[发明专利]三维高压喷管预制体的净形制备方法

说明书

本发明公开了三维高压喷管预制体的净形制备方法，以喷管构件扩张段为起始编织截面，按照四步法三维多向编织工艺进行编织，在编织过程中，在喷管法兰部位引入径向纱，在喷管喉部位置引入环向纱线，在喷管扩张段截面渐变位置进行至少一次的减纱操作和移纱操作，在喷管法兰截面突变位置进行一次性的加纱操作，得到变截面三维编织高压喷管预制体。本发明的高压喷管预制体的净形制备方法可以实现高压喷管的近净尺寸整体成型，有效地减少了后期机械加工造成的纤维损伤，保证了喷管力学性能的稳定性；可以大大减轻高压喷管的重量，采用高性能纤维编制喷管预制体，提高预制体的比强度、比刚度和耐疲劳性能。

技术领域

本发明属于高压喷管三维编织方法技术领域，具体涉及三维高压喷管预制体的净形制备方法。

背景技术

喷管是航天发动机中能量转化的重要装置，它将燃烧物产生的热能转化为能够产生推力的动能，喷管的性能对发动机的推重比、强度和安全性等有很大的影响，因此设计出高效能的喷管对发动机至关重要。随着火箭推进技术的发展，发动机喷管的结构和尺寸也有了很大的变化，对喷管的性能也提出了更高的要求：如耐超高温、高压，使用过程中耐热化学腐蚀；结构重量更轻质、成本低、加工性能好、抗冲击热震性好等。目前航天发动机喷管大多采用金属材料或复合材料来制备。相对于复合材料，金属材料密度大，结构笨重，还需降温系统，比模量、比强度低，抗疲劳性能及耐腐蚀性较差等缺点。对于三维编织复合材料，层合复合材料或纱线缠绕复合材料，由于层间没有纱线连接，容易出现分层破坏，层间剪切强度低，抗冲击损伤容限低等缺点；针刺预制体增强复合材料，虽然克服了2D层合复合材料层间结合强度弱的缺点，但与三维编织复合材料相比，由于由短纤维针刺织造，它的剪切强度，断裂强度，承压能力等性能都不及三维编织复合材料，尤其对于航天用发动机高压喷管而言，它的抗剪切强力、耐压能力要求都比较高，而三维编织预制体由连续长纤维织造，其复合材料具有明显的优势，如高比强度、高比模量、良好抗冲击损伤性能，耐疲劳性能、不分层、可设计性强等优点，其纤维增强结构在空间上呈网状分布，可以近净成型地编制各种形状，不存在二次加工造成的损伤。尤其在制造喷管出口锥(喷管扩张段)方面，既能保证材料整体结构完整性，还能满足设计强度要求。

发明内容

本发明的目的是提供三维高压喷管预制体的净形制备方法，该方法可以提高喷管整体的比强度、比模量和抗疲劳性能，尤其针对高压喷管法兰部位的高抗剪切强力和喷管内壁耐高压能力。

本发明采用的技术方案是：三维高压喷管预制体的净形制备方法，以喷管构件扩张段为起始编织截面，按照四步法三维多向编织工艺进行编织，在编织过程中，在喷管法兰部位引入径向纱，在喷管喉部位置引入环向纱线，在喷管扩张段截面渐变位置进行至少一次的减纱操作和移纱操作，在喷管法兰截面突变位置进行一次性的加纱操作，得到变截面三维编织高压喷管预制体。

本发明的特点还在于，

减纱操作为：

在喷管扩张段截面渐变位置，根据截面尺寸的变化，设计相应的减纱次数、截面内的减纱单元位置以及减纱数量，截面内的减纱单元要均匀分布，且每个减纱位置处减纱数量必须是整列或整行减纱结构单元的整数倍，以运动规律重复的最小编织纱排列和数量作为减纱单元，减列减纱操作是将整列减纱结构单元分为多个交错排列的减纱单元，在截面缩减位置处，将所有的减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，悬挂至成型预制体上端，编织两个花节后，再将其在预制件的自由头端剪断；减层减纱操作是在截面厚度缩减处，直接沿最外层纱线，将整行的纱线减掉。

移纱操作为：

在喷管扩张段截面缩减时，将与减纱单元处在相同行、相邻列位置的纱线单元作为移纱单元，将每个减纱位置处交错排列的右侧减纱单元纱线空缺由它左侧相邻的移纱单元平移填充，直至交错排列的右侧减纱单元被填满，出现左侧整列纱线空缺，右侧整列纱线被填平的状态为止。

加纱操作为：