三维编织多边形芯格预制体制备及其形状控制方

本发明属于高性能纤维织造，具体来说涉及一种三维编织多边形芯格预制体制备及其形状控制方法。背景技术：1、为满足空天设备的材料性能需求，研发高比强度、高比模量、低密度的复合材料成为重点领域。多边形芯格结构材料具有重量轻、孔隙率大密度低等特点，成为航空用复合材料芯层材料的重要组成部分。目前广泛采用的多边形芯格材料以单层结构粘结为主，多边形芯格w向壁间节点性能弱，形成结构弱环。随着空间探索领域的发展，该结构已经难以满足性能要求。2、为了改善现有多边形芯格结构w向壁间连接性能弱的问题，现通过利用三维编织得到具有w向层间连接的多边形芯格预制体，如图1所示(多边形芯格为六边形)，多边形芯格预制体由相同单胞按阵列排布并连接而成，单胞内形成有开口，以该结构作为增强材料进一步制备多边形芯格复合材料。3、针对三维编织工艺，四步法是三维编织的整体工艺基础方式，四步法三维编织是目前较为成熟的异形结构预制体一体成型工艺。四步法三维编织采用携纱器带纱，在笛卡尔机床上依照规律进行x向与y向的运动。通过携纱器上携纱盘沿x，y轴的环状运动形成整体编预制体，图2为携纱器编织运动轨迹图。当控制某列携纱器只允许其进行沿单y轴的运动的固定列，就会在预制体内部形成分裂产生多片织物，通过控制固定列间隔和固定列位置，可以形成孔洞的开裂与闭合，最终生成多边形芯格预制体。4、现有技术中，虽然已经实现多边形芯格结构织物的织造，由于在实际加工中普遍采用半自动生产模式进行织造织物的形状控制与编织参数控制，成为了影响多边形芯格织物性能稳定的重点问题。现有四步法三维编织多边形芯格技术中采用芯模随工成型方式(芯模随工成型方式：即在织造过程中每完成一行单胞向该行单胞内插入芯模)进行多边形芯格织物成型(如图1)。这种成型方式在重力与张力作用下，会产生较大的织物变形，形成张力误差(如图3中的a和图4所示)。这种张力误差受到编织工艺、操作技术和成型技术的影响，难以预测、控制并补正。最终导致多边形芯格结构成型不精确，严重影响了成品材料的性能，限制使用场景。5、例如：公开号为cn115058825a(申请号202210635648.0)的专利公开了一种多边形芯格芯结构的三维编织方法，通过平面携纱器转动，将纤维束相交织，使得纤维束形成垂直装多边形芯格结构。cn115976729a(申请号202211730601.9)公开了一种采用阵列装备编织大尺寸多边形芯格预制体及制备方法，涉及四步法三维编织工艺，形成多边形芯格状预制体。上述申请并未涉及三维编织多边形芯格结构形状控制设计，欠缺对成型多边形芯格结构的结构设计与控制，形成加工参数的不稳定，最终造成结构缺陷。技术实现思路1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三维编织多边形芯格预制体制备方法。该三维编织多边形芯格预制体制备方法采用机上控形，机下成形的方式进行多边形芯格预制体成型。2、本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。3、一种三维编织多边形芯格预制体制备方法，多边形芯格预制体由相同单胞按阵列排布并连接而成，单胞内形成有开口，单胞的结合边的长度为lb，单胞的自由边的长度为lf；三维编织多边形芯格预制体制备方法包括以下步骤：4、步骤1，采用三维编织四步法编织预制体，其中，预制体沿其宽度方向形成有多列第一织物开口组和多列第二织物开口组，每两个相邻的第一织物开口组之间设置有一列第二织物开口组，第一织物开口组为沿编织方向在预制体上间隔形成的第一织物开口，第二织物开口组为沿编织方向在预制体上间隔形成的第二织物开口，第一织物开口和第二织物开口均为织物开口，第一织物开口和第二织物开口均为缝隙，第一织物开口和第二织物开口的长度相同且均为l，每个第一织物开口的上部与其相邻两侧第二织物开口组中各一个第二织物开口的下部相对且相对部分的预制体为上重合部，上重合部的长度为lf，每个第一织物开口的下部与其相邻两侧第二织物开口组中各一个第二织物开口的上部相对且相对部分的预制体为下重合部，下重合部的长度为lf，每个第一织物开口与其相邻两侧第二织物开口组中第二织物开口不相对部分为第一不重合部，第一不重合部的长度为lb＝l-2lf；每个第二织物开口与其相邻两侧第一织物开口组中第一织物开口不相对部分的预制体为第二不重合部，第二不重合部的长度为lb；5、三维编织四步法编织包括：第一多边形芯格结合边成型阶段、第一多边形芯格自由边成型阶段、第二多边形芯格结合边成型阶段和第二多边形芯格自由边成型阶段，第一多边形芯格结合边成型阶段用于形成预制体中第二不重合部；第一多边形芯格自由边成型阶段用于形成预制体中上重合部；第二多边形芯格结合边成型阶段用于形成预制体中第一不重合部；第二多边形芯格自由边成型阶段用于形成预制体中下重合部；6、在完成第二多边形芯格自由边成型阶段且第一织物开口未封口时，向该行未封口的第一织物开口放入孔径尺寸控制片，孔径尺寸控制片与第一织物开口的长度方向平行；7、在完成第一多边形芯格自由边成型阶段且第二织物开口未封口时，向该行未封口的第二织物开口放入孔径尺寸控制片，孔径尺寸控制片与第二织物开口的长度方向平行；8、向预制体放入全部的孔径尺寸控制片后，任意相邻两行孔径尺寸控制片的相对部分沿编织方向的长度为lf，在同一列上的每相邻两行孔径尺寸控制片的相互靠近的边缘沿编织方向的长度为lb；孔径尺寸控制片的厚度小于2mm；9、步骤2，三维编织四步法结束后，按行取出孔径尺寸控制片，并将取出孔径尺寸控制片的该行第一织物开口/第二织物开口内各填充一芯模，以使芯模填充入第一织物开口/第二织物开口内并使第一织物开口/第二织物开口分别形成多边形芯格预制体的单胞开口，得到多边形芯格预制体。10、在步骤2中，通过开口辅助工具将芯模填充入第一织物开口/第二织物开口。11、在步骤1中，对于第一多边形芯格结合边成型阶段，携纱器的固定列的列号为：第1列、最后1列及所有携纱器列号x符合下述公式的列：12、(x-1)/(2*nt+2)＝整数13、对于第一多边形芯格自由边成型阶段，携纱器的固定列的列号为：第1列、最后1列及所有携纱器列号x符合下述公式的列：14、(x-1)/(nt+1)＝整数15、对于第二多边形芯格结合边成型阶段，携纱器的固定列的列号为：第1列、最后1列及所有携纱器列号x符合下述公式的列：16、(x+nt)/(2*nt+2)＝整数17、对于第二多边形芯格自由边成型阶段，携纱器的固定列列号与第一多边形芯格自由边成型阶段相同；18、其中，nt为多边形芯格预制体中单一自由边对应的携纱器列数。19、在步骤1中，当蜂窝芯格开口θ为锐角或直角时，三维编织多边形芯格预制体制备方法中结合边的花节长度lb′和三维编织多边形芯格预制体制备方法中自由边的花节长度lf′如下：20、lb′＝[kb/(kb-1/2)]*lb21、lf′＝[kf/(kf+1/2)]*lf22、当蜂窝芯格开口θ为钝角或平角时，三维编织多边形芯格预制体制备方法中结合边的花节长度lb′和三维编织多边形芯格预制体制备方法中自由边的花节长度lf′如下：23、lb′＝[kb/(kb-1)+(1/2*tb)/kb]*lb24、lf′＝[kf/(kf+1)]*lf25、当蜂窝芯格开口θ＞180度时，三维编织多边形芯格预制体制备方法中结合边的花节长度lb′和三维编织多边形芯格预制体制备方法中自由边的花节长度lf′如下：26、lb′＝[kb/(kb-1)+(1/2*tb)/kb]*lb27、lf′＝[kf/(kf+1)-(1/2*tb)/kf]*lf28、其中，kb为结合边的花节数量，kf为自由边的花节数量，lb为多边形芯格预制体中结合边的花节长度的理论值，lf为多边形芯格预制体中自由边的花节长度的理论值；tb为结合边的壁厚。29、开口辅助工具与芯模之间固装。30、当开口辅助工具与芯模固装后，芯模的长度方向与开口辅助工具的长度方向平行。31、孔径尺寸控制片为一片体，孔径尺寸控制片包括：工作部和位于工作部两端的安装部，工作部和安装部连接，工作部用于编织时放入缝隙形状的织物开口中，安装部用于在向织物开口放入孔径尺寸控制片后将该孔径尺寸控制片固定在织物开口内。32、工作部沿编织方向的长度为w1，w1＝l-b，其中，b＝b1、b2或b3，t为工作部的厚度；33、当孔径尺寸控制片的边缘的角落为直角时，b＝b1，b1＝q1*t*0.5，其中，q1＝1.41，34、当孔径尺寸控制片的边缘的角落为倒角时，b＝b2，b2＝q2*t*0.5，其中，q2为倒角锥度的正弦值，35、当孔径尺寸控制片的边缘的角落为圆角时，b＝b3，b3＝q3*(t-r)，其中，r为圆角半径，当圆角半径r小于等于0.5t时，q3为1.41；当圆角半径r大于0.5t且小于等于t时，q3取1；当圆角半径r大于t时，q3取0。36、安装部和工作部之间为平滑过渡。37、在步骤1中，孔径尺寸控制片的安装部沿编织方向的长度为w2，当w2小于w1时，w2小于等于lb。38、在步骤1中，当w2大于w1时，6mm≤w2＜12mm。39、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：40、1、本发明的制备方法通过对三维编织物编织参数设计计算与调整，实现多边形芯格预制体的孔径尺寸精准控制。解决现有技术中三维编织多边形芯格预制体设计参数与实际生产参数偏差大、生产效率低、织物结构控制困难等问题。进一步提升加工效率，减少加工余量。41、2、本发的制备方法明通过两步法成型方式，配合多边形芯格扩孔器设计，通过采用精准参数设计与柔性形状变异策略，有效提升多边形芯格预制体结构稳定性并减少织造损伤，避免因结构变异带来的缺陷，进一步保障预制体性能稳定，提升预制体利用价值。42、3、根据孔径尺寸控制片的边缘设置补偿值b，可以进一步降低与设定的规格的几何面积偏差率。43、4、根据蜂窝芯格开口θ的角度，对多边形芯格预制体中结合边的花节长度和多边形芯格预制体中自由边的花节长度进行尺寸补偿，可再进一步降低与设定的规格的几何面积偏差率。44、5、本发明设计了一种开口辅助工具，其可以更好的完成本发明的制备方法；45、6、为了实现三维编织多边形芯格预制体制备方法，设计了三维编织多边形芯格预制体成型精准控形工装。