[发明专利]一种行列变换变截面预成型制件的三维编织方法及制件

说明书

本发明公开了一种通过行列变换完成一种变截面预成型制件的三维编织方法及制件技术。该编织方法在纤维总根数不变的前提下，通过行列之间的相互变换完成新截面的排列，这种编织技术避免了额外的增、减纱从而保证纤维的连续性，提高织物的整体性，实现沿长度方向横截面变化的异形复合材料预成型制件的三维整体性织造。通过行列变换完成的预制件结构整体性较高，预制件性能得以有效提升，方法简单、适用性广，有效的减少生产工序，降低生产成本。

技术领域

本发明涉及一种复合材料预成型制件的三维编织技术，具体为一种制造高性能复合材料预制件的变截面预成型制件的三维编织方法及其制件技术。

背景技术

三维编织复合材料是由三维编织织物与基体复合而成的一种先进的复合材料，三维编织结构具有高度整体化的空间互锁网状结构，可以避免传统层合板的分层破坏、断裂韧性、冲击损伤容限等，具有良好的可设计性。目前已成功应用于航空航天、国防军工、交通、建筑等领域。

在实际应用中，绝大多数复合材料如发动机喷管、罩体等织物，并不是外形规则的等截面结构，而是截面尺寸沿长度方向变化的截面异型件。目前的三维编织工艺在改变织物截面形状时有两种方法，一种是，先得到等截面积的三维编织预制件，再通过机械加工（如切削）得到变截面积预制件，这样会对织物纤维造成损伤，产生大量不连续纤维，破坏了三维编织物的整体结构，不但降低了复合材料的整体性能和产品性能的稳定性，还增加了加工工序；另一种方法，也是目前常用做法是利用三维编织结构材料的集合形状和内部纱线密度的良好的可设计性，通过改变编织纱、轴纱的排列、合股数等，将一部分纱线分出、剪断或者加入部分新的纱线来改变织物排列，编织出符合不同尺寸要求的织物。

但对于天线罩、喷管等对织物的整体性能要求较高的产品而言，通过增减纱的方式完成变截面的编织，并不是最优选择。例如收敛-扩散类喷管，其外形类似沙漏，喷管的前半部由大变小向中间收缩至窄喉，窄喉之后又由小变大向外扩张至箭底，其中喉部受热和承力最为严重。根据受力、受热的不同要求，一般前、后扩张段直径大、壁厚薄，喉部直径小，壁厚大，所以设计参数时，扩张处列数多、层数少，在窄喉处列数少、层数多。若采用增、减纱的方式生产，会破坏部分纤维的连续性，并且在织物中产生增、减纱点，而由于喷管工作环境的特殊性，在高温和高压燃气的冲刷下，这些增减纱点对喷管的完整性与可靠性的破坏是致命的。

发明内容

针对现有三维变截面编织技术的不足，本发明的目的在于提出一种通过行列变换的形式完成一种变截面预成型制件的三维编织方法及其制件技术。该编织方法在纤维总根数不变的前提下，通过行列之间的相互变换完成新截面的排列，这种编织技术没有增、减纱从而保证纤维的连续性，提高织物的整体性，实现在沿长度方向横截面变化的异形复合材料预成型制件的三维整体性织造。通过行列变换完成的预制件结构整体性较高，性能得以有效提升，方法简单、适用性广，有效的减少生产工序，降低生产成本。

本发明提出的技术方案是：设计一种变截面成型制件在编织过程中的行列变换方法，该方法以四步法三维多向编织工艺为基础，其特征在于在编织过程中，以已成型制件的一个端面编织纱、轴纱初始状态为基准，按照工艺设计要求，通过行列变换方法形成新截面的排列，完成变截面预成型制件的三维多向整体编织。为方便后续描述将初始截面编织纱及轴纱的排列位置关系用矩阵[M]_ab表示，其中a表示纱线所在行数，b表示纱线所在列数；新截面的编织纱及轴纱初始状态排列关系用矩阵[N]_ij表示其中i表示纱线所在行数，j表示纱线所在列数。

附图说明

图1为采用本发明编织方法编织所得喷管的外观形状示意图；

图2为已成型端面编织纱与轴纱排列矩阵；

图3为新截面编织纱与轴纱排列矩阵；

图4为实施例1中扩张处编织纱排列矩阵；

图5为实施例1中窄喉处编织纱排列矩阵；