计实现，包括：三维N向编织、纤维规格、花节长度、编织角及根据预制体尺寸所确定的编织行列数等。

宇航产品普遍有轻质高强的需求，很多结构产品已开始使用三维编织复合材料。但由于一些异型结构件本身比较复杂，如若使用三维编织方法制备具有一定的困难，这也使得其复材化设计方法可参考和可借鉴的经验较少。异型结构件例如典型的宇航主支撑连接结构，这类连接结构具有以下特征：1.含多个支路，各支路用于连接不同接口；2.含法兰结构，将各接口所连接的结构固定于某主结构；3.各支路与法兰的连接过渡区多为弧形或圆形球冠，此种构型更适应复杂的力学环境。

由于生产能力限制，此类连接结构大多为金属材料制造，但由于金属热膨胀系数较大，在空间冷热交替环境下与各接口尺寸精度无法保证，加之其重量较大的原因，逐渐开始使用纤维预浸料铺层的工艺方法进行复材化替代。但随着功能增加，接口载荷变得复杂，接口精度要求苛刻，层合式复材在复杂力学环境下暴露出分层问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体及其三维编织方法，解决了传统方法制备的异型结构件在复杂力学环境下分层的技术问题，本发明能实现多分支、含球冠、法兰盘结构预制体的三维编织，工艺简单，有利于提高产品的质量和性能。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，包括：

采用三维六向编织法或三维七向编织法对球冠进行编织，并在编织时预留纱线；

基于编织好的球冠，采用三维六向编织法或三维七向编织法对法兰盘进行编织；

利用球冠编织时预留的纱线，采用三维五向编织法对分支结构进行编织，得到多分支、含球冠、法兰盘结构预制体。

进一步的，球冠与法兰盘的编织方法相同。

进一步的，三维五向编织法中，前四向为编织纱方向，第五向为沿编织前进方向；

三维六向编织法中，前四向为编织纱方向，第五向为沿编织前进方向，第六向沿周向；

三维七向编织法中，前四向为编织纱方向，第五向为沿编织前进方向，第六向沿周向，第七向沿厚度方向。

进一步的，对球冠进行编织时，编织列数≤500束，编织纱层数*列数≤2000束。

进一步的，对球冠进行编织时，纱线编织角度确定方法如下：

将接头所承受载荷分为平行于法兰盘面的载荷P1和垂直于法兰盘面的载荷P2，当P1≥P2，则编织角度范围为50°～60°，当P1＜P2，则编织角度范围为30°～40°；所述接头为利用预制体制备得到的接头。

进一步的，根据编织列数m和编织角度θ，按照如下公式确定编织花节数h：

S＝h*tanθ*m；

其中S表示编织截面周长。

进一步的，对法兰盘进行编织时，编织列数≤500束，编织纱层数*列数≤2000束；

对法兰盘进行编织时，纱线编织角度为30°～50°。

进一步的，对分支结构进行编织时，纱线编织角度为30°～40°。

一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体，采用上述三维编织方法得到。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明首次提出一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体的编织方法，分别针对预制体中不同结构的特征和受力，对预制体中的不同结构进行编织，最终形成质量稳定的预制体；

(2)本发明给出了分支、球冠、法兰盘的编织参数，利用该编织参数，有利于此种构型纺织复合材料产品的快速设计；

(3)本发明具有广泛的应用前景，预制体内纤维束在层内和层间互相交织，使制件拥有了整体性，避免了分层缺陷的发生，能够适应复杂力学环境。

附图说明

图1为一种2分支、含球冠、法兰盘结构接头示意图；

图2为本发明球冠编织过程示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

三维编织设备多为非标设备，无论国内国外各相关科研机构、设备制造企业均开发了功能多样，高度自动化、柔性化，具有庞大挂纱量的纺织设备，这在很大程度上增加了异型纤维预制体的可设计性。

预制体其中一种典型结构形式如图1所示，以2个支管(2分支)为例，各支管与球冠相连，球冠下为法兰盘结构，此种构件多应用于连接接头。本发明所提出的三维编织参数设计方法适用于异型预制体制备，可根据不同预制体不同部位的功能及外观尺寸适应性的进行编织参数调整，以降低对设备能力要求，提高可实施性。

本发明以四步法编织机为基础，首先根据制件不同部位结构特点确定各部位为几向编织，然后根据织物外形尺寸及壁厚尺寸确定纱线规格，根据制件使用工况确定编织角大小，进而确定花节长度。

本发明提出采用三维编织方法进行多分支、含球冠、法兰盘结构纤维预制体的织造，所制备的复合材料主支撑连接接头具有质轻、高强、低膨胀率的优质特点。由于各部分连接处是最薄弱也是最先破坏的地方，所以本发明所述的预制体设计方法为一体化织造，连接处薄弱环节纤维保持连续，再通过RTM(树脂传递模塑)工艺成型。

本发明针对多分支、含球冠、法兰盘结构纤维预制体进行三维编织参数设计，根据主体结构分为三个部分：

(1)球冠为支路与法兰盘过渡结构，其承受载荷复杂，一般设计为弧形或圆形结构，使用三维编织方法进行预制体制备，此处考虑其复杂的受力工况，需将其设计为三维六向或七向编织，其中四向为编织纱方向，第五向为轴纱方向(沿编织前进方向)，第六向沿球冠周向(参考图2周向纱)，第七向则为沿其壁厚方向纱线。其中三维六向编织结构可满足一般使用工况，如对产品有严格的重量、壁厚、力学要求，则需考虑三维七向编织。三维编织织物呈空间网状的整体结构，所制备的纺织复合材料可近似视为各项同性材料，因此受载荷变化影响小。根据产品外形尺寸及编织设备挂纱能力，考虑所应用的纱线规格，一般将编织列数控制在500束以下，编织纱层数*列数控制在2000束以下，当所应用的纱线数量在2000束以上时应考虑采用旦数更大的纱线或纱线合股形式。最后根据实际使用工况确定纱线编织角度，选择方法如下：当接头所承受载荷以平行于法兰盘面内为主，则编织角度范围为50°～60°；当接头所承受载荷以垂直于法兰盘面内为主，则编织角度范围为30°～40°；如载荷较为较为复杂，则一般选为40°～50°。当编织列数与编织角度确定后，编织花节数相应确定，此时应考虑纱线对于产品单层的覆盖率，如覆盖率不满足要求，应适当调整编织列数和花节数，一般三者之间关系为：S＝h*tanθ*m，其中S表示编织截面周长，h表示花节数，θ表示编织角，m表示编织列数。

(2)法兰盘提供重要的连接接口，将接头所连接的各支路载荷固定于主结构上。法兰为平面结构，同样需要根据整体重量、壁厚、力学等要求，确定其使用三维六向或三维七向编织，第五向为轴纱方向(沿编织前进方向)，第六向为沿法兰周向方向，第七向为沿厚度方向。另外，如无特殊的载荷要求，法兰盘编织方向的确定可与球冠保持一致，即全部为三维六向编织或全部为三维七向编织。类似的，根据产品外形尺寸及编织设备挂纱能力，考虑所应用的纱线规格，一般将编织列数控制在500束以下，编织纱层数*列数控制在2000束以下，当所应用的纱线数量在2000束以上时应考虑采用旦数更大的纱线或纱线合股形式。法兰盘处预制体由于织造难度和使用工况，编织角选用30°～50°。当编织列数与编织角度确定后，编织花节数相应确定，此时应考虑纱线对于产品单层的覆盖率，如覆盖率不满足要求，应适当调整编织列数和花节数。

(3)分支结构可为圆管、方管、多边形截面管，其编织方式类似。由于分支结构提供载荷安装接口，一般连接方式为胶接或螺接，对其沿母线方向的轴向刚度要求较高，因此支路编织采用三维五向编织，即在编织纱的基础上增加轴向纱。支路编织纱线来自球冠编织时预留的纱线，根据支路截面及壁厚尺寸，确定球冠编织至支路位置时所需要预留的纱线，此类制件一般支路所使用编织纱总数小于球冠编织数量，因此无需进行增纱线操作，支路的编织延续球冠编织即可。支路由于对轴向刚度有一定要求，因此一般选用小角度编织，角度一般选为30～40°。当编织列数与编织角度确定后，编织花节数相应确定，此时应考虑纱线对于产品单层的覆盖率，如覆盖率不满足要求，应适当调整编织列数和花节数。

以上所述为多分支、含球冠、法兰盘结构纤维预制体的三维编织参数确定过程。其中具体参数(例如编织层数、列数)需经过实际使用工况、试制结果等具体确定。

实施例：

下面以某2分支主承力连接结构为例，进行详细说明。

两支管尺寸相同，壁厚为3mm，内径为60mm；球冠结构壁厚为6mm，内径130mm；法兰结构厚度为5mm，外边缘直径为175mm，编织纤维原材料选用T800-6K，根据预制体外形特点，编织顺序为：球冠→法兰→支管。

(1)球冠

如图1所示，球冠为圆球体薄壁结构，连接法兰与支管，是重要的传力部位。其受力方向复杂，载荷分布不均，因此在四向编织的基础上，增加轴向与周向纱线(方向如图2所示)，最终球冠确定为三维六向编织。

根据原材料选用情况，设备挂纱能力足够情况下可采用T800-6K单丝束纤维编织，本发明为降低设备挂纱能力，提出纱线合股形式，等同于单束纤维加粗，减少设备载纱器使用数量。以4合股纤维为例：球冠内径为130mm，壁厚为6mm，预制体状态下考虑到纤维弹性及RTM模具的压实程度，预制体编织厚度设置为6.5mm，沿编织方向球冠编织长度约95mm，因此初始编织纱与轴纱的列数及层数排列为0列×(4层+3层)，结束时排列为246列×(4层+3层)，此过程中六相纱层层加满。

为保持整体力学性能一致性，同时兼顾设备操作空间与操作难度，取球冠编织角为35°，结合纱线列数，可确定球冠编织花节长度约为5mm。根据花节长度与4合股纤维粗细程度，上述编织参数可实现面内编织100％覆盖，同时满足壁厚要求。

(2)法兰

法兰盘常用来提供重要的载荷安装接口，同样需要根据复杂的受力条件进行针对性的预制体编织参数设计。在四向纱线的基础上，增加轴向与周向纱线。

由于法兰盘与球冠相连，因此法兰编织与球冠编织顺次进行，球冠编织结束时法兰盘开始编织，因此法兰盘初始时编织纱与轴纱的列数及层数排列为246列×(4层+3层)，编织过程中六向纱层层加满。

选用与球冠同样的编织角度35°与花节长度5mm，由于法兰盘外径为175mm，厚度变为5mm(预制体保证5.5mm)，结束时纱线排列设置为300列×(4层+2层)。以上编织参数设计同样可满足面内覆盖率及壁厚要求。

(3)支管

本发明实例为2个支管，实际实施时可包含3支管或多支管。支管为薄壁结构，使用时与其他杆结构对插胶接在一起，因此除了四向编织纱外，要求支管沿长度方向也要进行一定结构加强，提高长度方向拉伸强度及整体刚度，最终支管选用三维五向编织方式。

球冠编织时，在支路相对应的位置需预留支路纱线，所需预留的纱线数量以如下参数设计结果为参考。

支管内径为60mm，壁厚3mm，预制体状态下考虑纤维弹性及RTM模具的压实程度，预制体编织厚度设置为3.5mm。支管壁厚及直径尺寸不变，因此初始编织与结束编织时纱线排列数量一致，为120列×(3层+1层)，编织角度与花节长度保持不变，仍为35°与5mm，同样，以上编织参数设计同样可满足面内覆盖率及壁厚要求。

说明：以上三维编织参数设计仅针对此实施例，实际实施时可根据制件不同形状及尺寸差异进行相应的参数设计和调整，如多支路(2个支路以上)、球冠形状变化(多面体球冠或无球冠)、法兰形状变化(多边形法兰)；同样可根据纤维种类(粗细)，确定不同的纱线规格及纱线排列形式。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，其特征在于，包括：

采用三维六向编织法或三维七向编织法对球冠进行编织，并在编织时预留纱线；

基于编织好的球冠，采用三维六向编织法或三维七向编织法对法兰盘进行编织；

利用球冠编织时预留的纱线，采用三维五向编织法对分支结构进行编织，得到多分支、含球冠、法兰盘结构预制体。

2.根据权利要求1所述的一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，其特征在于，球冠与法兰盘的编织方法相同。

3.根据权利要求1所述的一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，其特征在于，三维五向编织法中，前四向为编织纱方向，第五向为沿编织前进方向；

三维六向编织法中，前四向为编织纱方向，第五向为沿编织前进方向，第六向沿周向；

三维七向编织法中，前四向为编织纱方向，第五向为沿编织前进方向，第六向沿周向，第七向沿厚度方向。

4.根据权利要求1所述的一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，其特征在于，对球冠进行编织时，编织列数≤500束，编织纱层数*列数≤2000束。

5.根据权利要求4所述的一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，其特征在于，对球冠进行编织时，纱线编织角度确定方法如下：

将接头所承受载荷分为平行于法兰盘面的载荷P1和垂直于法兰盘面的载荷P2，当P1≥P2，则编织角度范围为50°～60°，当P1＜P2，则编织角度范围为30°～40°；所述接头为利用预制体制备得到的接头。

6.根据权利要求5所述的一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，其特征在于，根据编织列数m和编织角度θ，按照如下公式确定编织花节数h：

S＝h*tanθ*m；

其中S表示编织截面周长。

7.根据权利要求1所述的一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，其特征在于，对法兰盘进行编织时，编织列数≤500束，编织纱层数*列数≤2000束；

对法兰盘进行编织时，纱线编织角度为30°～50°。

8.根据权利要求1所述的一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体三维编织方法，其特征在于，对分支结构进行编织时，纱线编织角度为30°～40°。

9.一种多分支、含球冠、法兰盘结构预制体，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的三维编织方法得到。