基于数字化导向模板的三维织造中空结构预制体及其成形方法
技术领域
本发明属于复合材料三维织造技术领域，具体涉及三维织造中空结构预制体及成形方法。
背景技术
夹心复合材料具有比强度、比模量高，耐疲劳、抗震性好等特点，并能有效地吸收冲击载荷，轻质高效，同时可实现多功能集成，如防隔热一体化、隔震降噪一体化等。传统夹心结构一般采用面板与芯材相粘合的方式制造，因而导致粘结部位结合能力较差，整体力学性能受到限制。
三维织物成形技术采用机织、编织、针织等方法，将纤维织造成空间立体形状，得到预制体，后与基体复合，所得复合材料力学性能优异，抗分层，且可设计性强。随着三维织物成形技术的发展，其为三维整体夹心复合材料的制造提供了一种新途径，即先采用三维织物成形技术制作一体化中空结构预制体，然后在预制体中浸入树脂、金属基体或渗入碳陶基体，最后在中空部分填充芯材，构成夹心复合材料，与传统夹心复合材料相比，其力学性能大为提高，在航空航天、轨道交通、船舶、体育用品等领域有着广泛的应用前景。
本专利提供一种柔性织造方法，能够实现中空结构预制体的一体化柔性织造，可根据实际需求，灵活控制结构参数，提高综合承载性能。
发明内容
具体涉及一种三维织造中空结构预制体及其成形方法，所成形中空结构预制体具有很高的设计柔性，既可成形厚度较大的中空板，整体厚度可达150mm，又可成形厚度较薄的中空板，厚度可达3mm。
基本成形原理为：利用导向柱模板，用纤维在其间布放，分层织造中空预制体的上面板，下面板，再织造中间的支撑芯子，最后用纱线替换连接导向柱，从而连接上面板、下面板、中间芯子，一体化织造成形中空结构预制体。
为了实现上述目的，本发明的基于数字化导向模板的三维织造中空结构预制体及其成形方法按以下步骤进行：
步骤1：根据设计要求，运用导向阵列分层织造上面板，在芯子织造区域预留导向针；
步骤2：根据设计要求，运用导向阵列分层织造下面板，在芯子织造区域预留导向针；
步骤3：根据设计要求，以上面板或下面板为基面，在预留导向针区域织造芯子；
步骤4：将上下面板的预留导向针重合，移动上面板或下面板，使上面板、下面板、连接芯三者紧密接触；
步骤5：替换预留导向针阵列为纱线,纱线连接上面板、下面板、连接芯子，完成中空预制体整体织造。
采用以上所述的技术方案，有以下优点：
1.实现纤维中空结构预制体的一体化成形，成形方法简易；
2.能够实现中空织物的柔性织造，上下面板厚度，纤维种类，织物结构等参数均能根据要求设计成形；
3.芯子的结构可以灵活设计，既可以是点阵形、筋肋形、环形，又可以是以上几种的混合，同时能够实现多层中空结构的成形。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1中点阵式中空结构预制体结构示意图；
图2基于数字化导向模板的织物成形方式；
图3带预留阵列面板及芯子的成形流程图；
图4上面板、芯子、下面板一体化成形中空结构预制体示意图；
图5含导向阵列棒的芯子示意图；
图6点阵式中空结构预制体示意图,部分举例；
图7筋肋式中空结构预制体示意图，部分举例；
图8环状式中空结构预制体示例图，部分举例；
图中：1、中空预制体上面板；2、中空预制体芯子；3、中空预制体下面板；4、纵向纤维；5、横向纤维；6、导向棒；7、纵向及横向铺放纤维；8、导向棒固定板；9织造的上面板或下面板；10织造成形后预留导向阵列的面板；11、织造芯子；12、带导向棒的上面板；13、带导向棒的下面板及芯子；14、替换出的导向棒阵列；15、成形的中空预制体；16、芯子成形导向棒阵列；17、成形芯子的铺放纤维；18、示例上面板；19、六边形芯子；20、示例下面板；21、“工”字形芯子；22、“十”字形芯子；23、“筋”形芯子；24、“鱼骨形”芯子；25、“波纹状”芯子；26、内多边环状形芯子；27、外多边形环状芯子；28、多边形空心芯阵列；29、蜂窝芯。
具体实施方式
本发明提出的基于数字化导向模板的三维织造中空预制体及其成形方法如图1-8所示，如图1中显示，三维中空预制体的成形包括三个区域部分，上面板1、中间支撑芯2、下面板3。
首先根据中空预制体的设计需求，利用导向棒阵列分层编织上面板与下面板，如图2所示，横向纤维4与纵向纤维5沿导向棒6组成的阵列铺放成形，导向棒6由导向棒固定板8定位，铺放纤维7层层堆叠成形，得到上面板与下面板，上、下面板及中间支撑芯的织造结构可以采用单一机织结构或混合结构，也可以采用梯度结构，上面板与下面板的厚度可以相同或不同。
随后，如图3所示，在上面板或下面板9上预留中间支撑芯导向棒区域10，以下面板预留导向棒分层织造中间支撑芯11，图3中以点阵式夹心结构为例，显示了点阵式芯子的成形过程。
在图4所示，将上一步织造成形的带有预留导向阵列的上面板12，及带有预留导向阵列的芯子13与下面板14，通过导向阵列，在导向阵列方向移动并紧密结合，最后将导向阵列各导向棒替换为纤维，替换纤维在厚度方向连接各部分，最终得到中空结构预制体15。图5所示为矩形点阵中芯子的结构图，16为预留导向阵列，17为成形芯子的铺放纤维。用于织造的纤维4、6、17包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等中的一种或多种，纤维的规格也可以根据使用要求进行选择，如3K、6K。
中间支撑芯形状与数量可以实现多种设计，从而得到不同种类的中空结构，包含点阵、筋肋、环状等结构，其成形过程与图3，图4，图5中矩形芯点阵式中空预制体结构成形方法类似。
点阵式结构，其芯子主体由离散的单元组成，单元形状可为矩形、多边形、十字形等，多个单元排布，可以是矩形排布或环形排布，即构成点阵式支撑中空结构，如图6所示，列举了六边形芯子19，“工”字形芯子21，“十”字形芯子22所形成的点阵结构，18为上面板、20为下面板。
筋肋式结构，其芯子主体形状由筋肋组成，最终区域为筋肋式布局，如图7所示，列举了“筋”形芯子23，“鱼骨形”芯子24，“波纹状”芯子25分别构成的夹筋中空织物。
环状式中空结构，其芯子主体形状可以是闭环结构，也可以是相切环，相交环，相离环，如图8所示，列举了内多边环状形芯子26，外多边形环状芯子27，多边形空心芯阵列28，蜂窝芯29所分别构成的中空结构预制体。
