ГИБРИДНЫЕ ТРЕХМЕРНЫЕ ТКАНЫЕ/СЛОИСТЫЕ РАСПОРКИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ С КОМПОЗИТНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ
HYBRID THREE-DIMENSIONAL FABRIC/LAYERED SPACERS FOR USE WITH COMPOSITE CONSTRUCTIONS

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к геометрической конфигурации трехмерных тканых заготовок для армированных композитных конструкций, имеющих квазиизотропное или мультинаправленное армирование на одном или большем количестве концов конструкции и приблизительно однонаправленное армирование во всех других областях. Заготовки имеют дополнительное сквозное армирование по толщине, обеспеченное вставлением армирующих волокон в направлении толщины.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Использование армированных композитных материалов для производства конструктивных элементов теперь широко распространено, особенно в применениях, где необходимы такие их характеристики, как малый вес, прочность, жесткость, теплостойкость, автономность и адаптируемость к приданию формы. Такие элементы используются, например, в аэронавигационной, космической и спутниковой промышленности, а также для использования в устройствах для отдыха и спорта, например в спортивных лодках и автомобилях, и в бесчисленных других применениях. Трехмерная ткань в целом состоит из волокон, ориентированных в трех направлениях, причем каждое волокно проходит в перпендикулярном направлении относительно других волокон, т.е. вдоль X, Y и Z осевых направлений.

Как правило, элементы, выполненные из таких тканей, состоят из армированных материалов, внедренных в связующие материалы. Армирующий элемент может быть выполнен из материалов, таких как стекло, углерод, керамика, арамид (например, "KEVLAR" от E.I.Dupont), полиэтилен и/или другие материалы, которые имеют требуемые физические, тепловые, химические и/или другие свойства, основное среди которых большая прочность против разрушающих напряжений. С помощью таких армированных материалов, которые, в конечном итоге, становятся составляющим элементом законченного элемента, требуемые характеристики армированных материалов, такие как очень высокая прочность, передаются законченному композитному элементу. Армирующие материалы составляющей могут обычно быть сотканы, связаны или иным образом ориентированы в требуемые конфигурации и формы для армированных заготовок. Обычно, особое внимание обращается на то, чтобы гарантировать оптимальное использование свойств, для которых были выбраны эти армирующие материалы составляющей. В целом, такие армированные заготовки объединены со связующим материалом, чтобы сформировать требуемые законченные элементы или изготовить рабочую заготовку для окончательного изготовления законченных элементов.
После того, как требуемая армированная заготовка создана, связующий материал может быть введен и объединен с заготовкой так, чтобы армированная заготовка стала полностью заключенной в связующий материал таким образом, чтобы связующий материал заполнил промежуточные области между элементами составляющей армированной заготовки. Связующий материал может быть любым материалом из большого разнообразия материалов, таких как эпоксидная смола, полиэфир, винилэфир, керамика, углерод и/или другие материалы, которые также имеют требуемые физические, тепловые, химические и/или другие свойства. Материалы, выбранные для использования в качестве связующего материала, могут быть, а могут и не быть тем же самым материалом, что и материал армированной заготовки, и могут иметь, а могут и не иметь сопоставимые физические, химические, тепловые или другие свойства. Как правило, однако, связующий материал выполняют не из тех же самых материалов, из которых выполняют армированную заготовку, или же он имеет несопоставимые с армированной заготовкой физические, химические, тепловые или другие свойства, так как обычная цель при использовании композитных объектов в первую очередь состоит в достижении комбинации характеристик в готовом изделии, которые не достижимы с помощью использования одного только материала составляющей.
Армированная заготовка и связующий материал, объединенные вместе, могут затем быть подвержены отверждению и стабилизированы в той же самой операции термической усадки или другими известными способами, а затем подвергнуты другим операциям для производства требуемого элемента. При этом существенно заметить, что, будучи так подвержены отверждению, последующие отвержденные массы связующего материала обычно имеют очень сильную адгезию к армирующему материалу (например, армированной заготовке). В результате напряжение на готовом элементе, особенно через его связующий материал, действующий как адгезив между волокнами, может быть эффективно передано материалу составляющей армированной заготовки и восприниматься им.
Как правило, простые, двумерные тканые материалы или однонаправленные волокна изготавливаются поставщиком материалов, а затем поставляются клиенту, который вырезает шаблоны и укладывает готовую часть слой за слоем. Самые простые тканые материалы являются плоскими, по существу двумерными структурами с волокнами, проходящими только в двух направлениях. Они сформированы путем чередования двух наборов нитей, перпендикулярных друг другу. В двумерном переплетении нити, проходящие под углом 0°, называются волокнами или нитями основы, а нити, проходящие под углом 90°, называются волокнами или нитями утка или волокнами или нитями заполнения. Для литьевого прессования ряд тканых материалов может быть объединен с образованием пакета из сухих слоев, который помещают в форму и вводят туда смолу. Эти ткани могут быть предварительно сформированы, используя либо "подшивание", либо термическую формовку и "прихватывание" с использованием связующей смолы.
Двумерные тканые конструкции, однако, имеют ограничения. Этап предварительного формирования требует большой ручной работы в пакете. Двумерные тканые конструкции не являются столь прочными или стойкими к растяжению, кроме разве вдоль направлений в 0° и 90°, особенно под углами, далекими от осей волокон. Один способ уменьшения этого возможного ограничения заключается в добавлении диагональных волокон к плетению, т.е. волокон, которые сотканы так, что они проходят через ткань под промежуточным углом, предпочтительно под углом в 45° к оси волокон заполнения.
Простые тканые заготовки также имеют один единственный слой. Это ограничивает возможную прочность материала. Одно возможное решение состоит в том, чтобы увеличить размер волокна. Другое решение заключается в использовании большого количества слоев или прослоек. Дополнительное преимущество использования большого количества слоев состоит в том, что некоторые слои могут быть ориентированы таким образом, чтобы оси основы и утка различных слоев были направлены в различных направлениях, действуя, таким образом, как ранее упомянутые диагональные волокна. Если эти слои представляют собой пакет одиночных слоев, ламинированных вместе со смолой, то, тем не менее, возникает проблема расслоения. Если слои сшиты вместе, то многие из сотканных волокон могут быть повреждены во время процесса сшивки, при этом полная прочность на растяжение может пострадать. Кроме того, как для ламинирования, так и для сшивания большого количества прослоек, обычно необходима ручная операция по укладке в пакеты, чтобы выровнить слои. В качестве альтернативы, слои могут быть вплетены как часть текстильного процесса. Создание большого количества переплетенных слоев ткани, особенно с интегральными диагональными волокнами, до настоящего времени было трудной проблемой.
Одним примером того, где используются композитные материалы, чтобы изготовить конструктивные элементы, является изготовление распорок и скоб. Распорки и скобы обычно содержат центральный стержень, имеющий крепежный конец на каждом конце конструкции. Эти крепежные концы могут иметь либо охватываемую, либо охватывающую (серьга) конфигурацию и используются для крепления распорки или скобы к конструкции, которую она армирует или окружает. Как было ранее отмечено, чтобы достигнуть увеличенной прочности композитной конструкции, для крепежных концов и стержней распорок, и скоб используется большое количество слоев или прослоек. Хотя использование большого количества слоев выгодно, поскольку индивидуальные слои могут быть ориентированы так, чтобы обеспечить армирование в направлениях в 0° и 90°, а также они могут быть ориентированы в диагональном направлении, чтобы обеспечить армирование в дополнительных направлениях, таком как ±45°, если они ламинированы вместе со смолой, расслаивание слоев может быть проблематичным.
Существует много примеров слоистых крепежных концов, в некоторых из которых используются гибридные материалы (т.е. чередующиеся слои углерода и титана), но слоистые крепежные концы до сих пор не объединялись с трехмерным тканым стержнем. Эффективность слоистого композитного крепежного конца для очень сильно нагруженных конструкций была продемонстрирована в нескольких финансируемых правительством программах. Однако насколько известно Заявителю, ни одна из этих программ не рассматривала использование трехмерных тканых заготовок.
Таким образом, требуются трехмерные заготовки для использования в распорках и скобах, имеющие ламинированные крепежные концы или части и монолитный трехмерный тканый центральный стержень. Преимущества использования трехмерной конструкции в центральной части заготовки состоят в том, что такая конструкция позволяет уменьшить трудозатраты, требуемые для вырезания и составления всех прослоек, необходимых для толстого композитного объекта, и при этом обеспечивает лучшие допустимые повреждения, по сравнению с обычными слоистыми композитными объектами. Преимущество независимых слоев на конце состоит в том, что ламинат может быть специально изготовлен так, чтобы он имел определенные свойства. Конкретно, часть или вся заготовка целиком могут быть армированы в направлении толщины путем вставления армирующих волокон под одним или большим количество углов.
Соответственно, имеется потребность в тканой заготовке, которая имеет полностью тканую трехмерную центральная часть с армированными слоистыми крепежными концами, составленными из независимых тканых слоев.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, основной целью изобретения является создание трехмерной тканой заготовки, имеющей вплетенную стержневую часть и пакет индивидуально сотканных тканей на крепежных концах для использования в композитной конструкции.
Еще одной целью изобретения является создание тканой заготовки для толстой композитной конструкции, которая имеет квазиизотропное или мультинаправленное армирование на одном или двух концах и почти однонаправленное армирование во всех других областях.
Еще одной целью изобретения является создание тканой заготовки, имеющей армирование толщины на одном или обоих крепежных концах, чтобы увеличить предел допустимых повреждений и улучшить свойства по толщине.
Еще одна цель изобретения заключается в создании композитной конструкции, которая может использоваться для выдерживания больших сконцентрированных нагрузок.
Эти и другие цели и преимущества обеспечиваются настоящим изобретением. В этом отношении настоящее изобретение направлено на тканую заготовку, которая используется для армирования композитной конструкции, и на способ производства такой заготовки. Тканая заготовка содержит центральную часть с большим количеством слоев, которые сотканы вместе. Заготовка содержит первую концевую часть, имеющую большое количество независимо сотканных слоев, которые целиком сотканы с большим количеством вплетенных слоев в центральной части и которые проходят вдоль всей длины заготовки. Заготовка также содержит вторую концевую часть, имеющую большое количество независимо сотканных слоев, которые целиком сотканы с большим количеством вплетенных слоев в центральной части и которые проходят вдоль всей длины заготовки. Между большим количеством независимо сотканных слоев в первой и второй концевых частях вплетены диагональные прослойки. Кроме того, тканая заготовка, имеющая один крепежный конец и стержневой конец, может быть изготовлена в соответствии с любым из раскрытых здесь вариантов выполнения.
Другой аспект настоящего изобретения направлен на трехмерную тканую заготовку, имеющую сквозное армирование по толщине, добавленное к независимо сотканным слоям и диагональным прослойкам в первой и второй концевых частях. Такое армирование по толщине приводит к увеличению прочности заготовки на сжатие путем уменьшения количества локального изгиба, который изменяет микромеханику и вызывает преждевременный отказ. Кроме того, благодаря армированию по толщине можно увеличить предел допустимых повреждений части композитных объектов путем ограничения степени расслаивания, связанного с повреждением от удара, а также увеличить прочность по толщине и жесткость, и напряжение сдвига.
Еще один аспект настоящего изобретения направлен на трехмерную армированную композитную конструкцию, изготовленную с использованием описанной здесь тканой заготовки. Армированная композитная конструкция содержит центральную часть, которая имеет однонаправленное армирование, и первую и вторую концевые части, которые являются квазиизотропно армированными или армированными во многих направлениях. В качестве альтернативы, первая и вторая части могут иметь армирование по толщине, включающее армирующие волокна, вставленные под углом в направлении толщины заготовки. Может также быть создана армированная композитная конструкция, имеющая стержневую часть на одном конце и крепежную часть на другом конце.
Различные отличительные по новизне признаки, которые характеризуют изобретение, специально отмечены в пунктах формулы изобретения, которая приложена к этому описанию и является его частью. Для лучшего понимания изобретения, его функциональных преимуществ и конкретных целей, достигаемых при его использовании, ссылка делается на сопроводительное подробное описание, в котором предпочтительные варианты выполнения изобретения проиллюстрированы на сопроводительных чертежах, на которых соответствующие элементы обозначены одними и теми же номерами позиций.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Последующее детальное описание, данное посредством примера и не предназначенное для ограничения настоящего изобретения исключительно этим примером, будет лучше всего оценено вместе с сопроводительными чертежами, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и части и на которых:
Фиг.1 представляет собой вид сверху композитной конструкции, содержащей стержневую часть с крепежными концами и имеющей охватываемую конфигурацию;
Фиг.2 представляет собой вид сверху композитной конструкции, содержащей стержневую часть с крепежными концами и имеющей охватывающую конфигурацию или конфигурацию скобы;
Фиг.3 представляет собой вид сверху заготовки, изготовленной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.4А представляет собой вид сверху заготовки, имеющей крепежные концы с симметричной конфигурацией, изготовленной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.4В представляет собой вид сверху заготовки, имеющей крепежные концы с симметричной конфигурацией, изготовленной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.4С представляет собой вид сверху заготовки, имеющей крепежные концы с асимметричной конфигурацией, изготовленной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.4D представляет собой вид сверху заготовки, имеющей крепежные концы с асимметричной конфигурацией, изготовленной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.5А и 5В представляют собой виды сверху заготовок, имеющих охватывающие крепежные концы, выполненные в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения;
Фиг.6А-6В представляют собой увеличенные виды сверху заготовки, показывающие армирующие волокна, пересекающие слои заготовки. Фиг.6А изображает крепежный конец, в котором армирующие волокна проходят перпендикулярно к плоскости слоев, в соответствии с одним аспектом изобретения, а Фиг.6В изображает крепежный конец, в котором армирующие волокна проходят под углом к перпендикуляру к плоскости слоев, в соответствии с одним аспектом изобретения;
Фиг.7 представляет собой трехмерный вид композитной конструкции, содержащей стержневую часть с крепежными концами, имеющими охватываемую конфигурацию и сквозные круглые отверстия, в соответствии с одним аспектом изобретения;
Фиг.8 представляет собой трехмерный вид композитной конструкции, содержащей стержневую часть с крепежными концами, имеющими охватывающую конфигурацию или конфигурацию скобы и сквозные круглые отверстия, в соответствии с одним аспектом изобретения;
Фиг.9 представляет собой увеличенный вид сверху крепежного конца заготовки, имеющей армирование по толщине, причем армирующие волокна равномерно распространены по крепежному концу в соответствии с одним аспектом изобретения; и
Фиг.10 представляет собой увеличенный вид сверху крепежного конца заготовки, имеющей армирование по толщине, причем армирующие волокна сконцентрированы вокруг края сквозного отверстия в крепежном конце, в соответствии с одним аспектом изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Настоящее изобретение ниже описано более полно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты выполнения изобретения. Это изобретение может, однако, быть выполнено во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное описанными в этом документе иллюстративными вариантами выполнения. Скорее эти иллюстративные варианты выполнения приведены, чтобы описание изобретения было полным и завершенным и полностью бы передавало специалистам в этом уровне техники объем изобретения.
В последующем описании одинаковые номера позиций обозначают одинаковые или соответствующие части на всех чертежах. Кроме того, в последующем описании подразумевается, что такие термины как "верхний", "нижний", "верх" и "низ" и т.п. приведены для удобства и не должны рассматриваться как ограничивающие термины.
Настоящее изобретение определяет концепцию заготовки для композитной конструкции или балки, у которой имеется квазиизотропное или мультинаправленное армирование на одном или двух концах и почти однонаправленное армирование во всех других областях. Такая конфигурация нужна конструкциям, которые должны выдерживать большие сконцентрированные нагрузки, таким как распорки и скобы. Квазиизотропно или мультинаправленно армированные концы обеспечивают хорошие свойства опоры и лучше сбалансированные напряжения на растяжение, сжатие и сдвиг, делая их хорошим выбором для крепежных концов конструкции. Эти крепежные концы могут иметь либо охватываемую, либо охватывающую (скоба) конфигурацию. Однонаправленная часть обеспечивает высокую осевую жесткость, которая хороша для предотвращения деформации стержня или изгиба, делая ее хорошим выбором для основной стержневой части распорки или скобы. На Фиг.1 изображена распорка или скоба 2, которая имеет крепежные концы 4 и трехмерную основную стержневую часть 6. Концы 4 на Фиг.1 имеют охватываемую конфигурацию. На Фиг.2 изображена распорка или скоба 8 с трехмерной основной стержневой частью 10 и крепежными концами 12, имеющими охватывающую конфигурацию или конфигурацию скобы.
Преимущества использования трехмерной конструкции в центральной части заготовки состоят в том, что такая конструкция уменьшает усилия, необходимые для вырезания и составления всех прослоек, требуемых для толстого композитного объекта, и это обеспечивает лучший предел допустимых повреждений, чем обычные слоистые композитные объекты. Преимущество независимых слоев на концах конструкции состоит в том, что ламинат может быть приспособлен, чтобы иметь определенные свойства. Как уже упомянуто, крепежные концы, как полагают, квазиизотропны или мультинаправлено армированы, но они могли иметь фактически любую слоистую конфигурацию.
Эта заготовка состоит из трехмерной тканой части, состоящей из большого количества слоев и подобного числа независимых диагональных слоев. В центральной части или в стержневой части трехмерной тканой части все слои переплетены или сотканы целиком, вместе формируя монолитный блок тканого материала. Архитектура волокон, используемая в этой части, может представлять собой любой обычный узор для толстой заготовки, включая, но не ограничиваясь, от слоя к слою, через всю толщину, соединением под углом или ортогональной архитектурой. На концах конструкции индивидуальные слои переплетаются независимо друг от друга, чтобы сформировать пакет тканей с армированием в направлениях в 0° и 90°, где 0° - направление вдоль длины конструкции. Диагональные слои или прослойки, которые изготовлены отдельно, обеспечивают армирование в дополнительных направлениях к направлениям 0°/90°, таком как направление в ±45°, которые внедрены между слоями с тканью в 0°/90°, чтобы сформировать обычную слоистую конструкцию. Диагональные слои или прослойки могут быть сотканы с использованием волокон утка или основы, или же они могут быть неткаными, связанными или просто представлять собой набор волокон с ориентацией в 0° или 90°. На приведенных далее чертежах направление основы вдоль 0° или вдоль конструкции, как обозначено стрелкой 100.
Все слои, которые содержат заготовку, включая центральную часть или стержневую часть, сотканы с волокнами или нитями основы и волокнами или нитями утка или заполнения, используя жаккардовый станок и фиксируемый челнок; однако, чтобы соткать слои, может использоваться любой обычный метод текстильного производства. Волокна или нити могут быть как синтетическими, так и натуральными материалами, такими как, но не ограничиваясь, углерод, нейлон, искусственный шелк, полиэфир, стекловолокно, хлопок, стекло, керамика, арамид и полиэтилен. Законченную тканую заготовку затем перерабатывают в тканую/слоистую композитную структуру с введением связующего материала, такого как, но не ограничиваясь, эпоксидную смолу, полиэфир, винилэфир, керамику, углерод и/или другие материалы, которые также проявляют требуемые физические, тепловые, химические и/или другие свойства, используя традиционные методики, такие как, но не ограничиваясь, литьевое формование или химическая пропитка в паровой фазе.
В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения Фиг.3 изображает сегмент конструкции 14, имеющей толстую центральную часть 16, которая выполнена за одно целое с двумя более тонкими охватываемыми крепежными концами 18, которые расположены с обеих сторон центральной части 16. Как может быть видно из Фиг.3, толстая центральная часть 16 является монолитным, трехмерным тканым стержнем, составленным из большого количества тканых слоев 50, которые переплетены или сотканы вместе. Чтобы сформировать более тонкие охватываемые крепежные концы 18, слои волокон основы от толстой центральной стержневой части 16 выплетают из заготовки, чтобы обеспечить клиновидный переход 22 от стержня 16 к более тонким крепежным концам 18.
Как только требуемое число слоев волокна основы выплетено из заготовки, чтобы сузить стержень до требуемой толщины крепежной части, дополнительные слои волокон основы выплетают из заготовки в более тонких крепежных концах 18, чтобы обеспечить промежуток или пространство для диагональных прослоек ткани. Остающиеся волокна основы в более тонких концах 18, которые целиком сотканы с большим количеством слоев 50 в стержне или центральной части 16 и которые непрерывны вдоль конструкции, формируют индивидуальные слои прослоек 24, которые сотканы независимо от друг друга. Этот пакет прослоек или тканей обеспечивает армирование в более тонких концах 18 в направлениях в 0° и 90°. Поскольку прослойки 24, имеющие направление в 0°/90°, не переплетены друг с другом, в промежутках между 0°/90° прослойками 24 могут быть внедрены диагональные прослойки 26, которые обеспечивают армирование в дополнительных направлениях, таких как направления в ±45°, формируя пакет тканей, который, когда использован связующий материал, образует слоистую конструкцию, которая обеспечивает квазиизотропное или мультинаправленное армирование в более тонких концах 18. Кроме того, как изображено на Фиг.3, конструкция имеет непрерывное поверхностное волокно 28, которое является наиболее удаленным волокном основы толстого стержня 16.
Если требуется, в отличие от конструкции для этого варианта выполнения, у которой на каждой стороне центральной части 16 имеется по одному более тонкому концу 18, как описано выше, в соответствии с раскрытым здесь вариантом выполнения может быть создана конструкция, имеющая только один более тонкий конец 18. В таком случае конструкция будет содержать один конец, подобный монолитной, трехмерной тканой центральной части 16, и один более тонкий конец 18, как описано выше. Конструкция, изготовленная этим способом, более близко напоминает конструкцию, изображенную на Фиг.3.
Другой вариант выполнения настоящего изобретения изображен на Фиг.4А-4D, которые показывают сегмент конструкции 30, содержащей два крепежных конца 32, которые являются более толстыми, чем монолитная трехмерная тканая центральная стержневая часть 34 конструкции 30. Как имеет место в предыдущем варианте выполнения, центральная стержневая часть 34 состоит из большого количества тканых слоев 35, которые переплетены или сотканы вместе. В этой конструкции, однако, нет никакой необходимости выплетать волокна 36 основы из стержневой части 34, чтобы сформировать более толстые крепежные концы 32. Вместо этого все волокна 36 основы, которые обычно использовались для создания стержня 34, используются для создания более толстых концов 32. Волокна 36 основы стержня 34, однако, не переплетены друг с другом на более толстых концах 32. Это обеспечивает возможность внедрения диагональных прослоек 38 между волокнами 40 основы в более толстых концах 32, которые являются прослойками, которые обеспечивают армирование в направлении 0°/90°. Поэтому, более толстые концы 32 имеют пакет тканей, состоящих из ориентированных под углом в 0°/90° прослоек или тканей, и отдельно изготовленные прослойки, ориентированные в направлениях, отличных от 0°/90°, например в направлениях в ±45° так, что, когда применен связующий материал, это приводит к созданию слоистого крепежного конца, имеющего квазиизотропное или мультинаправленное армирование. Кроме того, как можно видеть из Фиг.4А-4D, у конструкций, изготовленных в соответствии с этим вариантом выполнения, имеется ступенчатый переход 42 от слоистого более толстого конца 32 к монолитной стержневой части 34, улучшая, тем самым, передачу нагрузки от одной части к другой.
Как можно видеть из Фиг.4А-4D, длина и расположение диагональных прослоек 38 изменяется от чертежа к чертежу. На Фиг.4А и 4В изображен конец 32, имеющий симметричную конфигурацию. Таким образом, длина и расположение диагональных прослоек 38 на конце 32 симметричны относительно средней линии или продольной оси А-А. На Фиг.4А изображена симметричная конфигурация, в которой длина последовательных диагональных прослоек 38 увеличивается в верхней половине 39 и в нижней половине 41 конца 32 при движении от средней линии А-А к верхней поверхности 43 и нижней поверхности 45 конца 32. На Фиг.4В изображена симметричная конфигурация, в которой длина последовательных диагональных прослоек 38 уменьшается в обеих половинах 39 и 41 конца 32 при движении от средней линии А-А к верхней поверхности 43 и нижней поверхности 45 конца 32.
На Фиг.4С и 4D изображен крепежный конец 32, имеющий асимметричную конфигурацию. Таким образом, длина последовательных диагональных прослоек 38 в конце 32 только увеличивается или уменьшается при движении от нижней поверхности 45 к верхней поверхности 43 конца 32. На Фиг.4С показана асимметричная конфигурация, в которой длина последовательных диагональных прослоек 38 в конце 32 увеличивается при движении от нижней поверхности 45 к верхней поверхности 43 конца 32. Как показано на Фиг.4D, конец 32 может также быть изготовлен с длиной последовательных диагональных прослоек 38, уменьшающейся при движении от нижней поверхности 45 к верхней поверхности 43 конца 32.
Если требуется, в отличие от ранее описанных конструкций для этого варианта выполнения, у которых есть центральная часть 34 с двумя более толстыми концами 32, по одному на каждой ее стороне, в соответствии с раскрытым здесь вариантом выполнения может быть создана конструкция, имеющая только один более толстый конец 32. В таком случае конструкция будет содержать один конец, подобный монолитной, трехмерной тканой центральной части 34, и один более толстый конец 32, как описано выше. Конструкция, изготовленная этим способом, более близко напоминает конструкции, изображенные на Фиг.4А-4D.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения на Фиг.5А изображен сегмент конструкции 44, имеющей монолитную трехмерную тканую центральную стержневую часть 46 с двумя охватывающими крепежными концами или скобами 48. Как можно видеть из Фиг.5А, охватывающий крепежный конец 48 может быть повернут относительно центрального стержня 46 так, что охватывающий конец 48 находится не на одной линии или не коллинеарен центральному стержню 46. В другом варианте выполнения настоящего изобретения монолитная трехмерная тканая центральная часть 46 параллельна двум охватывающим крепежным концам или скобам 48. Аналогично предыдущим вариантам выполнения, центральный стержень 46 состоит из большого количества тканых слоев 50, которые переплетены или сотканы вместе. Чтобы сформировать охватывающие крепежные концы или скобы 48, монолитный стержень 46 ткут таким образом, что он раздваивается 52, чтобы сформировать обе половины скоб. Слои 54, имеющие направление в 0°/90°, в первой или угловой части 56 каждой половины скоб продолжают переплетаться вместе.
Чтобы обеспечить зазор между армированными слоями 58, имеющими направление в 0°/90°, для диагональных прослоек 60 ткани в параллельных или концевых частях 62 скобы, волокна основы выплетают из угловых частей 56 заготовки. Остающиеся волокна основы в концах 48, которые сотканы за одно целое с большим количеством тканых слоев 50 в центральном стержне 46 и угловых частях 54, формируют индивидуальные слои, которые сотканы независимо друг от друга и обеспечивают армирование в скобе 48 в направлениях 0° и 90°. Поскольку слои 58, имеющие направление в 0°/90°, не переплетены друг с другом, армирование в направлениях, кроме направления 0°/90°, например, ±45°, обеспечивается с помощью диагональных прослоек 60, которые внедрены между слоями 58, имеющими направление в 0°/90°, формируя пакеты ткани в скобах, которые обеспечивают квазиизотропное или мультинаправленное армирование, когда связующий материал добавлен в заготовку.
На Фиг.5В в качестве альтернативы изображен вариант выполнения конструкции 44, имеющей монолитную трехмерную тканую центральную стержневую часть 46 с двумя охватывающими крепежными концами или скобами 48. Однако, в отличие от варианта выполнения, изображенного на Фиг.5А, волокна 55 основы заготовки, показанной на Фиг.5В, не выплетают из стержня 46 для формирования охватывающего крепежного конца или скобы 48. Вместо этого все волокна 55 основы, обычно используемые для создания стержня 46, используются для создания концов 48. Волокна 55 основы из стержня 46, однако, не переплетены друг с другом в концах 48. Это обеспечивает возможность внедрения диагональных прослоек 60 между волокнами 58 основы на концах 48, которые являются прослойками, обеспечивающими армирование в направлениях 0°/90°. Поэтому, более толстые концы 48 содержат пакет тканей, состоящих из прослоек или тканей, ориентированных в направлении 0°/90°, и отдельно изготовленных прослоек, ориентированных в других направлениях, кроме направлений в 0°/90°, например, прослоек или тканей, ориентированных в направлении ±45° так, что, когда использован связующий материал, результатом является слоистый крепежный конец, имеющий квазиизотропное или мультинаправленное армирование.
Если требуется, в отличие от ранее раскрытой конструкции для этого варианта выполнения, у которой есть центральная часть 46 с двумя охватывающими крепежными концами или скобами 48, по одному на каждой стороне центральной части 46, в соответствии с раскрытым вариантом выполнения может быть изготовлена конструкция, имеющая только один охватывающий конец 48. В этом случае конструкция будет содержать один конец, аналогичный монолитной, трехмерной тканой центральной части 46, и один охватывающий конец или скобу 48, как описано выше. Конструкция, изготовленная этим способом, более близко напоминает конструкцию, изображенную на Фиг.5А или 5В.
Во всех раскрытых вариантах выполнения после того, как диагональные прослойки вставлены в крепежные концы, тканая заготовка может быть оплетена сверху слоем из стеклянного материала, чтобы улучшить сопротивление заготовки трению.
Во всех раскрытых вариантах выполнения крепежные концы могут также иметь армирование по всей толщине, чтобы зафиксировать вместе независимо сотканные 0°/90°-слои и ±45° - диагональные прослойки. Армирование обеспечивается армирующими волокнами, которые пересекают независимо сотканные слои и диагональные прослойки на крепежных концах. Армирующие волокна могут быть расположены перпендикулярно плоскости слоев на крепежных концах или могут быть расположены под одним или под несколькими углами к перпендикуляру, как, например, под углом в 60°. Перпендикулярное армирование усиливает до максимума свойства на растяжение и сжатие по всей толщине, тогда как внеосевое армирование улучшает свойства сдвига по всей толщине. На Фиг.6А-В изображен крепежный конец 70, имеющий армирование по всей толщине, в котором армирующие волокна 71 пересекают слои 72 крепежного конца. В частности, Фиг.6А показывает армирующие волокна 71, которые перпендикулярны плоскости слоев 72, тогда как Фиг.6В показывает армирующие волокна 71, которые расположены под углом к перпендикуляру к плоскости слоев 72. В целом, армирующие волокна могут быть равномерно распределены по крепежным концам заготовки.
Методики, обеспечивающие армирование по всей толщине, включают простегивание или сшивание, и известны в уровне техники. Простегивание/сшивание фиксирует вместе слои, ориентированные в направлениях 0°/90° и ±45°, путем вставления армирующих волокон. Эти волокна могут состоять из различных материалов, таких как углеродные волокна. Например, волокна могут состоять из 6К-углеволоконных жгутов, т.е. быть составленными из пучка нитей, содержащих 6000 нитей углеволокна.
Способ простегивания/сшивания может быть выполнен с использованием игл, которые вставляют армирующие волокна параллельно/под углом к перпендикуляру к слоям заготовки. Например, игла, используемая для вставления армирующих волокон, может быть пустотелой покрытой керамикой иглой, в которой точка прокалывания не удаляет сердцевину и находится в центре иглы. Произвольно, игла может быть отклоненной, чтобы ориентировать точку прокалывания в центре. Игла может быть также обработана с использованием электролитического осаждения (EDM) так, чтобы изменить иглу, чтобы та имела пятку основания EDM.
Процесс простегивания или сшивания может дополнительно вовлекать другие элементы, чтобы поддерживать заготовку и препятствовать вытягиванию материала заготовки из заготовки иглой. Например, покрытая латексом пластина из пенополистирола, имеющая то же самое очертание, что и заготовка, может быть помещена рядом с заготовкой во время процесса простегивания/сшивания.
В зависимости от толщины заготовки во время простегивания/сшивания могут быть откорректированы скорость вставления, глубина вставления, расстояние между иглами, число игл, требования фиксации и число раз смачивания дистиллированной водой.
Как должно быть очевидно для специалистов, описанные выше конструкции могут иметь большое количество форм, в дополнение к уже раскрытым здесь конструкциям. Например, конструкции могут иметь толстый монолитный трехмерный тканый стержень с охватывающими крепежными концами или концами в виде скобы. Конструкция может также иметь толстый монолитный трехмерный тканый стержень с охватываемым крепежным концом на одном конце и охватывающим крепежным концом на другом конце. Кроме того, конструкция может иметь тонкий монолитный трехмерный тканый стержень с охватывающим крепежным концом на каждом конце или с охватываемым крепежным концом на одном конце и охватывающим крепежным концом на другом конце. Наконец, все конструкции могут иметь: оба крепежных конца, расположенных на одной линии или коллинеарные основной части стержня; оба крепежных конца, расположенных под углом относительно основной части стержня; или один крепежный конец может быть коллинеарен основной части, а один крепежный конец может быть повернут относительно основной части. Хотя, как раскрыто выше, крепежные концы должны быть квазиизотропно или мультинаправленно армированными, они могут иметь фактически любую слоистую конструкцию. Поэтому, настоящие конструкции, например распорка или скоба, могут быть выполнены такими, чтобы иметь различные конструкции для обеспечения различных типов армирования или крепления, основываясь на конкретной потребности конструкции или требуемом использовании.
Дополнительно, раскрытые выше конструкции могут иметь одно или большее количество отверстий на крепежных концах. В случае, в котором крепежные концы имеют охватывающую конфигурацию или конфигурацию скобы, отверстия могут быть расположены в одном или в обоих из раздвоенных элементов. Отверстия могут пересекать крепежные концы в направлении, коллинеарном с основной частью стержня, перпендикулярном к основной части стержня, или под углом к основной части стержня. Кроме того, эти отверстия могут иметь любую форму, например, круглую, овальную, многоугольную, квадратную, прямоугольную и т.д. На Фиг.7 изображена распорка или скоба 75, которая содержит трехмерную основную стержневую часть 76 и крепежные концы 77, причем концы 77 имеют охватываемую конфигурацию и круглые отверстия 78, которые проходят через крепежные концы. На Фиг.8 изображена распорка или скоба 80, которая содержит трехмерную основную стержневую часть 81 и крепежные концы 82, причем концы 82 имеют охватывающую конфигурацию или охватываемую конфигурацию и круглые отверстия 83, которые проходят через крепежные концы. Отверстия могут быть выполнены во время изготовления заготовки или после изготовления с использованием сверла или подобного инструмента.
В варианте выполнения, в котором имеются отверстия, проходящие через крепежные концы, армирующие волокна могут быть равномерно распределены или, в качестве альтернативы, могут быть сконцентрированы вокруг отверстия. Фиг.9 иллюстрирует, в качестве примера, половину распорки или скобы 85, имеющей трехмерную основную стержневую часть 86 и крепежный конец 87, причем также показаны независимые слои и диагональные прослойки. Конец 87 имеет отверстие 88 и армирован армирующими волокнами 89, которые пересекают независимые слои и диагональные прослойки. В этом случае армирующие слои равномерно распределены по крепежным концам. Фиг.10 иллюстрирует, в качестве примера, половину распорки или скобы 90, имеющей трехмерную основную стержневую часть 91 и крепежный конец 92, причем также показаны независимые слои и диагональные прослойки. Конец 92 имеет отверстие 93 и армирован армирующими волокнами 94, которые проходят через независимые слои и диагональные прослойки. На Фиг.10 армирующие волокна 94 сконцентрированы вокруг краев отверстия 93.
Хотя предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения и его модификации были здесь описано подробно, следует понимать, что это изобретение не ограничено этим точным вариантом выполнения и его модификациями и что специалистами в этой области техники могут быть осуществлены другие модификации и изменения, не отступая от сущности и объема изобретения, как оно определено в приложенной формуле изобретения.