專利名稱：一種復合材料預制件分層織造成形方法
技術領域：
本發明涉及一種復合材料預制件分層織造成形方法，屬于復合材料三維織造成形領域。
背景技術：
復合材料顯著的力學性能以及輕質的特點使其廣泛應用于航空航天、國防軍工等方面。隨著技術發展，復合材料制件向大型化、復雜化、高性能化發展，復合材料成形技術也不斷地發展。傳統復合材料由于層間沒有纖維通過，而容易分層，為了達到厚度上的要求，絕大多數采用層合的形式，但由于較弱的層間性能、沖擊后易受損傷以及機械連接孔和幾何形狀突變處的強度顯著下降等弱點，限制了它在主要承力結構件上的應用。三維織造復合材料是以三維整體織物作為增強體的復合材料，是20世紀80年代發展起來的一種新型織物復合材料，其由一維和二維結構發展而來，三維結構織物的纖維不僅通過二維平面，而且通過厚度方向在空間相互交織，形成整體結構，可設計性好，同時克服了二維復合材料抗沖擊性能差、易分層等缺點，具有優異的力學性能，已經引起了美國、德國等世界各國的關注， 被越來越廣泛地應用航空航天、軍工、汽車等關鍵領域。用于復合材料預制件制備的三維織造技術主要包括三維編織、三維機織、三維針織等。復合材料三維織造技術相比于傳統的層壓復合材料、自動鋪放技術具有諸多優點，但織造成形過程中存在的成形尺寸小、工序復雜、設備自動化低、纖維含量低，難以實現大型、 復雜結構件制造等問題。

發明內容
針對傳統三維織造預制件的層間強度低、成形尺寸小、工序復雜、不易自動化實現等缺點，將快速成形技術與復合材料織造技術結合起來，提出一種基于數字化導向模板的預制件分層織造成形方法，實現復合材料預制件制備的自動化，為大型、復雜預制件的織造提供一種柔性加工方法。該方法引入了陣列式導向柱模板，為每層編織纖維提供支點。根據三維模型分層后的二維輪廓設計導向柱模板，并將導向套布置在導向柱上，近似逼近零件的輪廓；織造纖維通過纏繞、鎖緊導向套形成內部網格結構和內外輪廓，達到各種結構的織造。導向套為不同層纖維提供支撐，加強層間強度。為了便于織造成形，易于實現自動化纏繞導向套，確定每層截面輪廓內沿0度、45 度、90度、135度四個方向逐行纏繞平行的導向套，如圖2所示，相鄰兩個導向套的纖維纏繞方式可以是直線式和‘8’字式，如圖3所示；四個纏繞方向疊加后，得到每層截面輪廓內部網格結構，如圖4所示；
一種復合材料預制件分層織造成形方法，其特征包括如下步驟 a)對復合材料零件CAD模型沿Z向進行分層，生成截面輪廓信息；b)根據截面輪廓信息將導向套布置在陣列布局的導向柱模板上；
c)在當前織造層輪廓內，以導向套為支撐，將纖維沿0度方向平行的導向套逐行纏繞； 以導向套為支撐，將纖維沿45度方向平行的導向套逐行纏繞；以導向套為支撐，將纖維沿 90度方向平行的導向套逐行纏繞；以導向套為支撐，將纖維沿135度方向平行的導向套逐行纏繞；纖維沿不同方向纏繞的順序可以任意組合，所有織造路徑疊加后完成一層輪廓內部的織造；當前層內外輪廓的織造由纖維沿內外輪廓附近的導向套纏繞完成；
d)完成一層織造后，繼續采用步驟c)進行下一層的織造；
e)完成所有層織造后，將所有纏繞纖維的導向套從導向柱模板取下，完成復合材料預制件的織造。所述織造纖維包括碳纖維、石墨纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、玻璃纖維等，纖維規格可根據復合材料零件三維模型選擇。所述導向套結構是可以設計的，其外部可以是光滑的，也可以是帶有凹槽的，織造時纖維在導向套凹槽內進行纏繞；導向套高度、直徑、截面形狀等參數可根據零件三維模型設計。所述導向套可以根據實際需要選擇不同材質，如鋁合金、碳纖維增強復合材料、鈦合金、不銹鋼等。 所述導向柱模板上有直徑、間距可設計的導向柱陣列。所述沿平行的導向套逐行纏繞和沿內外輪廓附近導向套纏繞過程中，相鄰導向套間的纏繞方式可以是直線式和‘8’字式。本發明與現有技術相比，具有以下優點
1)復合材料預制件分層織造方法工藝簡單、易于實現自動化，為大型、復雜預制件織造提供一種柔性加工方法；
2)導向柱在模板上的排列可以根據零件的尺寸、形狀等特點進行靈活布置，大大提升了三維織造零部件的靈活性和可操作性；
3)該織造方法通過導向套實現層間連接，避免層間分層，使預制件有較好的力學性能。


圖1為復合材料預制件分層織造流程圖； 圖2為輪廓層內四個纖維逐行織造方向；
圖3為導向套間纖維纏繞方式； 圖4為不同織造路徑疊加； 圖5為截面為半圓形的半圓柱的層內織造； 附圖標記
1 一導向柱 2—導向套 3—織造單元。
具體實施例方式為詳細的描述本發明的特點和步驟，列舉截面為半圓的半圓柱預制件的織造方法。首先在計算機上完成半圓柱CAD模型的設計，分層設計得到每層二維截面輪廓信息；將直徑為3mm導向柱(1)按8mm的等間距陣列排布得到導向柱模板(3)上；選取導向套 (2)材料為外部光滑碳纖維管，內徑為3mm，外徑為5mm，高度設計為跟半圓柱等高，將其排布在導向柱(1)上，近似逼近半圓柱的截面輪廓；選取3k規格的碳纖維作為織造纖維。從最底層開始織造，在織造層近似半圓輪廓內，以導向套(2)為支撐，纖維分別沿 0度、45度、90度、135度的順序逐行纏繞平行的導向套，每種纏繞方式相鄰兩個導向套纖維連結方式采用直線式和‘8’字式，所有織造路徑疊加后完成一層輪廓內部的織造；當前層外輪廓的織造由纖維沿外輪廓附件的導向套纏繞完成，并且相鄰兩個導向套纖維連結方式也為直線式和‘8’字式；完成一層織造后，得到織造單元(4)。采用上述方法進行下一層的織造；層層織造，完成三維預制件所有層織造后，將纏繞碳纖維的導向套(2)從導向柱模板(3)上取下來，完成預制件織造。以上對本發明及其實施方式的描述是示意性的，沒有限制性。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，進行其他實施例，均應屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種復合材料預制件分層織造成形方法，其特征包括如下步驟a)對復合材料零件CAD模型沿Z向進行分層，生成截面輪廓信息；b)根據截面輪廓信息將導向套布置在陣列布局的導向柱模板上；c)在當前織造層輪廓內，以導向套為支撐點，將纖維沿0度方向平行的導向套逐行纏繞；以導向套為支撐，將纖維沿45度方向平行的導向套逐行纏繞；以導向套為支撐，將纖維沿90度方向平行的導向套逐行纏繞；以導向套為支撐，將纖維沿135度方向平行的導向套逐行纏繞；纖維沿不同方向纏繞的順序可以任意組合，所有織造路徑疊加后完成一層輪廓內部的織造；當前層內外輪廓的織造由纖維沿內外輪廓附近的導向套纏繞完成；d)完成一層織造后，繼續采用步驟c)進行下一層的織造；e)完成所有層織造后，將所有纏繞纖維的導向套從導向柱模板取下，完成復合材料預制件的織造。
2.根據權利要求1所述的一種復合材料預制件分層織造成形方法，其特征在于，所述織造纖維包括碳纖維、石墨纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、玻璃纖維等，纖維規格可根據復合材料零件三維模型選擇。
3.根據權利要求1所述的一種復合材料預制件分層織造成形方法，其特征在于，所述導向套結構是可以設計的，其外部可以是光滑的，也可以是帶有凹槽的，織造時纖維在導向套凹槽內進行纏繞；導向套高度、直徑、截面形狀等參數可根據零件三維模型設計。
4.根據權利要求1所述的一種復合材料預制件分層織造成形方法，其特征在于，所述導向套可根據需要選擇不同材質，如鋁合金、碳纖維增強復合材料、鈦合金、不銹鋼等。
5.根據權利要求1所述的一種復合材料預制件分層織造成形方法，其特征在于，所述導向柱模板上有直徑、間距可設計的導向柱陣列。
6.根據權利要求1所述的一種復合材料預制件分層織造成形方法，其特征在于，所述沿平行的導向套逐行纏繞和沿內外輪廓附近導向套纏繞過程中，相鄰導向套間的纏繞方式可以是直線式和‘8’字式。
全文摘要
本發明公開了一種復合材料預制件分層織造成形方法，屬于一種數字化驅動的復合材料三維織造技術，包括如下步驟對復合材料零件CAD模型沿Z向進行分層，生成截面輪廓信息；將導向套布置在等間距陣列布局的導向柱模板上；在每一層輪廓內，以導向套支撐，將纖維沿0度、45度、90度、135度方向逐行纏繞平行的導向套，完成輪廓內部的織造，當前層內外輪廓的織造由纖維沿內外輪廓附近的導向套纏繞完成；層層織造，完成所有層織造后，將纏繞纖維的導向套取下，完成復合材料預制件的織造。本發明方法工序簡單、成形尺寸大，易于實現自動化織造大型、復雜結構功能部件預制件。
文檔編號D03D25/00GK102517760SQ20111045878
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者喬娟娟, 劉豐, 單忠德, 秦紹衍, 陳海波 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心