一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于三維預(yù)制體織造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]三維預(yù)制體中紗線的方向數(shù)是3或3以上，內(nèi)部紗線大多是處于伸直狀態(tài)。三維預(yù)制體作為增強(qiáng)體材料用于制作先進(jìn)復(fù)合材料，已成功用于航空、航天、船舶、軌道交通等高技術(shù)領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景。
[0003]目前三維主要是通過機(jī)織工藝、三維編織工藝和細(xì)編穿刺工藝來實(shí)現(xiàn)。中國(guó)專利CN1068607A公開了一種采用機(jī)織工藝織造三軸向正交結(jié)構(gòu)織物的織造方法，通過多臂機(jī)構(gòu)控制綜框運(yùn)動(dòng)形成多層移動(dòng)的梭口，采用兩根以上引瑋針雙側(cè)交替引瑋，Z向紗分上、下兩層，也由綜框控制。采用該方法織造的織物寬度可達(dá)20mm-l 00mm，但其X_Y平面纖維的方向只有0°和90°兩種。這種方法受設(shè)備限制，無法織造出具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體。細(xì)編穿刺工藝是采用鋼針陣列逐層穿刺碳纖維平紋織物或緞紋織物，達(dá)到要求織物厚度后，再用碳纖維束逐根替代鋼針，形成三向正交結(jié)構(gòu)。細(xì)編穿刺工藝可以實(shí)現(xiàn)大厚度織物的織造，但由于使用的是碳纖維平穩(wěn)織物或緞紋織物進(jìn)行穿刺，該方法無法織造出在平面方面具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于:提供一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，適合于零件不同部位受載情況不同、功能不同的預(yù)制體研制。
[0005]本發(fā)明所述一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，具體包括以下步驟:
(a)根據(jù)所需復(fù)合材料零部件的使用環(huán)境和工況載荷情況，分解確定零部件不同功能部位的性能要求，并劃分過渡區(qū)域；
(b)根據(jù)零部件的不同功能部位的性能要求選擇不同種類、規(guī)格的導(dǎo)向套和纖維，設(shè)計(jì)不同的導(dǎo)向套的排布方式、排布間距和纖維的纏繞方式和纏繞層密度；
(c)設(shè)計(jì)過渡區(qū)域的導(dǎo)向套的種類、規(guī)格、排布方式和排布間距，并設(shè)計(jì)過渡區(qū)域的纖維的種類、規(guī)格和纏繞方式和纏繞層密度，實(shí)現(xiàn)過渡區(qū)域的平滑過渡；
(d)在計(jì)算機(jī)中根據(jù)功能部位、過渡區(qū)域的導(dǎo)向套布局、纖維纏繞方式確定織造次序，生成層層織造的纖維迭代指令；
(e)按照功能部位和過渡區(qū)域的設(shè)計(jì)要求布置導(dǎo)向套，生成導(dǎo)向套陣列；
(f)驅(qū)動(dòng)織造機(jī)構(gòu)選擇不同纖維在導(dǎo)向套陣列中進(jìn)行分區(qū)域逐層編織，直至完成所有纖維層的織造，得到一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體。
[0006]所述步驟(a)中的不同功能部位可以是承受靜載荷、動(dòng)載荷、抗失穩(wěn)、抗沖擊等結(jié)構(gòu)性能不同，也可以是電磁性能、導(dǎo)電性能、耐熱性能、防火性能、耐腐蝕性能、吸透波性能等功能性能不同。
[0007]所述步驟(b)中導(dǎo)向套的種類包括碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、鈦合金、不銹鋼，纖維的種類包括碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、石英纖維。
[0008]所述步驟(b)和(c)中導(dǎo)向套的排布方式包括正四邊形、長(zhǎng)方形、三角形、六邊形、環(huán)形。
[0009]所述步驟(c)中的過渡區(qū)域平滑過渡方式包括功能部位纖維材料不同時(shí)，過渡區(qū)域使用多纖維按比例漸變過渡。
[0010]所述步驟(c)中的過渡區(qū)域平滑過渡方式包括功能部位纖維體積分?jǐn)?shù)不同時(shí)，過渡區(qū)域纖維纏繞層密度漸變過渡。
[0011]所述步驟(c)中的過渡區(qū)域平滑過渡方式包括功能部位導(dǎo)向套排布間距不同時(shí)，過渡區(qū)域?qū)蛱着挪奸g距等差過渡。
[0012]所述步驟(c)中的過渡區(qū)域平滑過渡方式包括不同功能部位導(dǎo)向套材料不同時(shí)，過渡區(qū)域?qū)蛱准骖櫣δ懿课粚?dǎo)向套材料梯度布局過渡。
[0013]所述步驟(b)中導(dǎo)向套的排布間距在1.0mm-5.0mm之間。
[0014]所述步驟(b)中纖維的纏繞方式可以是直線式和‘8’字式。
[0015]所述步驟(c)中的過渡區(qū)域，其織物單元結(jié)構(gòu)和尺寸均是連續(xù)變化的，材料構(gòu)成也是連續(xù)變化的，從一個(gè)屬性均勻過渡到另一個(gè)屬性。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)通過計(jì)算機(jī)輔助，生成纖維迭代指令，實(shí)現(xiàn)預(yù)制體織造成形，織造過程中對(duì)人工的依賴小，可靠性好；
(2)能夠?qū)崿F(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合材料預(yù)制體的織造，特別適合于零件不同部位受載情況不同的復(fù)合材料零部件等的研制；
(3)本發(fā)明的方法也適用于多種基體類型、多材料增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)制體的制備。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明一種功能梯度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制造方法的流程圖。
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例:
1.制作一個(gè)碳纖維截面尺寸為250mmX80mmX 30mm的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)制體，使用工況為主體結(jié)構(gòu)承受靜載荷，X向左側(cè)承受部分動(dòng)載荷。將預(yù)制體結(jié)構(gòu)分成3個(gè)部分，如圖2所示，1為全纖維織造區(qū)域，3為Z向使用碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)向套的織造區(qū)域，2為區(qū)域1和3的過渡區(qū)域；
2.根據(jù)整體受載情況，纖維按空間內(nèi)X、Y、Z三個(gè)方向鋪設(shè)，貫穿區(qū)域1和3的X向、Y向纖維使用T300-6K碳纖維，纖維纏繞方式為直線式，層密度20層/cm，區(qū)域1使用合股的T300-6K纖維束作為Z向?qū)蛱祝瑓^(qū)域3的Z向使用直徑為2.0mm的碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)向套，導(dǎo)向套呈正四方形布局，排布間距均為5.0mm ；
3.過渡區(qū)域2兼顧Z向纖維束導(dǎo)向套和碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)向套，兩側(cè)呈梯度變化對(duì)稱過渡，有效保證材料變化均勻性，纖維連續(xù)性，結(jié)構(gòu)整體性；
4.按照功能部位1和3，以及過渡區(qū)域2的導(dǎo)向套排布方式，布局區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3的導(dǎo)向套，生成36行X 12列的預(yù)制體導(dǎo)向套陣列；
5.在計(jì)算機(jī)中匹配功能部位和過渡區(qū)域的纖維纏繞方式、纏繞層密度和織造次序，生成Z向共計(jì)60層的完整纖維迭代指令；
6.驅(qū)動(dòng)織造機(jī)構(gòu)攜帶纖維在導(dǎo)向套陣列中進(jìn)行逐層編織，直至完成所有纖維層的織造，得到一種具有纖維排布梯度變化的三維預(yù)制體。
[0020]以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所做的等效結(jié)構(gòu)變化，或直接或間接利用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于該方法包含以下步驟: (a)根據(jù)所需復(fù)合材料零部件的使用環(huán)境和工況載荷情況，分解確定零部件不同功能部位的性能要求，并劃分過渡區(qū)域； (b)根據(jù)零部件的不同功能部位的性能要求選擇不同種類、規(guī)格的導(dǎo)向套和纖維，設(shè)計(jì)不同的導(dǎo)向套的排布方式、排布間距和纖維的纏繞方式和纏繞層密度； (c)設(shè)計(jì)過渡區(qū)域的導(dǎo)向套的種類、規(guī)格、排布方式和排布間距，并設(shè)計(jì)過渡區(qū)域的纖維的種類、規(guī)格和纏繞方式和纏繞層密度，實(shí)現(xiàn)過渡區(qū)域的平滑過渡； (d)在計(jì)算機(jī)中根據(jù)功能部位、過渡區(qū)域的導(dǎo)向套布局、纖維纏繞方式確定織造次序，生成層層織造的纖維迭代指令； (e)按照功能部位和過渡區(qū)域的設(shè)計(jì)要求布置導(dǎo)向套，生成導(dǎo)向套陣列； (f)驅(qū)動(dòng)織造機(jī)構(gòu)選擇不同纖維在導(dǎo)向套陣列中進(jìn)行分區(qū)域逐層編織，直至完成所有纖維層的織造，得到一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(a)中的不同功能部位可以是承受靜載荷、動(dòng)載荷、抗失穩(wěn)、抗沖擊等結(jié)構(gòu)性能不同，也可以是電磁性能、導(dǎo)電性能、耐熱性能、防火性能、耐腐蝕性能、吸透波性能等功能性能不同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(b)中導(dǎo)向套的種類包括碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、鈦合金、不銹鋼，纖維的種類包括碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、石英纖維。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(b)和(c)中導(dǎo)向套的排布方式包括正四邊形、長(zhǎng)方形、三角形、六邊形、環(huán)形。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(c)中的過渡區(qū)域平滑過渡方式包括功能部位纖維材料不同時(shí)，過渡區(qū)域使用多纖維按不同纖維比例變化均勻過渡。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(c)中的過渡區(qū)域平滑過渡方式包括功能部位纖維體積分?jǐn)?shù)不同時(shí)，過渡區(qū)域纖維纏繞層密度漸變過渡。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(c)中的過渡區(qū)域平滑過渡方式包括功能部位導(dǎo)向套排布間距不同時(shí)，過渡區(qū)域?qū)蛱着挪奸g距等差過渡。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(c)中的過渡區(qū)域平滑過渡方式包括不同功能部位導(dǎo)向套材料不同時(shí)，過渡區(qū)域?qū)蛱准骖櫣δ懿课粚?dǎo)向套材料梯度布局過渡。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(b )中導(dǎo)向套的排布間距在1.0mm-5.0mm之間。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(b)中纖維的纏繞方式可以是直線式和‘8’字式。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，其特征在于:所述步驟(c)中的過渡區(qū)域，其織物單元結(jié)構(gòu)和尺寸均是連續(xù)變化的，材料構(gòu)成也是連續(xù)變化的，從一個(gè)屬性均勻過渡到另一個(gè)屬性。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體織造方法，主要包括以下步驟：根據(jù)所需復(fù)合材料零部件的使用要求，分解確定零部件不同功能部位的性能要求；對(duì)各功能部位進(jìn)行導(dǎo)向套、纖維選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)過渡區(qū)域的導(dǎo)向套、纖維選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過渡區(qū)域的平滑過渡；在計(jì)算機(jī)中根據(jù)功能部位、過渡區(qū)域的導(dǎo)向套布局、纖維纏繞方式確定織造次序，生成層層織造的纖維迭代指令；按照功能部位和過渡區(qū)域的設(shè)計(jì)要求布置導(dǎo)向套，生成導(dǎo)向套陣列；驅(qū)動(dòng)織造機(jī)構(gòu)選擇不同纖維進(jìn)行分區(qū)域逐層編織，得到一種具有梯度結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料三維預(yù)制體的織造，特別適合于零件不同部位受載情況不同的預(yù)制體研制。
【IPC分類】D03D25/00
【公開號(hào)】CN105442154
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510935317
【發(fā)明人】單忠德, 劉豐, 王爭(zhēng), 張群, 戰(zhàn)麗, 喬娟娟
【申請(qǐng)人】機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年12月15日