专利名称：三维编织棱锥套的净形制备方法
技术领域：
本发明涉及一种三维编织棱锥套的净形制备方法，具体为一种等壁厚四棱锥形三 维编织复合材料套体的减纱净尺寸成型方法。
背景技术：
等壁厚四棱锥形套体在航空航天、国防军工等领域有着普遍的应用，如直升机旋 翼桨叶、卫星桁架接头、导弹防热罩等均是四棱锥套体制件。目前，大多采用金属材料或复 合材料层合板通过模压成型来制备这类棱锥套体。相对于复合材料，金属材料的密度较大， 比强度、比模量较低，抗疲劳性能及耐腐蚀性较差，且一旦选定了某种金属材料，无法通过 对制件细观结构的设计来实现力学性能的优化；相对于三维编织复合材料，传统的层合复 合材料由于其层状结构的存在，具有易分层破坏，开裂敏感且裂纹扩展速度快，层间剪切强 度较薄弱，冲击韧性和损伤容限较低等弱点，且棱锥套体的最终成型需要借助四块层合板 的拼接来完成，制件的结构整体性遭到破坏，拼接区域的力学性能显著下降，同时也增加了 工序，提高了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于针对现有等壁厚四棱锥形套体制备技术的不足，提供一种三维 编织棱锥套的净形制备方法。该方法可以提高棱锥套体的比强度、比模量和抗疲劳性能，能 够通过对组分材料和细观结构的选择与设计来优化制件的力学性能，三维编织棱锥套具有 高度整体化的空间网络结构，完全避免了分层破坏，断裂韧性和抗冲击性能优异，采用减纱 编织工艺实现等壁厚棱锥套的净尺寸整体成型，无需进一步拼接，从而有效保证了制件结 构的完整性和力学性能的稳定性，同时减少了工序，节约了成本。为了达到上述目的，本发明提供了一种三维编织棱锥套的净形制备方法，将纱线 在编织机底盘上排列成口字形，以四步法方型三维编织工艺为基础，分别编织棱锥套的横 梁部分与纵梁部分，其特征在于，在编织过程中，进行至少一次的移纱操作以及减纱操作， 得到等壁厚三维编织棱锥套。在缩减棱锥套的宽度时，进行至少一次的整列移纱操作以及减纱操作，在缩减棱 锥套的厚度时，进行至少一次的整行移纱操作以及减纱操作。所述的整列移纱操作为首先在两个横梁部分中不超过棱锥套内孔宽度范围所包 含的纱线阵列内，在其左半侧选取相邻的m列锭子为减纱锭子，并在其右半侧对称地选取 相邻的m列锭子为减纱锭子，接着从外向内依次将位于左半侧减纱锭子左侧的同一列中的 纱线沿行方向向右移动η列，同时从外向内依次将位于右半侧减纱锭子右侧的同一列中的 纱线沿行方向向左移动η列，m和η皆为大于等于2的整数，且m=n，移纱操作后，每个减纱 锭子上同时悬挂了两根纱线。所述的整行移纱操作为首先在两个纵梁部分中不超过棱锥套内孔厚度范围所包 含的纱线阵列内，在其上半侧选取相邻的m行锭子为减纱锭子，并在其下半侧对称地选取相邻的m行锭子为减纱锭子，接着从外到内依次将位于上半侧减纱锭子上侧的同一行中的 纱线沿列方向向下移动η行，同时从外到内依次将位于下半侧减纱锭子下侧的同一行中的 纱线沿列方向向上移动η行，m和η皆为大于等于2的整数，且m=n，移纱操作后，每个减纱 锭子上同时悬挂了两根纱线。所述的减纱操作为将所有纱线在其当前所处的位置编织一个机器循环，再将减 纱锭子上悬挂的一根纱线取下，保留另外一根，并在棱锥套的自由头端处将其剪断。本发明所述的三维编织棱锥套的净形制备方法，具体如下
第一步，排列悬挂编织纱线根据棱锥套的横截面形状，设计载纱锭子与空载锭子在编 织机底盘上的排列形式，并将编织纱线悬挂至载纱锭子上，其中使主体纱线在编织机底盘 上排列成口字形，行边纱、列边纱则间隔排列在主体纱线阵列的四周，编织机底盘上的其他 位置全部由空载锭子填满；
第二步，开始编织以四步法方型三维编织工艺为基础，分别编织棱锥套的两个横梁部 分与剩余的纵梁部分，首先在构成两个横梁部分的纱线阵列中，第1步使相邻行的编织纱 线沿行方向交替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交替运动一个位置， 第3步、第4步中纱线的运动方向则分别与第1步、第2步相反，经过上述四步运动，完成棱 锥套横梁部分的一个机器循环，然后在剩余的两个纵梁部分所包含的纱线阵列内，第1步 使相邻行的编织纱线沿行方向交替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交 替运动一个位置，第3步、第4步中纱线的运动方向则分别与第1步、第2步相反，经过上述 四步运动，完成棱锥套纵梁部分的一个机器循环，重复上述八个运动步骤，可以使棱锥套沿 高度方向不断增长；
第三步，选取整列的减纱锭子，进行整列移纱操作缩减棱锥套的横截面宽度时，首先 在两个横梁部分中不超过棱锥套内孔宽度范围所包含的纱线阵列内，以运动规律重复的最 小锭子排列和数量为基本单位，在纱线阵列的左半侧选取相邻至少两整列减纱锭子，并在 该纱线阵列的右半侧对称地选取相邻至少两整列减纱锭子，接着将位于左半侧减纱锭子左 侧的同一列中的纱线沿行方向向右移动，直至编织机底盘中所有位于左半侧减纱锭子左侧 的整列纱线顺次移动重排为止，同时将位于右半侧减纱锭子右侧的同一列中的纱线沿行方 向向左移动，直至编织机底盘中所有位于右半侧减纱锭子右侧的整列纱线顺次移动重排为 止，整列移纱操作全部结束后，载纱锭子减少至少四列；
第四步，选取整行的减纱锭子，进行整行移纱操作缩减棱锥套的横截面厚度时，首先 在两个纵梁部分中不超过棱锥套内孔厚度范围所包含的纱线阵列内，以运动规律重复的最 小锭子排列和数量为基本单位，在纱线阵列的上半侧选取相邻至少两整行减纱锭子，并在 该纱线阵列的下半侧对称地选取相邻至少两整行减纱锭子，接着将位于上半侧减纱锭子上 侧的同一行中的纱线沿列方向向下移动，直至编织机底盘中所有位于上半侧减纱锭子上侧 的整行纱线顺次移动重排为止，同时将位于下半侧减纱锭子下侧的同一行中的纱线沿列方 向向上移动，直至编织机底盘中所有位于下半侧减纱锭子下侧的整行纱线顺次移动重排为 止，整行移纱操作全部结束后，载纱锭子减少至少四行；
第五步，编织一个机器循环后，进行减纱操作整列与整行移纱操作后，减纱锭子上同 时悬挂了两根纱线，首先使所有纱线在其当前所处的位置编织一个机器循环，再进行减纱 操作，将减纱锭子内其中的一根纱线取下，并在棱锥套的自由头端处将其剪断；第六步，继续编织依据第二步所述的纱线运动规律继续进行后续编织，到下一个横截 面尺寸缩减位置重复第三步到第五步，直至三维编织棱锥套的编织完成。与现有技术相比，本发明的优点是
(1)可以实现等壁厚棱锥套的净尺寸整体成型，避免了拼接对制件结构完整性的损伤， 有效保证了力学性能的稳定性，减少了加工工序，利于降低生产成本；
(2)可以减轻棱锥套体的重量，提高制件的比强度、比模量与抗疲劳性能，能够通过对 组分材料和细观结构的选择与设计来实现制件力学性能的优化；
(3)完全避免了层合复合材料棱锥套的分层破坏现象，制件具有优异的断裂韧性和冲 击损伤容限。
图1为减纱前纱线在编织机底盘上的初始排列示意图；图1中，1为载纱锭子，2为
空载锭子；
图2为整列移纱时，减纱锭子的选取示意图；图2中，1为载纱锭子，2为空载锭子，3为 减纱锭子；
图3为整行移纱时，减纱锭子的选取示意图；图3中，1为载纱锭子，2为空载锭子，3为 减纱锭子；
图4为某种等壁厚三维编织棱锥套的立体示意图。
具体实施例方式如图1所示，为减纱前纱线在编织机底盘上的初始排列示意图，图中将纱线悬挂 在载纱锭子1上，其中主体纱线在编织机底盘上排列成口字形，边纱则间隔排列在主体纱 线阵列的四周，编织机底盘上的其他位置全部由空载锭子2填满。如图2所示，为整列移纱时，减纱锭子的选取示意图，图中在两个横梁部分中不超 过棱锥套内孔宽度范围所包含的纱线阵列内，左右对称地选取相邻至少两整列减纱锭子3。如图3所示，为整行移纱时，减纱锭子的选取示意图，图中在两个纵梁部分中不超 过棱锥套内孔厚度范围所包含的纱线阵列内，上下对称地选取相邻至少两整行减纱锭子3。下面以具体的三维编织棱锥套为例，来阐述本发明。实施例1
如图4所示，为一种等壁厚三维编织棱锥套的立体示意图，采用T700-Uk碳纤维编织 该等壁厚棱锥套。第一步，根据棱锥套的横截面形状，设计载纱锭子与空载锭子的排列形 式，将1200根主体纱线以口字形的排列方式悬挂在编织机底盘上，其中棱锥套的总宽度与 总厚度范围内共包括40列与40行纱线，棱锥套的壁厚则由10根纱线组成，再将118根边 纱间隔排列在主体纱线阵列的四周，编织机底盘上的其他位置则全部由空载锭子填满；第 二步，以四步法方型三维编织工艺为基础，分别编织棱锥套的两个横梁部分与剩余的纵梁 部分，在构成两个横梁部分的纱线阵列中，第1步使相邻行的编织纱线沿行方向交替运动 一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交替运动一个位置，第3步、第4步中纱线 的运动方向则分别与第1步、第2步相反，在剩余的两个纵梁部分所包含的纱线阵列内，第 1步使相邻行的编织纱线沿行方向交替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交替运动一个位置，第3步、第4步中纱线的运动方向则分别与第1步、第2步相反，重复 上述八个运动步骤，可以使棱锥套沿高度方向不断增长；第三步，缩减棱锥套的横截面宽度 时，于两个横梁部分不超过棱锥套内孔宽度范围所包含的纱线阵列内，在左半侧选取相邻 两整列减纱锭子，并在右半侧对称地选取相邻两整列减纱锭子，将位于左半侧减纱锭子左 侧的同一列中的纱线沿行方向向右移动2列，直至所有位于左半侧减纱锭子左侧的整列纱 线顺次移动重排为止，同时将位于右半侧减纱锭子右侧的同一列中的纱线沿行方向向左移 动2列，直至所有位于右半侧减纱锭子右侧的整列纱线顺次移动重排为止；第四步，缩减棱 锥套的横截面厚度时，于两个纵梁部分不超过棱锥套内孔厚度范围所包含的纱线阵列内， 在上半侧选取相邻两整行减纱锭子，并在下半侧对称地选取相邻两整行减纱锭子，将位于 上半侧减纱锭子上侧的同一行中的纱线沿列方向向下移动2行，直至所有位于上半侧减纱 锭子上侧的整行纱线顺次移动重排为止，同时将位于下半侧减纱锭子下侧的同一行中的纱 线沿列方向向上移动2行，直至所有位于下半侧减纱锭子下侧的整行纱线顺次移动重排为 止；第五步，整列与整行移纱操作后，减纱锭子上同时悬挂了两根纱线，首先使所有纱线在 其当前所处的位置编织一个机器循环，再进行减纱操作，将减纱锭子内其中的一根纱线取 下，并在棱锥套的自由头端处将其剪断；第六步，依据四步法方型三维编织工艺中纱线的运 动规律继续进行后续编织，到下一次横截面尺寸缩减位置时，重复第三步到第五步，然后按 照四步法方型三维编织工艺进行后编织，直至该等壁厚三维编织棱锥套的编织完成。
实施例2
如图4所示，为一种等壁厚三维编织棱锥套的立体示意图，采用T700-3k碳纤维编织该 等壁厚棱锥套。第一步，根据棱锥套的横截面形状，设计载纱锭子与空载锭子的排列形式， 将768根主体纱线以口字形的排列方式悬挂在编织机底盘上，其中棱锥套的总宽度范围内 共包括40列纱线，总厚度范围内共包括36行纱线，棱锥套的壁厚则由6根纱线组成，再将 134根边纱间隔排列在主体纱线阵列的四周，编织机底盘上的其他位置则全部由空载锭子 填满；第二步，以四步法方型三维编织工艺为基础，分别编织棱锥套的两个横梁部分与剩余 的纵梁部分，在构成两个横梁部分的纱线阵列中，第1步使相邻行的编织纱线沿行方向交 替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿列方向交替运动一个位置，第3步、第4步 中纱线的运动方向则分别与第1步、第2步相反，在剩余的两个纵梁部分所包含的纱线阵列 内，第1步使相邻行的编织纱线沿行方向交替运动一个位置，第2步使相邻列的编织纱线沿 列方向交替运动一个位置，第3步、第4步中纱线的运动方向则分别与第1步、第2步相反， 重复上述八个运动步骤，可以使棱锥套沿高度方向不断增长；第三步，缩减棱锥套的横截面 宽度时，于两个横梁部分不超过棱锥套内孔宽度范围所包含的纱线阵列内，在左半侧选取 相邻两整列减纱锭子，并在右半侧对称地选取相邻两整列减纱锭子，将位于左半侧减纱锭 子左侧的同一列中的纱线沿行方向向右移动2列，直至所有位于左半侧减纱锭子左侧的整 列纱线顺次移动重排为止，同时将位于右半侧减纱锭子右侧的同一列中的纱线沿行方向向 左移动2行，直至所有位于右半侧减纱锭子右侧的整列纱线顺次移动重排为止；第四步，缩 减棱锥套的横截面厚度时，于两个纵梁部分不超过棱锥套内孔厚度范围所包含的纱线阵列 内，在上半侧选取相邻两整行减纱锭子，并在下半侧对称地选取相邻两整行减纱锭子，将位 于上半侧减纱锭子上侧的同一行中的纱线沿列方向向下移动2行，直至所有位于上半侧减 纱锭子上侧的整行纱线顺次移动重排为止，同时将位于下半侧减纱锭子下侧的同一行中的纱线沿列方向向上移动2行，直至所有位于下半侧减纱锭子下侧的整行纱线顺次移动重排 为止；第五步，整列与整行移纱操作后，减纱锭子上同时悬挂了两根纱线，首先使所有纱线 在其当前所处的位置编织一个机器循环，再进行减纱操作，将减纱锭子内其中的一根纱线 取下，并在棱锥套的自由头端处将其剪断；第六步，依据四步法方型三维编织工艺中纱线的 运动规律继续进行后续编织；至第二次横截面尺寸缩减位置时，重复第三步到第五步，然后 按照四步法方型三维编织工艺进行后续编织；至第三次横截面尺寸缩减位置时，重复第三 步到第五步，然后按照四步法方型三维编织工艺进行后续编织；至第四次横截面尺寸缩减 位置时，再次重复第三步到第五步，然后按照四步法方型三维编织工艺进行后编织，直至该 等壁厚三维编织棱锥套的编织完成。
权利要求
1.一种三维编织棱锥套的净形制备方法，将纱线在编织机底盘上排列成口字形，以四 步法方型三维编织工艺为基础，分别编织棱锥套的横梁部分与纵梁部分，其特征在于，在编 织过程中，进行至少一次的移纱操作以及减纱操作，得到等壁厚三维编织棱锥套。
2.如权利要求1所述的三维编织棱锥套的净形制备方法，其特征在于，在缩减棱锥套 的宽度时，进行至少一次的整列移纱操作以及减纱操作，在缩减棱锥套的厚度时，进行至少 一次的整行移纱操作以及减纱操作。
3.如权利要求2所述的三维编织棱锥套的净形制备方法，其特征在于，所述的整列移 纱操作为首先在两个横梁部分中不超过棱锥套内孔宽度范围所包含的纱线阵列内，在其 左半侧选取相邻的m列锭子为减纱锭子，并在其右半侧对称地选取相邻的m列锭子为减纱 锭子，接着从外向内依次将位于左半侧减纱锭子左侧的同一列中的纱线沿行方向向右移动 η列，同时从外向内依次将位于右半侧减纱锭子右侧的同一列中的纱线沿行方向向左移动 η列，m和η皆为大于等于2的整数，且m=n，移纱操作后，每个减纱锭子上同时悬挂了两根 纱线。
4.如权利要求2所述的三维编织棱锥套的净形制备方法，其特征在于，所述的整行移 纱操作为首先在两个纵梁部分中不超过棱锥套内孔厚度范围所包含的纱线阵列内，在其 上半侧选取相邻的m行锭子为减纱锭子，并在其下半侧对称地选取相邻的m行锭子为减纱 锭子，接着从外到内依次将位于上半侧减纱锭子上侧的同一行中的纱线沿列方向向下移动 η行，同时从外到内依次将位于下半侧减纱锭子下侧的同一行中的纱线沿列方向向上移动 η行，m和η皆为大于等于2的整数，且m=n，移纱操作后，每个减纱锭子上同时悬挂了两根 纱线。
5.如权利要求2所述的三维编织棱锥套的净形制备方法，其特征在于，所述的减纱操 作为将所有纱线在其当前所处的位置编织一个机器循环，再将减纱锭子上悬挂的一根纱 线取下，保留另外一根，并在棱锥套的自由头端处将其剪断。
全文摘要
本发明涉及一种三维编织棱锥套的净形制备方法，将纱线在编织机底盘上排列成口字形，以四步法方型三维编织工艺为基础，分别编织棱锥套的横梁部分与纵梁部分，其特征在于，在编织过程中，进行至少一次的移纱操作以及减纱操作，得到等壁厚三维编织棱锥套。本发明可以实现棱锥套的净尺寸成型，减少了加工工序，制件具有较高的比强度、抗疲劳性能与冲击损伤容限，并可完全避免分层破坏。
文档编号D04C1/06GK102102276SQ20111000463
公开日2011年6月22日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者俞建勇, 刘丽芳, 刘兆麟, 阎建华 申请人:东华大学