專利名稱：用于派形預(yù)型件的改進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及織造預(yù)型件，特別涉及在加強(qiáng)復(fù)合材料中使用的織造預(yù)型件，這 種織造預(yù)型件可以平織然后折疊成其最終形狀，而不會(huì)在預(yù)型件中產(chǎn)生不想要的線圈。參考引用文中針對(duì)產(chǎn)品所提及的所有專利、專利申請(qǐng)、文檔、引文、廠家使用說(shuō)明、說(shuō)明書(shū)、 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格、以及產(chǎn)品圖表，在此以引用的方式并入本文，并且可以在本發(fā)明的實(shí)踐中采用?，F(xiàn)有技術(shù)當(dāng)前，廣泛使用加強(qiáng)復(fù)合材料來(lái)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)組件，特別在期望結(jié)構(gòu)組件具有重量輕、 牢固、堅(jiān)韌、耐熱、自支撐并且適于形成及成形這些特性的應(yīng)用中。這些組件用在例如航空、 航天、衛(wèi)星、娛樂(lè)(如賽艇、賽車中)以及其他應(yīng)用中。通常這種組件由嵌置在基質(zhì)材料中的加強(qiáng)材料組成。加強(qiáng)組件可以由諸如玻 璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯和/或其他材料制成，這些材料表現(xiàn)出期望的物理性 能、熱性能、化學(xué)性能和/或其他性能，其中首要性能是高強(qiáng)度，以抵抗應(yīng)力失效(stress failure)。通過(guò)使用這種加強(qiáng)材料(其最終成為成品組件的構(gòu)成部件)，將加強(qiáng)材料的期望 特性如極高的強(qiáng)度，賦予成品復(fù)合組件。通常可以將組分加強(qiáng)材料機(jī)織、針織成期望結(jié)構(gòu)和 形狀，或者使其取向成期望結(jié)構(gòu)和形狀，用于加強(qiáng)預(yù)型件。通常會(huì)特別注意保證所選組分加 強(qiáng)材料的性能能夠得到最佳利用。通常將這種加強(qiáng)預(yù)型件與基質(zhì)材料結(jié)合，從而，形成期望 的成品組件，或者制成備料用于最終制成成品組件。在構(gòu)造出期望的加強(qiáng)預(yù)型件之后，可以導(dǎo)入基質(zhì)材料使其進(jìn)入預(yù)型件，從而，典型 地，加強(qiáng)預(yù)型件埋在基質(zhì)材料中，以及，基質(zhì)材料充滿加強(qiáng)預(yù)型件構(gòu)成部件之間的空隙區(qū) 域?；|(zhì)材料可以是廣泛多樣材料中的任意材料，諸如環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳 和/或其他材料，這些材料也表現(xiàn)出期望的物理性能、熱性能、化學(xué)性能和/或其他性能。 選擇用作基質(zhì)的材料與加強(qiáng)預(yù)型件的材料可以相同也可以不同，并且，可以具有或者不具 有相當(dāng)?shù)奈锢硇阅堋嵝阅?、化學(xué)性能和/或其他性能。然而，通常，用作基質(zhì)的材料與加 強(qiáng)預(yù)型件的材料不是相同的材料，也不具有相當(dāng)?shù)奈锢硇阅堋嵝阅?、化學(xué)性能和/或其他 性能，這是因?yàn)樵谑褂脧?fù)合材料時(shí)通常首要目的是在成品中獲得性能的組合，而這種性能 組合無(wú)法通過(guò)單獨(dú)使用一種組分材料獲得。這樣組合后，然后，通過(guò)熱固或其他已知方法， 加強(qiáng)預(yù)型件和基質(zhì)材料可以在相同操作中固化和穩(wěn)定化，然后進(jìn)行生產(chǎn)期望組件的其他操 作。在這一點(diǎn)上應(yīng)當(dāng)注意到，在這樣固化之后，基質(zhì)材料中的硬化團(tuán)塊通常非常牢固地粘附 于加強(qiáng)材料(也就是，加強(qiáng)預(yù)型件)。結(jié)果，特別地，經(jīng)由成品組件中位于纖維之間作為粘合 劑的基質(zhì)材料，成品組件上的應(yīng)力可以有效地傳遞至加強(qiáng)預(yù)型件的組分材料，并由其承受。通常，期望生產(chǎn)出的組件結(jié)構(gòu)不是簡(jiǎn)單幾何形狀，諸如原有的板狀、片狀、長(zhǎng)方體、立方體的簡(jiǎn)單幾何形狀。做到這一點(diǎn)的一種方法是，將這種基本幾何形狀組合成期望的更 復(fù)雜的形式。通過(guò)將如上述方式制成的加強(qiáng)預(yù)型件相對(duì)彼此以一定角度(通常為直角)結(jié) 合，形成一種這樣的典型組合。經(jīng)結(jié)合加強(qiáng)預(yù)型件的這種角形布置的通常目的是產(chǎn)生期望 形狀，以形成包括一個(gè)或更多個(gè)端壁或者例如“T”形交叉的加強(qiáng)預(yù)型件，或者，以加固所得 到的加強(qiáng)預(yù)型件與復(fù)合結(jié)構(gòu)的組合，在暴露于外力諸如壓力或張力時(shí)，這種加固能夠抵抗 此時(shí)產(chǎn)生的偏斜或失效。在任何情況下，相似的考慮是使構(gòu)成組件之間的各接合處盡可能 牢固。加強(qiáng)預(yù)型件組分本身具有期望的極高強(qiáng)度時(shí)，接合處的薄弱實(shí)際上成為結(jié)構(gòu)“鏈”中 的“薄弱環(huán)節(jié)”。美國(guó)專利No. 6，103，337中提出了交叉構(gòu)造的示例，其披露內(nèi)容在此以引用方式 并入本文。該篇引文提出了將兩個(gè)加強(qiáng)板結(jié)合到一起成為T(mén)形的有效措施。為了形成這種接合，過(guò)去已經(jīng)提出了多種其他建議方式。有的建議彼此獨(dú)立地形 成并硬化板件和角形加勁件(angled stiffening)，角形加勁件具有單個(gè)的板接觸面，或者 在其一端分為兩部分以形成兩個(gè)分叉且共面的板接觸面。然后，使用熱固性粘合劑或其他 粘合劑材料，通過(guò)粘附方式粘接，使加勁件的一個(gè)或多個(gè)板接觸面與其他組件的接觸面相 結(jié)合，從而將兩個(gè)部件連接起來(lái)。然而，當(dāng)張力施加于復(fù)合結(jié)構(gòu)的硬化板或表皮時(shí)，由于連 接的有效強(qiáng)度是基質(zhì)材料的有效強(qiáng)度而非粘合劑的有效強(qiáng)度，很低的負(fù)荷就會(huì)導(dǎo)致“剝離” 力，此“剝離”力使加勁件與板件在其界面處分離。在這些組件的界面處無(wú)法使用金屬螺釘或鉚釘，因?yàn)檫@種附加物至少局部破壞并 弱化了復(fù)合結(jié)構(gòu)體自身的完整性，增加了重量，并且?guī)?lái)這些部件與周圍材料之間的熱膨 脹系數(shù)差異。解決這一問(wèn)題的其他方法基于穿過(guò)結(jié)合區(qū)域引入高強(qiáng)度纖維的概念，通過(guò)使用諸 如將一種組件縫合到另一種組件上的方法，依賴于縫合線引入這種加強(qiáng)纖維并使其穿過(guò)接 合點(diǎn)所在位置。美國(guó)專利No. 4，331，495以及其方法分案美國(guó)專利No. 4，256，790示出了這 樣一種方法。這些專利披露的接合點(diǎn)位于由粘合方式粘合的纖維層所制成的第一復(fù)合板與 第二復(fù)合板之間。按現(xiàn)有技術(shù)方式，使第一板在一端分叉，從而形成兩個(gè)分叉且共面的板接 觸面，通過(guò)使未固化的撓性復(fù)合線穿過(guò)兩板進(jìn)行縫合，使第一板的板接觸面與第二板相結(jié) 合。然后，使板和線“共固化”，也就是，同時(shí)固化。美國(guó)專利No. 5，4 ，853中提出了改進(jìn)結(jié) 合強(qiáng)度的另一方法。盡管現(xiàn)有技術(shù)努力改進(jìn)加強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)整體性并取得了成功，特別是在美國(guó) 專利No. 6，103，337中，然而，仍然希望對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，或者，通過(guò)粘合劑或機(jī)械聯(lián)接之外的 其他方法來(lái)解決該問(wèn)題?？紤]到這一點(diǎn)，可通過(guò)專用機(jī)器生產(chǎn)織造三維(“3D”)結(jié)構(gòu)體。 然而，所涉及的花費(fèi)相當(dāng)可觀，而且，需要針對(duì)單一結(jié)構(gòu)體提供織機(jī)，通常這是很難接受的。 不考慮這一事實(shí)的話，可以加工成纖維加強(qiáng)復(fù)合組件的3D預(yù)型件仍是可取的，因?yàn)橄鄬?duì)于 常規(guī)的二維層合復(fù)合材料，3D預(yù)型件提供了增強(qiáng)的強(qiáng)度。在要求復(fù)合材料承載面外負(fù)荷的 應(yīng)用中，這些預(yù)型件尤其有用。然而，以上所討論的現(xiàn)有技術(shù)預(yù)型件，其承受較高的面外負(fù) 荷的能力、在自動(dòng)織機(jī)加工中織造的能力、以及改變預(yù)型件各部分厚度的能力有限。預(yù)型件 織造的織造結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化操作仍處于其初期階段，技術(shù)還不夠成熟，相比于常規(guī)的層合復(fù) 合材料、纖維纏繞復(fù)合材料、或編織復(fù)合材料，目前預(yù)型件織造結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化操作提供的優(yōu) 勢(shì)不夠突出，這些限制了預(yù)型件的廣泛應(yīng)用。
另一方法是織造二維(“2D”)結(jié)構(gòu)體并將其折疊成3D形狀。然而，這通常導(dǎo)致折 疊預(yù)型件時(shí)有一些部分扭曲。因?yàn)榭椩炖w維的長(zhǎng)度與折疊預(yù)型件時(shí)纖維應(yīng)有長(zhǎng)度不同，出 現(xiàn)此扭曲。在織造纖維長(zhǎng)度過(guò)短的區(qū)域中這會(huì)導(dǎo)致淺凹和起伏，而在纖維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的區(qū)域 中則導(dǎo)致彎曲。美國(guó)專利No. 6，874，543中披露了一種3D預(yù)型件織紋結(jié)構(gòu)的示例，在預(yù)型 件的折疊區(qū)域中這種織紋結(jié)構(gòu)會(huì)引起起伏或線圈，該專利的全部?jī)?nèi)容在此以引用的方式并 入本文。因?yàn)槭褂昧怂^的“半緯(half-picks)”，’ 543專利中所披露的織紋結(jié)構(gòu)難以織 造。半緯是指在預(yù)型件寬度上行進(jìn)少于半程的緯紗(或填充)纖維(或紗線)。當(dāng)由織梭 插入此緯時(shí)，將大于預(yù)型件一半寬度的一段纖維連續(xù)地拉離線筒。此過(guò)量纖維在此緯上沒(méi) 有織進(jìn)預(yù)型件，以及，當(dāng)插入下一緯(也是半緯)時(shí)，就有太多的纖維過(guò)剩，并在派(Pi，^O 形腿之間形成線圈。這種效果示意性地示于圖2中。預(yù)型件10具有基底20、兩個(gè)邊緣5和15、以及自基底20伸出的兩個(gè)腿25、35，各 腿25、35具有內(nèi)表面22和外表面102。結(jié)構(gòu)體中各填充纖維14的起點(diǎn)在基底20的第一邊 緣5處，然后延伸至基底20的第二邊緣15，然后朝基底20的中部向回延伸，然后離開(kāi)基底 20的層，并在延伸進(jìn)入一個(gè)腿35的層之前，延伸進(jìn)入另一個(gè)腿25的層。從圖中可以看到， 隨著織梭穿過(guò)預(yù)型件10，將過(guò)量的纖維14拉離線筒，以及，緯紗并沒(méi)有織進(jìn)預(yù)型件20中帶 有半緯的這一側(cè)。所以，當(dāng)織梭向回穿過(guò)預(yù)型件20時(shí)，留下線圈30。填充纖維14之后離開(kāi) 腿25、35的層，向回延伸進(jìn)入基底20的層，回到基底20的第一邊緣5。圖3更具體地說(shuō)明 了這些半緯的使用，其中可以看到，設(shè)計(jì)使用了 5個(gè)織梭運(yùn)作用于一個(gè)完整緯線序列4個(gè) 半緯和1個(gè)全緯。如上所述，這類織梭運(yùn)作不僅降低了織機(jī)上的生產(chǎn)率，而且織造纖維長(zhǎng)度 過(guò)長(zhǎng)的區(qū)域中導(dǎo)致了線圈和波紋。這些扭曲導(dǎo)致不希望出現(xiàn)的表面異常，并降低了預(yù)型件 的強(qiáng)度和剛度(stiffiness)。據(jù)此，對(duì)于3D預(yù)型件而言，存在這樣一種需求，其可以提供一種生產(chǎn)3D預(yù)型件和 /或加強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)體的替代方法和/或改進(jìn)方法，而不在結(jié)構(gòu)體中形成線圈或波紋。
發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的主要目的是，提供一種改進(jìn)質(zhì)量的3D預(yù)型件，而結(jié)構(gòu)體中沒(méi)有線 圈或波紋(起伏)。本發(fā)明的另一目的是提供一種3D預(yù)型件，其設(shè)計(jì)是對(duì)現(xiàn)有預(yù)型件和/或當(dāng)前可得 到的加強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)體的替代品和/或改進(jìn)。本發(fā)明的又一目的是提供一種生產(chǎn)具有更高質(zhì)量的3D預(yù)型件的新穎方法，這種 方法消除了線圈形成，并通過(guò)用三次織梭運(yùn)作取代五次織梭運(yùn)作，減少了織造時(shí)間，從而在 更短時(shí)間內(nèi)提供更好的預(yù)型件。本發(fā)明的又一目的是提供這樣一種3D預(yù)型件，其可以折疊成形，而構(gòu)成此預(yù)型件 的纖維沒(méi)有扭曲。本發(fā)明的又一目的是提供一種3D預(yù)型件，特別可用于形成派形加強(qiáng)復(fù)合材料。這些和其他的目的及優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)本發(fā)明提供的3D織造預(yù)型件實(shí)現(xiàn)，這種3D織 造預(yù)型件可以平織，然后在浸漬樹(shù)脂之前折疊成為其最終形狀，而不會(huì)在纖維中產(chǎn)生不想 要的扭曲。通過(guò)下述方式達(dá)到該目的，在織造期間調(diào)整纖維的長(zhǎng)度，使得預(yù)型件折疊成形時(shí) 纖維長(zhǎng)度相等，在折疊處提供平滑轉(zhuǎn)換。盡管特別適用于派形織造預(yù)型件，這種技術(shù)也可以應(yīng)用于多種形狀。此外，盡管參考織造預(yù)型件進(jìn)行討論，但本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解，這種 技術(shù)可應(yīng)用于非織造例如編織或縫編的預(yù)型件。據(jù)此，本發(fā)明的一種實(shí)施例是一種預(yù)型件，其用于具有三維織紋結(jié)構(gòu)的機(jī)械或結(jié) 構(gòu)連結(jié)，用填充纖維進(jìn)行織造，從而提供經(jīng)向纖維層的層-層互鎖以及各層內(nèi)的纖維互鎖。 織造預(yù)型件通過(guò)定向的纖維轉(zhuǎn)移面外負(fù)荷，從而使層間張力減至最小。本預(yù)型件具有基底 和至少兩個(gè)自基底伸出的腿，基底和腿各自具有至少兩層經(jīng)向纖維。填充纖維按照織造序列前進(jìn)，織造序列攜載填充纖維穿過(guò)基底的一部分，然后進(jìn) 入腿，并最終穿過(guò)基底的相對(duì)部分。腿可以在對(duì)稱分布縱列交點(diǎn)處與位于腿之間的奇數(shù)個(gè) 經(jīng)向纖維縱列相連接。然而，預(yù)型件也可以具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有相等或不等的腿長(zhǎng)度。預(yù) 型件還可以在腿之間具有偶數(shù)個(gè)經(jīng)向纖維縱列，以及，腿可以與基底垂直或非垂直或成一 定角度?；缀?或腿的外端優(yōu)選具有楔形，通過(guò)以階狀圖案終止經(jīng)向纖維層，形成楔形。本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種用在加強(qiáng)復(fù)合材料中的預(yù)型件的形成方法。該預(yù)型件 形成為具有三維織紋結(jié)構(gòu)，用填充纖維進(jìn)行織造，從而提供經(jīng)向纖維層的層-層互鎖以及 各層內(nèi)的纖維互鎖?？椩祛A(yù)型件通過(guò)定向纖維轉(zhuǎn)移面外荷載，從而使層間張力減至最小。預(yù) 型件具有基底和至少兩個(gè)自基底伸出的腿，基底和腿各自具有至少兩層經(jīng)向纖維。填充纖 維按照織造序列前進(jìn)，織造序列帶著填充纖維穿過(guò)基底的一部分，然后進(jìn)入腿，并最終穿過(guò) 基底的相對(duì)部分。腿可以在對(duì)稱或非對(duì)稱分布縱列交點(diǎn)處與位于腿之間的偶數(shù)個(gè)或奇數(shù)個(gè) 經(jīng)向纖維縱列相連接。腿可以與基底垂直或非垂直或成一定角度。為了更好地理解本發(fā)明、其操作優(yōu)點(diǎn)、以及通過(guò)使用本發(fā)明獲得的特定目的，請(qǐng)參 照所附說(shuō)明內(nèi)容，其中示出了本發(fā)明優(yōu)選的非限制性的實(shí)施例。本文中術(shù)語(yǔ)“包含的”和“包含”可以指“包括的”、“包括”，或者可以具有美國(guó)專 利法中通常賦予術(shù)語(yǔ)“包含的”或“包含”的含義。如果在權(quán)利要求中使用，術(shù)語(yǔ)“主要由......構(gòu)成的”或“主要由......構(gòu)成”具有它們歸于美國(guó)專利法中的含義。下文描述本發(fā)明的其他方面，或者，通過(guò)下文描述，本發(fā)明的其他方面(在本發(fā)明的范圍內(nèi))將更為 明了。
附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，附圖并入說(shuō)明書(shū)中，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一 部分。本文給出的附示本發(fā)明的不同實(shí)施例，并與說(shuō)明書(shū)一起來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理。附 圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的派形預(yù)型件的剖視圖，預(yù)型件的腿處于豎立位 置，而凸緣在兩側(cè)；圖2是現(xiàn)有技術(shù)派形預(yù)型件的示意性端視圖，說(shuō)明由于半緯所致的線圈形成；圖3是現(xiàn)有技術(shù)派形預(yù)型件的示意性端視圖，說(shuō)明半緯的形成以及預(yù)型件中的纖 維結(jié)構(gòu)；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的派形預(yù)型件的示意性端視圖，說(shuō)明全緯的形成以 及預(yù)型件中的纖維結(jié)構(gòu)；圖5(a)和圖5(b)分別是圖示根據(jù)本發(fā)明的預(yù)型件和現(xiàn)有技術(shù)中所披露預(yù)型件的 照片；以及
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的派形預(yù)型件的示意性端視圖，說(shuō)明在其中的纖維 結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式圖1、圖4、圖5 (a)和圖6圖示三維預(yù)型件100的優(yōu)選實(shí)施例。將一根或多根填充 纖維114按一定圖案穿過(guò)多根經(jīng)向纖維116織造，形成預(yù)型件100，經(jīng)向纖維116垂直于圖 案的平面延伸。在圖4和圖6中，圖示了形成派形預(yù)型件100所使用的完整圖案，其中填充 纖維114示于頁(yè)面上，而經(jīng)向纖維116示為與頁(yè)面垂直。盡管實(shí)際織成成品預(yù)型件100時(shí) 纖維114、116壓緊在一起，但在結(jié)構(gòu)的示意圖中纖維114、116示為彼此相隔開(kāi)?，F(xiàn)在看圖4，預(yù)型件100中的所有經(jīng)向纖維116大體互相平行，沿經(jīng)向纖維116的 縱向長(zhǎng)度稍有起伏，并且經(jīng)向纖維116排列成大體上豎向縱列。預(yù)型件100優(yōu)選由用于典 型復(fù)合結(jié)構(gòu)體的材料例如玻璃纖維和碳纖維織造而成，并且織成具有基底120以及自基底 120伸出的至少兩個(gè)腿125、135，形成派(π)狀外形。腿125、135可以與基底120垂直、或 非垂直、或成一定角度?；?20和腿125、135各自包含至少兩層經(jīng)向纖維116，并且示為 具有可選的楔形邊緣。盡管腿125、135在使用時(shí)處于直立位置，形成U形夾，例如如圖1所 示，為了易于織造，在織造時(shí)預(yù)型件100中的腿125、135緊靠并覆蓋基底120?；?20示 為具有8層經(jīng)向纖維116，腿125、135示為具有4層經(jīng)向纖維116?？蛇x地，如圖所示，基底120中經(jīng)向纖維116的橫截面面積小于腿125、135中經(jīng)向 纖維116的橫截面面積。通過(guò)僅在基底120中而不在腿125、135中使用較細(xì)的經(jīng)向纖維 116，減少在織機(jī)上織造結(jié)構(gòu)所需時(shí)間，同時(shí)，通過(guò)經(jīng)向纖維116的大量互鎖，仍可在預(yù)型件 100中提供更牢固的基底120?；氐綀D4，預(yù)型件100的織造圖案從基底120的一端105(其示于基底120的左 側(cè))開(kāi)始。在織造序列的典型部分中，在每次向右側(cè)行進(jìn)期間，填充纖維114在一層經(jīng)向纖 維116的上方和下方交替，使該層的經(jīng)向纖維116互鎖。此外，在織造序列的典型部分中， 在每次向左側(cè)行進(jìn)期間，填充纖維114在兩個(gè)相鄰層的經(jīng)向纖維116的上方和下方交替，使 各層彼此互鎖。如圖中所示以及下文所述，織造序列中位于預(yù)型件100邊緣處和外表面處 的部分，包括腿125、135內(nèi)，可以與一般陳述不同。如圖4所示，一般織造序列在位置A處以填充纖維114開(kāi)始，填充纖維114朝基底 120的中央延伸，然后在位置Bl處進(jìn)入一個(gè)腿135的外側(cè)112。填充纖維114然后延伸至腿 135最右端處的位置C。從位置C開(kāi)始，填充纖維114沿相同路線朝基底中央向回織，從基 底中央那點(diǎn)開(kāi)始，填充纖維114向下延伸進(jìn)入基底120，并返回進(jìn)入另一腿125的外側(cè)112， 到達(dá)腿125最左端處的位置D。然后，填充纖維114沿相同路線朝基底120中央向回織，并 在位置B2處返回延伸進(jìn)基底120，穿過(guò)位于腿125、135之間的經(jīng)向纖維116中央縱列，然 后，在返回進(jìn)入基底120位置E處，并到達(dá)基底120另一端115處的位置F。這形成了填充 纖維114的完整織造序列，其基本上將4個(gè)半緯結(jié)合在一起，從而形成3個(gè)全緯，如圖4所 示。以階狀圖案終止經(jīng)向纖維116的層，在基底120和腿125、135上形成楔形邊緣，諸如在 基底120左橫向邊緣上的楔面IM和腿135上的楔面126。為了完成一個(gè)單元或縱向部分，對(duì)經(jīng)向纖維116的相鄰層重復(fù)進(jìn)行填充纖維114 穿經(jīng)預(yù)型件100，直至所有層都互鎖。重復(fù)填充圖案，從而形成相鄰的縱向部分，產(chǎn)生預(yù)型件的連續(xù)長(zhǎng)度。圖6特別示出在派形預(yù)型件100中用于形成腿125、135和基底120的織造圖案。 基底120示為具有8層經(jīng)向纖維116，腿125、135示為具有4層經(jīng)向纖維116，但是該圖案 可以更改成在基底120和腿125、135中有更多層或更少層經(jīng)向纖維。換而言之，基底120 的層可以比各腿125、135的層多，或反之亦然?？椩靾D案提供層內(nèi)經(jīng)向纖維116的互鎖、以 及經(jīng)向纖維層之間的互鎖。通過(guò)使填充纖維114的一部分行進(jìn)越過(guò)第一縱列第一層中的經(jīng) 向纖維116上方，以及穿過(guò)相鄰第二縱列的相鄰第二層(第二層在第一層之下)中的經(jīng)向 纖維下方，使相鄰層互鎖。腿125、135織在水平覆蓋位置中，如圖所示，同時(shí)織造圖案。在 安裝時(shí)，各腿125、135移動(dòng)至直立位置，各腿125、135直立向上時(shí)的寬度包含4層。預(yù)型件100改進(jìn)了現(xiàn)有織造預(yù)型件，其提供的基底120與腿125、135的交點(diǎn)具有 高度對(duì)稱分布?；?20具有3個(gè)經(jīng)向纖維中央縱列以及2個(gè)經(jīng)向纖維隔離縱列，經(jīng)向纖 維隔離縱列是中央縱列任一橫向側(cè)的相鄰縱列。使用奇數(shù)個(gè)中央縱列，能夠允許在中央平 面(其將中央縱列對(duì)稱二等分)的任一橫向側(cè)織造形成近似鏡像，改進(jìn)了基底120內(nèi)負(fù)荷 分配的對(duì)稱性。盡管示為具有3個(gè)中央縱列，預(yù)型件100的優(yōu)選實(shí)施例也可以具有任意奇 數(shù)個(gè)中央縱列，中央縱列的數(shù)量決定腿125、135處于直立位置時(shí)所形成U形夾的規(guī)定寬度。 腿125、135可以與基底120垂直、或非垂直、或成一定角度。為了將來(lái)自腿125、135的負(fù)荷，諸如來(lái)自粘合在直立腿125、135之間部件(未示 出)的負(fù)荷，對(duì)稱引入基底120，將填充纖維114中連接腿125、135的部分分成相等或大致 相等數(shù)量纖維部分的組。在一個(gè)隔離縱列與中央縱列之間、或在一個(gè)隔離縱列和與該隔離 縱列相鄰的其余橫向左側(cè)或右側(cè)縱列之間，各組與基底120相交。例如，如圖6所示，組四 在腿125的層2和層4與基底120之間延伸，在縱列c與縱列d之間與基底120相交。類似 地，組31在縱列d與縱列e之間與基底120相交，組33在縱列g(shù)與縱列h之間與基底120 相交，而組37在縱列h與縱列i之間與基底120相交。這里應(yīng)當(dāng)注意到，盡管本圖示出對(duì) 稱幾何形狀，但本發(fā)明的方法也可以在制造非對(duì)稱構(gòu)造中使用。盡管圖中示出中央縱列27位于預(yù)型件100大致中央處的優(yōu)選部位，但中央縱列 27也可以包括橫向遠(yuǎn)離預(yù)型件100中央的經(jīng)向纖維116縱列。例如，縱列b、c和d可以構(gòu) 成中央縱列，而縱列a和e可以作為隔離縱列。這使腿125、135朝基底120的外緣偏離，然 而，基底120在縱列b、c和d附近的織紋仍可提供對(duì)稱性，以及，使來(lái)自腿125、135的負(fù)荷 對(duì)稱分布進(jìn)入基底120。通過(guò)以短于先前層長(zhǎng)度的方式終止后續(xù)層的經(jīng)向纖維，在預(yù)型件 的外緣上形成斜面，諸如斜面1 和斜面126。例如，圖6示出層5終止在縱列s處，而層6 終止在縱列t處，層5比層6短一根經(jīng)向纖維116。類似地，層6比層7短，以及，各相鄰的 下層重復(fù)此圖案。與經(jīng)向纖維層全部以相同長(zhǎng)度終止的預(yù)型件相比，在基底或直立腿中具 有楔形邊緣的預(yù)型件對(duì)剝離負(fù)荷具有更好的抵抗性。另外，經(jīng)向楔面纖維使用較小纖維尺 寸，使預(yù)型件能夠更平滑地逐步過(guò)渡到與之相結(jié)合的復(fù)合層合體。圖6中的織造圖案用于 基底120的8層經(jīng)向纖維116。完成的織造派形預(yù)型件100示于圖1中，其中腿125、135處于豎向位置，在腿125、 135之間形成U形夾。然而，腿125、135也可以與基底120垂直或非垂直或成一定角度。通 過(guò)重復(fù)完整織造序列，沿預(yù)型件100縱向長(zhǎng)度形成相鄰的豎向部分，織造預(yù)型件100?？椩?加工得到長(zhǎng)度連續(xù)的預(yù)型件100，然后，將其切成期望長(zhǎng)度用于安裝。圖5(a)和圖5(b)中分別示出，根據(jù)本發(fā)明形成的預(yù)型件示例，以及，與之形成比較的在直立腿間帶有線圈的現(xiàn) 有設(shè)計(jì)預(yù)型件。通常，將一類纖維例如碳(石墨)纖維用于經(jīng)向纖維和填充纖維二者，來(lái)織造預(yù)型 件。然而，預(yù)型件也可以為混合織造圖案，其利用的纖維由多種材料諸如碳纖維和玻璃纖維 制成。這些圖案得到具有更高韌性、更低成本和更優(yōu)化熱膨脹性能的預(yù)型件?？椩靾D案包 括的所有經(jīng)向纖維為一種類型而所有填充纖維為另一類型，或者，遍及整層，織造圖案可以 具有交替類型的經(jīng)向纖維和/或填充纖維，經(jīng)向纖維和/或填充纖維排列成例如“棋盤(pán)”圖 案。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括，其能夠織造高強(qiáng)度且容易使用的預(yù)型件，用于將組件裝配進(jìn) 入結(jié)構(gòu)體。改進(jìn)的織紋使各層的經(jīng)向纖維互鎖并使層互鎖，同時(shí)，以高度對(duì)稱方式，通過(guò)預(yù) 型件分布負(fù)荷。通過(guò)在預(yù)型件腿之間的基底中具有奇數(shù)個(gè)經(jīng)向纖維縱列，織造圖案可以相 對(duì)于對(duì)稱中央平面成鏡像。然而，對(duì)于本發(fā)明的實(shí)踐而言這不是必須的。預(yù)型件也可以具 有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有相等或不相等的腿長(zhǎng)度，或者，在預(yù)型件腿之間的基底中，有偶數(shù)個(gè)經(jīng) 向纖維縱列。本發(fā)明還引入了一種新的獨(dú)特織梭運(yùn)作來(lái)生產(chǎn)預(yù)型件，不僅改善了織機(jī)生產(chǎn)率， 而且避免了在預(yù)型件折疊區(qū)域中形成線圈和波紋，這又改進(jìn)了預(yù)型件的強(qiáng)度和剛性(硬挺 性)。據(jù)此，本發(fā)明提供了生產(chǎn)3D預(yù)型件和/或加強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)體的可選方法和/或改進(jìn) 方法，而不在結(jié)構(gòu)體中形成線圈或波紋。因此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了其目的和優(yōu)點(diǎn)，以及，盡管在此披露并具體說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu) 選實(shí)施例，但并不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種形成織造預(yù)型件的方法，所述方法包括以下步驟(a)設(shè)置多個(gè)相鄰層，各層具有多根經(jīng)向纖維，所述經(jīng)向纖維大體互相平行，并形成大 體豎向縱列；以及(b)將多根填充纖維與經(jīng)向纖維層進(jìn)行織造，從而，形成基底和自所述基底伸出的兩個(gè) 腿，所述基底和各腿由至少兩層經(jīng)向纖維形成，所述基底具有第一邊緣和第二邊緣，各腿具 有內(nèi)端和外端，其中，各填充纖維織造為，使得所述填充纖維的起點(diǎn)在所述基底的第一邊緣處，然后， 朝所述基底的中部延伸，然后離開(kāi)所述基底的層，并在返回延伸進(jìn)入所述基底中部之前延 伸進(jìn)入一個(gè)腿的層，以及，然后伸出進(jìn)入另一腿的層，然后，離開(kāi)該腿的層，并返回延伸進(jìn)入 所述基底的層或所述中部，從而延伸至所述基底的第二邊緣，以及其中，所述填充纖維在各腿的所述內(nèi)端處進(jìn)入各腿，并在返回至各腿的所述內(nèi)端之前， 延伸至各腿的外端，所述填充纖維使所述基底的多個(gè)層互鎖，并且使各腿的多個(gè)層互鎖，所 述填充纖維還使各層內(nèi)的所述經(jīng)向纖維互鎖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述經(jīng)向纖維的縱列包括經(jīng)向纖維中央縱列，所 述中央縱列位于將一個(gè)腿和所述基底連接起來(lái)的填充纖維與將另一腿和所述基底連接起 來(lái)的填充纖維之間，所述中央縱列包括奇數(shù)個(gè)縱列，并允許關(guān)于織紋結(jié)構(gòu)對(duì)稱中心面的大 致鏡像織造圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述經(jīng)向纖維的縱列包括經(jīng)向纖維中央縱列，所 述中央縱列位于將一個(gè)腿和所述基底連接起來(lái)的填充纖維與將另一腿和所述基底連接起 來(lái)的填充纖維之間，所述中央縱列包括偶數(shù)個(gè)縱列，并允許關(guān)于織紋結(jié)構(gòu)中心面的大致非 對(duì)稱織造圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述經(jīng)向纖維縱列包括經(jīng)向纖維 隔離縱列，所述隔離縱列與所述中央縱列的橫向相對(duì)側(cè)相鄰，各隔離縱列將所述填充纖維 的多個(gè)部分分成兩組，一組自中央縱列與相鄰的隔離縱列之間延伸至所述基底與所述腿之 間，另一組自所述隔離縱列與所述隔離縱列橫向外側(cè)的縱列之間延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基底比各腿具有更多的層，或反之亦然。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基底和/或所述腿的邊緣形成為楔形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述腿與所述基底垂直、或非垂直、或成一定角度。
8.—種三維預(yù)型件織紋結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)相鄰的層，各層具有多根經(jīng)向纖維，所述經(jīng)向纖維大體互相平行，并且形成大體豎 向縱列；以及多根填充纖維，其織在經(jīng)向纖維層之中，從而，形成基底和自所述基底延伸的兩個(gè)腿， 所述基底和各腿由至少兩層經(jīng)向纖維形成，所述基底具有第一邊緣和第二邊緣，各腿具有 內(nèi)@禾口夕卜@，其中，各填充纖維的起點(diǎn)在所述基底的第一邊緣處，然后朝所述基底的中部延伸，然后 離開(kāi)所述基底的層，并在返回延伸進(jìn)入所述基底中部之前延伸進(jìn)入一個(gè)腿的層，以及，然后 伸出進(jìn)入另一腿的層，然后離開(kāi)該腿的層，并返回延伸進(jìn)入所述基底的層或所述中部，以延 伸至所述基底的第二邊緣，以及所述填充纖維在各腿的所述內(nèi)端進(jìn)入各腿，并在返回至各腿的所述內(nèi)端之前，延伸至 各腿的所述外端，所述填充纖維使所述基底的多個(gè)層互鎖，并使各腿的多個(gè)層互鎖，所述填 充纖維還使各層內(nèi)的所述經(jīng)向纖維互鎖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的織紋結(jié)構(gòu)，其中，所述經(jīng)向纖維的縱列包括經(jīng)向纖維中央縱 列，所述中央縱列位于將一個(gè)腿和所述基底連接起來(lái)的填充纖維與將另一腿和所述基底連 接起來(lái)的填充纖維之間，所述中央縱列包括奇數(shù)個(gè)縱列，并允許關(guān)于織紋結(jié)構(gòu)對(duì)稱中心面 的大致鏡像織造圖案。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的織紋結(jié)構(gòu)，其中，所述經(jīng)向纖維的縱列包括經(jīng)向纖維中央縱 列，所述中央縱列位于將一個(gè)腿和所述基底連接起來(lái)的填充纖維與將另一腿和所述基底連 接起來(lái)的填充纖維之間，所述中央縱列包括偶數(shù)個(gè)縱列，并允許關(guān)于織紋結(jié)構(gòu)中心面的大 致非對(duì)稱織造圖案。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的織紋結(jié)構(gòu)，其中，所述經(jīng)向纖維縱列包括經(jīng)向 纖維隔離縱列，所述隔離縱列與所述中央縱列的橫向相對(duì)側(cè)相鄰，各隔離縱列將所述填充 纖維的多個(gè)部分分成兩組，一組自中央縱列與相鄰的隔離縱列之間延伸至所述基底與所述 腿之間，另一組自所述隔離縱列與所述隔離縱列橫向外側(cè)的縱列之間延伸。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的織紋結(jié)構(gòu)，其中，所述基底比各腿具有更多的層，或反之亦然。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的織紋結(jié)構(gòu)，其中，所述基底和/或所述腿的邊緣是楔形。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的織紋結(jié)構(gòu)，其中，所述腿與所述基底垂直、或非垂直、或成一定角度。
15.一種形成織造預(yù)型件的方法，所述方法包括以下步驟(a)設(shè)置至少一對(duì)相鄰的經(jīng)向纖維基底層用于形成基底，所述經(jīng)向纖維大體互相平行， 并且大體排列成縱列；(b)設(shè)置至少兩層相鄰的經(jīng)向纖維腿層用于形成一對(duì)腿，所述經(jīng)向纖維大體互相平行， 并且大體排列成縱列；(c)在所述基底層與所述腿層間織造至少一根填充纖維，用于使各基底層的經(jīng)向纖維 彼此互鎖，并使所述腿層的經(jīng)向纖維彼此互鎖，借助于所述填充纖維中在各腿與所述基底 之間延伸的部分，在交點(diǎn)處使所述腿與所述基底相連接，兩組填充纖維部分將各腿與所述 基底連接，其中，各填充纖維的起點(diǎn)在所述基底的第一邊緣處，然后朝所述基底的中部延伸，然后 離開(kāi)所述基底的層，并在返回延伸進(jìn)入所述基底中部之前延伸進(jìn)入一個(gè)腿的層，以及，然后 伸出進(jìn)入另一腿的層，然后離開(kāi)該腿的層，并返回延伸進(jìn)入所述基底的層或所述中部，以延 伸至所述基底的第二邊緣；(d)于所述腿與所述基底的交點(diǎn)之間，在所述基底中織造偶數(shù)個(gè)或奇數(shù)個(gè)經(jīng)向纖維中 央縱列；以及(e)設(shè)置與所述中央縱列相鄰的隔離縱列，用于各腿的填充纖維部分組之一與相鄰于 對(duì)應(yīng)隔離縱列一側(cè)的基底相交，在對(duì)應(yīng)隔離縱列的相對(duì)側(cè)，用于各腿的填充纖維部分組中 的另一個(gè)與基底相交。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述基底比各腿具有更多層的經(jīng)向纖維，或反之亦然。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述腿與所述基底垂直、或非垂直、或成一定 角度。
18.一種織造預(yù)型件，包括基底，其具有中央部分和兩個(gè)橫向邊緣； 至少兩個(gè)腿，其自所述基底的一個(gè)表面伸出，其中，所述預(yù)型件織有三維織造圖案，所述基底和各腿由至少兩層經(jīng)向纖維形成，所述 經(jīng)向纖維大體排列成縱列，至少一根填充纖維織在所述經(jīng)向纖維間，用于使所述基底的經(jīng) 向纖維彼此互鎖，并使所述腿的經(jīng)向纖維彼此互鎖，借助于所述填充纖維中在各腿與所述 基底之間延伸的部分，使所述腿在交點(diǎn)處與所述基底相連接，兩組填充纖維部分將各腿與 所述基底連接；所述基底中偶數(shù)個(gè)或奇數(shù)個(gè)經(jīng)向纖維中央縱列位于所述腿與所述基底的交點(diǎn)之間；以及，隔離縱列相鄰于所述中央縱列布置，用于各腿的部分組之一與相鄰于對(duì)應(yīng)隔離縱列一 側(cè)的基底相交，在對(duì)應(yīng)隔離縱列的相對(duì)側(cè)，用于各腿的組中的另一個(gè)與基底相交，其中，各填充纖維的起點(diǎn)在所述基底的第一邊緣處，然后朝所述基底的中部延伸，然后 離開(kāi)所述基底的層，并在返回延伸進(jìn)入所述基底中部之前延伸進(jìn)入一個(gè)腿的層，以及，然后 伸出進(jìn)入另一腿的層，然后離開(kāi)該腿的層，并返回延伸進(jìn)入所述基底的層或所述中部，以延 伸至所述基底的第二邊緣。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的織造預(yù)型件，其中，所述基底比各腿具有更多層的經(jīng)向纖 維，或反之亦然。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的織造預(yù)型件，其中，所述腿與所述基底垂直、或非垂直、或成一定角度。
21.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述腿在長(zhǎng)度上相等或者不等。
22.根據(jù)權(quán)利要求8所述的織紋結(jié)構(gòu)，其中，所述腿在長(zhǎng)度上相等或不等。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的織造預(yù)型件，其中，所述至少兩個(gè)腿在長(zhǎng)度上相等或不等。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種用于加強(qiáng)復(fù)合材料的織造預(yù)型件，這種織造預(yù)型件可以平織然后折疊成形。該預(yù)型件具有三維織紋結(jié)構(gòu)，用填充纖維(114)織造，從而提供經(jīng)向纖維(116)層的層-層互鎖、以及各層內(nèi)的纖維互鎖。至少兩個(gè)腿(125；135)自基底(120)伸出，基底(120)和腿(125；135)各自具有至少兩層經(jīng)向纖維。腿(125；135)可以在對(duì)稱或非對(duì)稱分布的縱列交點(diǎn)處與位于腿之間的偶數(shù)個(gè)或奇數(shù)個(gè)經(jīng)向纖維縱列相連接?；缀?或腿的外端優(yōu)選具有楔形，通過(guò)以階狀圖案終止經(jīng)向纖維的各層而形成楔形。
文檔編號(hào)B29C70/24GK102046865SQ200980119647
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者喬納森·戈林, 肯尼思·韋萊特 申請(qǐng)人:阿爾巴尼復(fù)合物工程股份有限公司