本發(fā)明屬于復(fù)合材料預(yù)制體的三維整體編織，特別涉及一種含通孔的襯經(jīng)2.5d機(jī)織物整體仿形編織方法。

背景技術(shù)：

1、三維機(jī)織復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)整體性好、可設(shè)計性強(qiáng)，以及異型構(gòu)件近凈成形能力等特點。其中，作為增強(qiáng)體的襯經(jīng)2.5d機(jī)織物中多層接結(jié)經(jīng)紗捆綁多層襯經(jīng)紗和緯紗形成不分層結(jié)構(gòu)，其復(fù)合材料厚度方向機(jī)械加工后力學(xué)性能保留率高，有望替代金屬材料用于主承力構(gòu)件。盡管三維機(jī)織復(fù)合材料具備的仿形整體成型能力大大減少了零部件的裝配數(shù)量，但必要的裝配連接仍是不可避免的。螺接、鉚接、膠螺、膠鉚連接方式中的開孔加工，破壞了纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，大大降低了復(fù)合材料構(gòu)件承載能力。因此，有必要提出一種最大限度保持纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、提高材料力學(xué)性能保留率的含孔編織方法。

2、含孔編織隸屬于材料截面變化的一種特殊情況。關(guān)于三維機(jī)織/編織變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在一些專利中進(jìn)行了相關(guān)研究。2004年，專利“一種用于復(fù)合材料的變截面三維立體織物的織造方法(cn1540052a)”中提出通過逐漸減少接結(jié)紗交織的經(jīng)緯紗層數(shù)，使未被接結(jié)紗交織的經(jīng)緯紗浮于織物之外，實現(xiàn)三維正交機(jī)織預(yù)制體厚度逐漸變小。2005年，專利“變截面預(yù)成型制件的三維編織方法及其制件(cn1651627a)”中提出通過編織紗的移動、并股、減細(xì)或增紗、分股和再移動等方式完成變截面預(yù)制件的整體三維編織。2006年，專利“一種可使編織成型方向折轉(zhuǎn)的三維整體編織方法(cn1827888a)”中提出通過逐漸減少參加編織的紗線列數(shù)，實現(xiàn)橫截面尺寸逐漸變小。2006年，專利“一種多向預(yù)成型制件的三維整體編織方法(cn1827887a)”中提出在第一成型方向編織到與第二成型方向輪廓線相交位置時，預(yù)留引出第二成型方向編織所需紗線，同時預(yù)留加入相同數(shù)量紗線供第一成型方向繼續(xù)編織，從而實現(xiàn)多向預(yù)成型制件的整體編織。2008年，專利“2.5維整體編織多通管織物的編織方法(cn101503838a)”中提出，將經(jīng)紗在經(jīng)紗列間移動，使加、減紗點分散至多列經(jīng)紗列，以此改善整列加、減紗導(dǎo)致的孔洞現(xiàn)象。2008年，專利“多向預(yù)成型編織件及其三維整體編織方法(cn101586285a)”中提出，將第一成型方向引紗區(qū)紗線引出端和加紗區(qū)預(yù)留端紗線作為第二成型方向的編織紗線，實現(xiàn)多向預(yù)成型件的整體三維編織。2010年，俞建勇等在專利“變截面三維編織預(yù)型件的凈形制備方法(cn102011269a)”中提出減去預(yù)制體內(nèi)部一列或多列、一行或多行紗線，并通過平移使與減紗位置相鄰的外側(cè)紗線逐漸填充被減紗的空缺，實現(xiàn)預(yù)制體截面寬度、厚度縮減。2011年，專利“三維編織異形預(yù)制件的添紗編織方法(cn102051763a)”中，提出將m列或n行(m，n≥2)添紗錠子上的紗線及外側(cè)紗線向外移動m列或n行，當(dāng)添紗錠子上無紗線時進(jìn)行添紗。2012年，專利“2.5維與2.5維衍生結(jié)構(gòu)組合單元體的編織方法(cn103014998a)”中，提出將相鄰層接結(jié)經(jīng)紗合股或雙股紗線分股形成兩層紗線，使經(jīng)、緯層數(shù)減少或增加，從而實現(xiàn)織物厚度變化。2013年，專利“基于主動攜紗器的三維變截面積編織預(yù)制件的減紗和加紗方法(cn103437064a)”中提出沿著截面邊封閉曲線增加或減少主動攜紗器數(shù)目，以實現(xiàn)三維變截面積預(yù)制件的凈尺寸編織。2013年，專利“一種機(jī)織2d+2.5d仿形織物組合織物及成型方法(cn103266391a)”中提出采取逐漸對邊緣經(jīng)紗列減紗實現(xiàn)桶狀變截面織物的仿形成型。2015年，朱建勛等在專利“一種內(nèi)部分拆合并紗束的層連織物整體編織方法(cn104790117a)”中，提出將一列或多列紗錠上的多股紗分拆成單股紗，并移至相鄰列紗錠，或?qū)⒍嗔屑嗗V上的紗線合并到一列紗錠上，實現(xiàn)材料橫截面漸變寬漸變薄以及漸變窄漸變厚。2017年，專利“一種截面漸減的2.5d角聯(lián)鎖預(yù)制件織造方法(cn107740220a)”中提出采用減紗、移紗、紗線換筘的方法實現(xiàn)預(yù)制體截面漸減。2018年，專利“一種行列變換變截面預(yù)成型制件的三維編織方法及制件(cn108998888a)”中提出在不增、減紗的前提下，僅通過行列之間的相互變換完成新截面的排列，實現(xiàn)三維編織預(yù)制體沿長度方向橫截面的變化。2018年，專利“一種2.5d仿形機(jī)織套的經(jīng)紗排列方法及仿形機(jī)織套(cn109537137a)”中提出由主體經(jīng)紗兩側(cè)向邊緣以梯度遞減方式排布經(jīng)紗的布紗方法，采用該方法制備了2.5d圓筒形仿形機(jī)織套。2023年，專利“一種航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片預(yù)制體及其仿形制備方法(cn117005081a)”中提出通過增減經(jīng)紗列數(shù)實現(xiàn)緯向?qū)挾茸兓?、增減經(jīng)紗層數(shù)實現(xiàn)經(jīng)、緯向厚度變化。2023年，專利“一種纖維取向可調(diào)的變厚度耦合結(jié)構(gòu)預(yù)制體及其制備方法(cn117166118a)”中提出通過減少內(nèi)層緯紗層數(shù)并剪斷相應(yīng)經(jīng)紗和襯經(jīng)紗使織物厚度沿預(yù)制體長度方向逐漸減小，將低厚度區(qū)域的部分襯經(jīng)沿面內(nèi)偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成斜向紗，實現(xiàn)帶斜向紗變厚度三維機(jī)織預(yù)制體的織造。2024年，在專利“一種降低薄形2.5d預(yù)制體加紗孔洞的編織方法(cn117888278a)”中，提出將加紗列的相鄰列部分經(jīng)紗移至其空紗錠，再對加紗列剩余空紗錠和其相鄰列空紗錠進(jìn)行加紗，利用列間移紗的“阻擋”作用，來彌補(bǔ)貫穿性空洞。

3、2007年，論文《變截面三維編織預(yù)制件的增減紗機(jī)制》中研究了減小紗線細(xì)度、減少截面變化處紗線數(shù)量的減紗機(jī)制，建立了減紗工藝三維編織預(yù)制件的纖維束交織結(jié)構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)兩種減紗工藝的預(yù)制體表面均無通透性空洞缺陷。2018年，論文《含變異結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料的軸向拉伸性能》中采用加紗、減紗、移紗相結(jié)合的方法，制備了4種帶有變異結(jié)構(gòu)的等截面2.5d機(jī)織復(fù)合材料試樣，材料拉伸強(qiáng)度和拉伸模量保留率分別大于93％和88％。2021年，論文《典型多向2.5d機(jī)織預(yù)制體近凈形編織結(jié)構(gòu)設(shè)計》中針對襯經(jīng)2.5d機(jī)織結(jié)構(gòu)，在織造過程中，將預(yù)制體內(nèi)層經(jīng)紗/接結(jié)經(jīng)紗沿厚度方向引出至表面，同時在引出位置加入一根紗線替代引出紗線參與后續(xù)織造。以紗線類型、引出引入次數(shù)，以及引出時綜框的狀態(tài)為變量，提出了五種引紗加紗方法。由此方法制得的五種復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲模量保留率分別達(dá)到82.6％～95.7％和89.1％～97.9％。

4、2018年，論文《x-ray?3d?microscopy?analysis?of?fracture?mechanisms?for3dorthogonal?woven?e-glass/epoxy?composites?with?drilled?and?moulded-inholes》中，通過在相鄰經(jīng)紗列和相鄰緯間插入圓柱銷釘?shù)姆椒ㄖ频脭D孔玻璃/環(huán)氧三維正交機(jī)織復(fù)合材料。相較于鉆孔復(fù)合材料，擠孔復(fù)合材料拉伸和彎曲強(qiáng)度保留率提高了20％-30％。2020年，論文《improving?the?open-hole?tension?characteristics?withvariable-axial?composite?laminates:optimization,progressive?damage?modelingand?experimental?observations》中基于主應(yīng)力矢量和直接纖維路徑優(yōu)化方法設(shè)計了兩種紗線環(huán)孔路徑方案，采用定制化纖維鋪放(tfp)技術(shù)將連續(xù)紗線按設(shè)計路徑固結(jié)于基材之上。根據(jù)兩種設(shè)計方案得到的含孔復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度保留率分別為68.15％和97.98％，比鉆孔試樣分別高20.47％和50.3％。2024年，在論文《experimental?and?numericalanalysis?of?drilled-and?molded-hole?glass?fiber?reinforced?polymer?matrix(gfrp)composites》中，采用擠孔工藝制得的復(fù)合材料試樣斷裂位置出現(xiàn)在非孔周區(qū)域，拉伸強(qiáng)度比鉆孔試樣高12％。

5、綜上，三維機(jī)織/編織變截面設(shè)計方法包括：(1)改變截面變化區(qū)域紗線細(xì)度，即紗線增粗、減細(xì)，通常采用并股和合股紗分股的方式。(2)改變截面變化區(qū)域參與編織的紗線數(shù)量，即加、減紗，在減紗數(shù)量一定的情況下，減去整列所有行紗線，或者多列部分行紗線。(3)改變紗線路徑，包括緯向經(jīng)紗列間移紗，厚度方向面外引紗、面內(nèi)加紗。(4)上述三種方法的組合?，F(xiàn)有變截面設(shè)計方法大多是針對材料整個截面發(fā)生變化的情況，小區(qū)域截面變化的設(shè)計方法較少。對于三維機(jī)織/編織預(yù)留通孔設(shè)計方法，目前僅有少量報道，大多是通過使用圓柱形芯模擠開纖維，形成圓孔。擠孔復(fù)合材料保持了增強(qiáng)纖維的連續(xù)性，強(qiáng)度保留率相比鉆孔復(fù)合材料有一定提升。但擠孔工藝可控性及設(shè)計性較弱，對于同時存在高經(jīng)、緯密及較大孔徑的情況，可能會導(dǎo)致操作困難、孔周織物表面紗線凸起嚴(yán)重。采用tfp技術(shù)按照設(shè)計的纖維路徑鋪放增強(qiáng)纖維似乎是實現(xiàn)孔周增強(qiáng)的最優(yōu)解，優(yōu)化增強(qiáng)纖維路徑后強(qiáng)度保留率幾乎能到達(dá)100％，但目前該技術(shù)局限于鋪層復(fù)合材料。因此，如何在保持三維機(jī)織/編織預(yù)制體纖維連續(xù)性的同時，根據(jù)開孔三維機(jī)織/編織復(fù)合材料在承載時的應(yīng)力分布對孔周纖維路徑、體積含量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)最大力學(xué)性能保留率是含通孔編織方法的重點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題提供一種含通孔的襯經(jīng)2.5d機(jī)織物整體仿形編織方法，該編織方法為了實現(xiàn)整體纖維結(jié)構(gòu)連續(xù)不間斷，基于孔徑與經(jīng)向紗密度關(guān)系以及最小化紗線空間路徑變化原則，提出了移紗-加紗方法，將原本需要在孔位置切斷的經(jīng)向紗，通過逐層分次移紗，移至孔周其它經(jīng)向紗列中。采用加紗方法使得移紗前后，移紗位置纖維體積含量不變。移紗還增加了孔周區(qū)域的纖維體積含量，能夠減弱孔周應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了含通孔襯經(jīng)2.5d機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2、本發(fā)明包括如下技術(shù)方案：

3、一種含通孔的襯經(jīng)2.5d機(jī)織物整體仿形編織方法，包括以下步驟：s1、根據(jù)織物的經(jīng)密以及通孔直徑確定需要移紗的經(jīng)紗列數(shù)；s2、根據(jù)總移紗根數(shù)設(shè)計移紗次數(shù)以及每次移紗的根數(shù)；s3、在開口運動后，按照設(shè)計的移紗方案移紗并換筘，移紗換筘操作每隔一緯執(zhí)行一次；每次移紗后，在移紗列空缺紗線的位置上加入同種紗線，紗線一端與紗架相連，另一端懸掛于預(yù)制體外部，加入的紗線代替移出的紗線參與后續(xù)織造；s4、當(dāng)移紗列紗線全部移走后，將加入的紗線從紗架上取下并懸掛于預(yù)制體外部，在孔中心線位置放置在厚度方向貫穿織物的圓柱芯模，芯模與相鄰多層經(jīng)、緯紗擠壓，形成孔周紗線逐層包繞的通孔結(jié)構(gòu)；s5、重新由織物外部引入紗線填補(bǔ)移紗列空缺，將移走的紗線按照“后移走的紗線先移回”的方式每隔一緯移回一次；紗線移回至移紗列時，先將該紗線對應(yīng)位置處加入的紗線引出織物外部，然后移回的紗線替代引出的紗線回到初始位置，待所有紗線移回后，剪斷殘留在預(yù)制體外表面的紗線(該紗線也可稱為加紗)，至此，編織操作結(jié)束。

4、進(jìn)一步的，所述s1中的經(jīng)紗列數(shù)為nwp，其中pwp為織物的經(jīng)紗，pbi為織物的接結(jié)經(jīng)密。

5、進(jìn)一步的，所述s2中具體移紗次數(shù)、每次移紗根數(shù)根據(jù)開孔2.5d機(jī)織復(fù)合材料承載時的應(yīng)力分布進(jìn)行設(shè)計。

6、進(jìn)一步的，所述s3中的移紗換筘間隔的緯數(shù)由最小周期循環(huán)數(shù)決定；2.5d機(jī)織物及襯經(jīng)2.5d機(jī)織物的最小周期循環(huán)數(shù)為2，間隔的緯數(shù)為1。

7、進(jìn)一步的，所述s3中的移紗之后進(jìn)行換筘，紗線退出原本所在筘齒，換入目標(biāo)列筘齒。

8、進(jìn)一步的，所述s3中的移紗操作基于移紗前后紗線空間位置變化最小原則，具體包括以下操作：ⅰ、移紗時，以孔中心線為對稱軸，對稱軸左側(cè)移紗列紗線向左移紗，對稱軸右側(cè)移紗列紗線向右移紗；ⅱ、移紗在緯向，每次移紗的目標(biāo)列為該紗線所在列的相鄰列，即每次移動一個經(jīng)向紗列位置；ⅲ、每次移紗時選取最靠近織物中間層的經(jīng)向紗，以保證移紗列結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、織物表面光潔平整；ⅳ、紗線從移紗列移至目標(biāo)列，且移紗列為低接結(jié)經(jīng)紗列，則上移一個經(jīng)紗層位置至目標(biāo)列紗線上方；ⅴ、紗線從移紗列移至目標(biāo)列，且移紗列為高接結(jié)經(jīng)紗列，則下移一個經(jīng)紗層位置至目標(biāo)列紗線下方；ⅵ、紗線從移紗列移至目標(biāo)列，且移紗列為經(jīng)紗列，若目標(biāo)列為高接結(jié)經(jīng)紗列，則上移一個經(jīng)紗層位置至目標(biāo)列紗線上方，否則下移一個經(jīng)紗層位置至目標(biāo)列紗線下方；ⅶ、紗線在不包含移紗列的列間移紗時，在層內(nèi)水平移動，不改變紗線層位置，移紗前后紗線位于同一經(jīng)向紗層。

9、進(jìn)一步的，所述高接結(jié)經(jīng)紗列與低接結(jié)經(jīng)紗列之間相差兩個紗線層高度，相對位置較高的一組稱作高接結(jié)經(jīng)紗列，另一組稱作低接結(jié)經(jīng)紗列。

10、進(jìn)一步的，所述s3中加紗時，若加紗所在列屬于低接結(jié)經(jīng)紗列，則由織物上表面外部引入，若加紗所在列屬于高接結(jié)經(jīng)紗列，則由織物下表面外部引入，若為經(jīng)紗，則從織物上表面或下表面外部引入均可。

11、進(jìn)一步的，所述s3中非首次移紗時，移紗按照移紗歷史的先后順序進(jìn)行；按照“先前步移出的紗線先移紗”的方式，首先將先前移紗步移出的紗線進(jìn)一步往相鄰列進(jìn)行移紗，再將當(dāng)前移紗步新增的移出紗線往相鄰列移紗。

12、進(jìn)一步的，所述s5中移回紗線是移出紗線的“逆過程”，遵循“后移出的紗線先移回”原則，即在緯向越靠近孔中心線的紗線越先被移回。

13、本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果：

14、1、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過將孔與織物相交區(qū)域的經(jīng)向紗分層逐次移往孔周區(qū)域，保證了纖維束增強(qiáng)骨架的整體性和增強(qiáng)纖維束的連續(xù)性。

15、2、本發(fā)明采用多步逐層移紗的方式移至孔周其它列中給孔預(yù)留出一個合適的空間，避免孔周織物厚度突變，同時使孔周纖維體積含量隨移紗的進(jìn)行緩慢均勻增加；本發(fā)明從中間層紗線優(yōu)先開始移動，以保證移紗列結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、織物表面光潔平整且結(jié)構(gòu)完整。

16、3、為了避免剪斷紗線導(dǎo)致的強(qiáng)度降低，本發(fā)明采用移紗-加紗方法使得移紗前后，移紗位置纖維體積含量不變；采用本發(fā)明的方法移紗后，孔周纖維體積含量的增加以及環(huán)孔路徑的形成，進(jìn)一步緩解了孔周應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使含孔復(fù)合材料強(qiáng)度保留率盡可能接近100％。

17、4、采用本發(fā)明得到的含通孔襯經(jīng)2.5d機(jī)織物交織結(jié)構(gòu)整體性好，可設(shè)計性強(qiáng)，保證了其增強(qiáng)的復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)整體性和承載性能。