П-ОБРАЗНАЯ ЗАГОТОВКА
U-SHAPED PREFORM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в основном, к тканым заготовкам, в частности к тканым заготовкам, используемым в армированных композитных материалах, которые могут быть вытканы гладкими и сложены для приведения в окончательный вид.
ВКЛЮЧЕНИЕ ССЫЛКОЙ
Все патенты, заявки на получение патентов, документы, цитированная литература, инструкции производителя, описания, технические требования к изделиям и технологические карты для любых изделий, упомянутых в настоящем описании, включены ссылкой в настоящее описание и могут быть использованы при реализации изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время широко распространено использование армированных композитных материалов в производстве элементов конструкции, в частности в таких областях, где их желательными характеристиками являются: легкий вес, прочность, долговечность, термическая устойчивость, способность быть самонесущим и возможность придания формы. Такие компоненты используются, например, в авиакосмической и спутниковой промышленности, в сфере развлечений (в производстве гоночных катеров и автомобилей) и в других отраслях промышленности.
Обычно, такие компоненты содержат армирующие материалы, встроенные в матрицу материалов. Армирующий компонент может быть сделан из материалов, таких как стекло, углерод, керамика, арамид, полиэтилен и/или из других материалов, имеющих желаемые физические, термические, химические и/или другие свойства, главным среди которых является высокая прочность под нагрузкой. Посредством использования таких армирующих материалов, которые в конечном счете становятся составляющим элементом законченного компонента, желательные характеристики армирующих материалов, такие как очень высокая прочность, придают законченному композитному компоненту. Обычно, составляющие армирующие материалы могут быть ткаными, трикотажными или другими материалами, ориентированными на желаемые конфигурации и формы для армированных заготовок. Обычно, особое внимание уделяется обеспечению оптимальной реализации характеристик, для получения которых составляющие армирующие материалы подобраны. Обычно, такие армирующие заготовки комбинируют с материалом матрицы для образования желательных законченных компонентов или для создания производственных запасов для окончательного производства законченных компонентов.
После того как сконструирована желаемая армирующая заготовка, она может быть погружена в матричный материал, так что обычно армирующая заготовка полностью погружается в матричный материал, который заполняет промежутки между составляющими элементами армирующей заготовки. Матричный материал может быть выбран из широкого разнообразия материалов, таких как эпоксидная смола, полиэфир, виниловый эфир, керамика, углерод и и/или из других материалов, имеющих желаемые физические, термические, химические и/или другие свойства. Материалы, выбранные для использования как материал матрицы, могут быть или не быть такими же, как материал армирующей заготовки, и могут иметь или могут не иметь сравнимые физические, термические, химические и/или другие свойства. Однако обычно они не сделаны из одного материала или не имеют сравнимые физические, термические, химические и/или другие свойства, поскольку при применении композитов обычно на первом месте стоит задача достичь комбинации характеристик в конечном изделии, которые невозможно получить посредством использования только одного составляющего материала. Затем, армирующая заготовка и матричный материал, комбинированные таким образом, могут быть отверждены и стабилизированы в ходе одной технологической операции посредством термического отвердения или другими известными способами, и далее подвергнуты другим операциям для производства желаемого компонента. Важно отметить, что на этом этапе после такого отверждения застывающая масса материала матрицы обычно очень сильно прилипает к армирующему материалу (например, к армирующей заготовке). В результате нагрузка на законченный компонент может эффективно передаваться к составляющему материалу армирующей заготовки, в частности, через ее матричный материал, действующий как клеящее вещество между волокнами, и, таким образом, нагрузку несет составляющий материал армирующей заготовки.
Зачастую необходимо производить компоненты с конфигурациями, отличными от простых геометрических форм, таких как (по существу) пластины, листы, прямоугольные или квадратные тела и т.д. Способ изготовления таких компонентов заключается в комбинировании основных геометрических форм в желаемые более сложные формы. Одна такая типичная комбинация сделана объединением армирующих заготовок, изготовленных так, как описано выше, под углом (обычно под прямым углом) по отношению друг к другу. Обычно целями такого углового расположения объединенных армирующих заготовок является, например, создание желаемой формы для образования армирующей заготовки, содержащей по меньшей мере один торец или перегородку в форме буквы «Т», или усиление полученной комбинации армирующих заготовок и композитной структуры, против провеса или потери несущей способности по мере того, как она подвергается внешним воздействиям, таким как сдавливание или растяжение. В любом случае, все вышесказанное направлено на то, чтобы сделать каждое соединение между составляющими компонентами максимально прочным. Желаемая очень высокая прочность армирующей заготовки задана по существу ее компонентами, а слабость соединения действительно становится «слабым звеном» «структурной цепи».
Пример конфигурации с перекрещиванием раскрыт в патенте США №6103337, ссылка на который означает, что его содержание полностью включено в текст настоящего описания. В данном патенте раскрыто эффективное средство соединения вместе двух армирующих пластин в форме буквы «Т».
В прошлом сделано много разных предложений для создания таких соединений. Было предложено образовать и отвердить панельный элемент и угловой элемент жесткости отдельно друг от друга, с последующим получением одной панельной контактной поверхности, или с последующем раздвоением одного конца с образованием двух расходящихся панельных контактных поверхностей, расположенных в одной плоскости. Затем два компонента соединяют приклеиванием контактной поверхности или контактных поверхностей и элемента жесткости к контактной поверхности другого компонента с использованием термического клея или другого клеящего вещества. Однако, когда приложено напряжение к отвержденной панели или к поверхностному слою композитной структуры, даже нагрузки на неприемлемо низком уровне вызывают возникновение поверхностных сил, отделяющих элемент жесткости от панели в контактной поверхности, поскольку эффективная прочность соединения соответствует матричному материалу, а не клеящему веществу.
Использование металлических болтов или заклепок на поверхности таких компонентов является неприемлемым, так как такие дополнительные элементы по меньшей мере частично разрушают и ослабляют целостность самих композитных структур, добавляют вес и вносят разницу в коэффициент теплового расширения как между этими элементами, так и с окружающим материалом.
Другие способы решения данной проблемы основаны на концепции введения высокопрочных волокон поперек участка соединения посредством использования таких способов, как сшивание компонентов друг с другом, рассчитывая что такие сшивающие нити введут усиливающие волокна внутрь и поперек места соединения. Один такой способ раскрыт в патенте США №4331495 и патенте США №4256790 по выделенной заявке на его основе. В этих патентах раскрыты соединения, сделанные между первой и второй композитными панелями, выполненными из склеенных волоконных слоев. Первая панель с одного конца известным способом раздвоена с образованием двух расходящихся панельных контактных поверхностей, расположенных в одной плоскости, которые соединены со второй панелью стежками неотвержденной гибкой композитной нити, проходящей через обе панели. Затем панели и нить вместе отверждают, т.е. одновременно отверждают. Другой способ улучшить прочность соединения раскрыт в патенте США №5429853.
В то же время, в уровне техники происходит поиск решения для улучшения структурной целостности армированного композита, в частности успешное решение раскрыто в патенте США №6103337, тем не менее остается потребность в его улучшении, или в переносе задачи на использование способа, отлиного от применения клеящих веществ или механического соединения. В этой связи, одним из подходов может быть создание тканой трехмерной ("3D") структуры с использованием специализированных машин. Однако потребуются значительные расходы, и редко будет желательным иметь ткацкий станок, направленный на создание простой структуры. Несмотря на это, трехмерные заготовки, которые могут быть использованы в производстве армированных композитных компонентов востребованы, так как они обеспечивают повышенную прочность по сравнению с известными двухмерными слоистыми композитами. В частности, такие заготовки полезны в таких областях применения, где от композитов требуется нести боковые нагрузки. Однако вышеупомянутые известные заготовки ограничены в способности выдерживать большие боковые нагрузки, должны быть вытканы на ткацком станке в автоматическом режиме и обуславливают различную толщину частей заготовки.
Другой способ заключается в том, чтобы выткать двухмерную ("2D") структуру и сложить ее в трехмерном ("3D") виде. Однако обычно это вызывает деформацию частей, при складывании заготовки. Деформация происходит из-за того, что длина волокон, при переплетении, отлична от той длины волокон, которая необходима при сложении. Как следствие, образуются волнообразные складки на участках, где длина волокон вытканных слишком короткая, и стяжки на участках, где длина волокон слишком длинная. Пример тканой конфигурации трехмерной заготовки, которая может вызвать возникновение складок или петель на участках, на которых сложена заготовка, раскрыт в патенте США №6874543, ссылка на который означает, что его содержание полностью включено в текст настоящего описания. Волоконные заготовки со специфическими структурными формами, такими как, например, с поперечными сечениями в форме букв 'Т', 'I', 'Н' или 'П', могут быть вытканы на традиционном челночном ткацком станке, и в нескольких известных патентах раскрыт способ плетения таких структур (например, в патентах США №6446675 и №6712099). Однако все известные заготовки были сконструированы, так что поперечное сечение постоянное в направлении волокон основы и волокон утка, т.е. места пересечения полок и вертикальных ножек всегда находятся в одном и том же положении поперек ширины и длины заготовки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В тех областях применения, в которых требуется более сложная форма, может существовать потребность в использовании способов и систем для создания заготовок, имеющих различные поперечные сечения в направлении волокон основы и/или волокон утка. В некоторых областях применения может быть необходимо смещение полок или ножек заготовки в направлении волокон основы и/или волокон утка для образования этих сложных форм.
В изобретении предложен способ плетения волоконной заготовки с ножками таким образом, что ножки необязательно являются прямыми, проходящими в направлении основы и/или утка. В примерном варианте реализации изобретения предложена П-образная заготовка с синусоидальными ножками, т.е. вертикальные ножки проходят по синусоиде в направлении основы и/или утка.
Например, синусоида образована посредством выборочного удаления некоторых волокон основы из частей заготовки, образующих одну из вертикальных ножек, с одновременным добавлением волокон основы к другой вертикальной ножке. Например, для перемещения ножек влево в направлении утка, волокна основы удаляют у основания одной вертикальной ножки и одновременно добавляют в основание соседней вертикальной ножки. Подобным образом, обратное действие может быть выполнено для перемещения ножек вправо.
Кроме того, способ согласно настоящему изобретению может быть использован для образования другого поперечного сечения, например в форме буквы «Т», или Т-образного элемента жесткости, имеющего переднюю часть в форме буквы «Т», проходящую по синусоиде по отношению к верхней части буквы «Т», или других форм, например таких как заготовки, имеющие по меньшей мере три ножки.
Способ согласно настоящему изобретению может быть использован для плетения заготовок с ножками различной толщины или различной длины или высоты, которые могут быть параллельны друг другу или расположены под углом друг к другу. Ножки заготовки могут быть разделены каналами постоянной или переменной ширины. Заготовка может быть выткана с использованием любого подходящего рисунка для волокон основы, т.е. переплетением слой-к-слою, угловым переплетением через толщину, ортогональным переплетением и т.д. Хотя предпочтительно использовать углеродное волокно, изобретение применимо практически к любым волокнам другого типа, таким как, например, стекло, керамика, арамид, полиэтилен, полипропилен и т.д.
Следовательно, задачей изобретения является создание трехмерной тканой заготовки по меньшей мере с одной вертикальной ножкой таким образом, что ножки необязательно являются прямыми, проходящими в направлении основы и/или утка.
Еще одной задачей изобретения является создание трехмерной тканой заготовки по меньшей мере с двумя вертикальными ножками с каналом переменной ширины между ними.
Еще одной задачей изобретения является создание трехмерной тканой заготовки, имеющей конструкцию, отличную от известных заготовок и/или улучшенную в сравнении с ними и/или с известными армированными композитными структурами.
Еще одной задачей изобретения является создание цельной трехмерной тканой заготовки, которая может быть сложена в окончательном виде без деформации волокон, содержащихся в заготовке.
Еще одной задачей изобретения является создание цельной трехмерной тканой заготовки, которая особенно полезна при образовании П-образных или Т-образных армированных композитов.
Эти и другие цели достигнуты и получены преимущества благодаря созданию трехмерной тканой заготовки, которая может быть выткана гладкой и затем сложена в окончательном виде перед пропитыванием смолой без создания нежелательной деформации волокон. Этого достигают посредством регулирования длины волокон в процессе плетения, так что происходит выравнивание длин волокон, при сложении заготовки в окончательном виде обеспечивающем гладкий переход на сгибе. Такой способ, который особенно подходит для образования П-образных тканых заготовок, может быть использован для образования заготовок различных других форм, например Т-образных заготовок или заготовок с по меньшей мере тремя вертикальными ножками.
В одном варианте реализации предложена заготовка для механических или структурных соединений, обладающих трехмерной тканой конфигурацией, с волокнами утка, обеспечивающими переплетение слоев волокон основы слой-к-слою, а также переплетение волокон внутри каждого слоя. Несмотря на то, что описанные в настоящем описании примерные варианты реализации включают переплетение слой-к-слою, для реализации изобретения это необязательно. Некоторые слои заготовки могут быть выполнены без переплетения слой-к-слою. Тканая заготовка передает боковую нагрузку через направленные волокна, чтобы минимизировать натяжение между слоями. Заготовка содержит основание и по меньшей мере одну ножку, выходящую из основания, причем и основание и указанная по меньшей мере одна ножка содержат по меньшей мере два слоя волокон основы.
Волокна утка следуют рисунку плетения, который направляет их через часть основания, затем внутрь ножек и наконец через противоположную часть основания. Ножки могут быть соединены с симметричным или несимметричным распределением столбцов в пересечении, с четным или с нечетным числом столбцов волокон основы, расположенных между ножками. Заготовка может обладать одинаковой или неодинаковой длиной и/или одинаковой или неодинаковой высотой ножек. Ножки могут быть перпендикулярны или не перпендикулярны основанию, или расположены под углом к нему. Ножки могут быть параллельны друг другу или расположены под углом друг к другу, и/или между ними могут быть каналы переменной ширины. По меньшей мере одна ножка может проходить в направлении основы и/или утка по синусоиде, зигзагообразно, по диагонали, криволинейным или нелинейным образом. Предпочтительно, наружные концы основания и/или ножек имеют сужения, образованные из конечных слоев волокон основы, имеющих ступенчатый рисунок.
Еще в одном варианте реализации предложен способ образования заготовки для использования в армированных композитных материалах. Заготовку образуют с трехмерной тканой конфигурацией с волокнами утка, обеспечивающими переплетение слоев из волокон основы слой-к-слою, а также переплетение волокон внутри каждого слоя. Несмотря на то, что описанные в настоящем описании примерные варианты реализации включают переплетение слой-к-слою, для реализации изобретения это необязательно. Некоторые слои заготовки могут быть выполнены без переплетения слой-к-слою. Тканая заготовка передает боковую нагрузку через направленные волокна, чтобы минимизировать натяжение между слоями. Заготовка содержит основание и по меньшей мере одну ножку, выходящую из основания, причем и основание и указанная по меньшей мере одна ножка содержат по меньшей мере два слоя волокон основы. Волокна утка следуют рисунку плетения, который направляет их через часть основания, затем внутрь ножек и наконец через противоположную часть основания. Ножки могут быть соединены с симметричным или несимметричным распределением столбцов в пересечении, с четным или нечетным числом столбцов волокон основы, расположенных между ножками. Заготовка может обладать одинаковой или неодинаковой длиной и/или одинаковой или неодинаковой высотой ножек. Ножки могут быть перпендикулярны или не перпендикулярны к основанию, или расположены под углом к нему. Ножки могут быть параллельны друг другу, или расположены под углом друг к другу, и/или между ними могут быть каналы переменной ширины. По меньшей мере одна ножка может проходить в направлении основы и/или утка по синусоиде, зигзагообразно, по диагонали, криволинейным или нелинейным образом. Предпочтительно, наружные концы основания и/или ножек имеют сужения, образованные из конечных слоев волокон основы, имеющих ступенчатый рисунок.
Для лучшего понимания изобретения, его функциональных преимуществ и особых целей, достигаемых благодаря его использованию, сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты реализации, приведенные только в иллюстративных целях, а не для ограничения.
Термины «содержащий» и «содержит», используемые в настоящем описании, означают то же, что и термины «включающий в себе» и «включает в себя» или имеют значение, данное для терминов «содержащий» и «содержит» в Патентном Законодательстве США. Термины «состоящий по существу» или «по существу состоящий из», используемые в формуле изобретения, имеют значение, данное для них в Патентном Законодательстве США. Другие аспекты изобретения описаны или очевидны из последующего описания (в пределах объема изобретения).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, включенные для лучшего понимания изобретения, являются неотъемлемой частью настоящего описания. На представленных чертежах показаны различные варианты реализации изобретения, которые вместе с описанием служат для раскрытия принципов изобретения.
На фиг.1 показан схематический вид с торца П-образной заготовки, на котором изображено образование полных прокидок челнока и конфигурация волокон в этом месте согласно одному примерному варианту реализации изобретения.
На фиг.2а и 2b соответственно показаны заготовка согласно одному примерному варианту реализации изобретения и известная заготовка.
На фиг.3 показан схематический вид с торца П-образной заготовки, на котором изображена конфигурация волокон в этом месте согласно одному примерному варианту реализации изобретения.
На фиг.4 схематически показано сечение П-образной заготовки с ножками в вертикальном положении согласно одному примерному варианту реализации изобретения.
На фиг.5 показан схематический вид с торца рисунка переплетения или конфигурация волокон П-образной заготовки согласно одному примерному варианту реализации изобретения.
На фиг.6а и 6b схематически показаны сечения П-образной заготовки согласно одному примерному варианту реализации изобретения.
На фиг.6с показан схематический вид сверху тканой заготовки с ножками синусоидальной формы в вертикальном положении согласно одному примерному варианту реализации изобретения;
На фиг.7а и 7b показаны виды П-образной заготовки с синусоидальными ножками до отрезания плавающих волокон согласно одному примерному варианту реализации изобретения;
На фиг.7с и 7d показаны виды П-образной заготовки с синусоидальными ножками после отрезания плавающих волокон согласно одному примерному варианту реализации изобретения;
На фиг.8 схематически показано сечение композитной балки в форме буквы "I" с использованием двух П-образных тканых заготовок согласно одному примерному варианту реализации изобретения;
На фиг.9 показан схематический вид сверху тканой П-образной заготовки с ножками зигзагообразной формы согласно одному примерному варианту реализации изобретения; и
На фиг.10 показан схематический вид сверху тканой П-образной заготовки с ножками диагональной формы согласно одному примерному варианту реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
На фиг.1, 2а, 3 и 4 показан предпочтительный вариант реализации трехмерной заготовки 100. Заготовка 100 образована переплетением по меньшей мере одного волокна 114 утка в рисунке с волокнами 116 основы, которые проходят перпендикулярно к плоскости рисунка. На фиг.1 и 3 показан полный рисунок, используемый для образования П-образной заготовки 100, в которой волокна 114 утка показаны в плоскости наблюдения, волокна 116 основы показаны перпендикулярными плоскости наблюдения. Волокна 114, 116 показаны расположенными на расстоянии друг от друга на схематических видах конфигурации, хотя волокна 114, 116 плотно уложены вместе, при фактическом плетении законченной заготовки 100.
Как показано на фиг.1, все волокна 116 основы заготовки 100 по существу параллельны друг другу, с легкой волнистостью в продольном направлении вдоль каждого волокна 116, и, по существу, расположены в вертикальных столбцах. Предпочтительно, заготовка 100 выткана из материалов, используемых для типичных композитных структур, например стекловолокна, арамидных и углеродных волокон, и, согласно одному примерному варианту реализации изобретения, выткана содержащей основание 120 и две ножки 125 и 135, выходящие из основания 120 с образованием П-образного профиля. Ножки 125 и 135 могут быть перпендикулярны или не перпендикулярны основанию 120 или расположены под углом к нему. Основание 120 и каждая ножка 125 и 135 содержат по меньшей мере два слоя волокон 116 основы и, как показано, при необходимости содержат суженные концы. Для облегчения плетения заготовка 100 выткана с ножками 125 и 135, лежащими поверх основания 120, хотя ножки 125 и 135 предназначены для использования в вертикальном положении, с образованием канала 150, например показанного на фиг.4. Основание 120 показано содержащим восемь слоев волокон 116 основы, а ножки 125 и 135 показаны содержащими четыре слоя волокон 116 основы. Несмотря на то, что в данном примере использовано восемь слоев и четыре слоя для основания и для ножек соответственно, изобретение этим не ограничено, так как может быть использовано любое количество слоев для образования основания и ножек.
Дополнительно, как это показано, волокна 116 основы в основании 120 обладают меньшим поперечным сечением, чем волокна 116 основы в ножках 125 и 135. Благодаря использованию более маленьких волокон 116 основы только в основании 120, а не в ножках 125 и 135, увеличение времени, необходимого для плетения конфигурации на ткацком станке минимизировано, так как при этом все еще обеспечено более прочное основание 120 в заготовке 100, из-за большого количества переплетений волокон 116 основы.
Как показано на фиг.1, заготовка 100 показана с рисунком плетения, начинающимся на одном конце 105 основания 120, который показан на левой стороне основания 120. В типичной части рисунка плетения волокно 114 утка периодически меняет положение, находясь выше и ниже волокон 116 основы одного слоя, во время каждого перехода вправо, тем самым переплетаясь с волокнами 116 основы этого слоя. Кроме того, в типичной части рисунка плетения волокно 114 утка периодически меняет положение, находясь выше и ниже волокон 116 основы двух смежных слоев, во время каждого перехода влево, с переплетением слоев друг с другом. Несмотря на то, что описанные в настоящем описании примерные варианты реализации включают переплетение слой-к-слою, для реализации изобретения это необязательно. Некоторые слои заготовки могут быть выполнены без переплетения слой-к-слою. Как показано на чертежах и представлено в описании ниже, части рисунка плетения, включающие участки, расположенные внутри ножек 125 и 135, расположенные на краях и на наружных поверхностях заготовки 100 могут отличаться от данного рисунка плетения.
Как показано на фиг.1, основной рисунок плетения начинается с волокна 114 утка в положении А и проходит к центру основания 120 и затем к внешней стороне 112 одной из ножек 135 к положению В1. Затем волокно 114 утка проходит к положению С на дальнем правом конце справа от ножки 135. Из положения С волокно 114 утка проходит обратно по той же линии к центру основания, из которого волокно 114 утка проходит вниз внутрь основания 120 и обратно к внешней стороне 112 другой ножки 125 к положению D на самом дальнем левом конце ножки 125. Затем волокно 114 утка проходит обратно по той же линии к центру основания 120 и проходит обратно внутрь основания 120 к положению В2, проходит через центральные столбцы волокон 116 основы, расположенные между ножками 125 и 135, затем обратно в основание 120 в положение Е и достигает положения F на другом конце 115 основания 120. Таким образом образован полный рисунок плетения волокон 114 утка, который, в основном, комбинирует четыре полупрокидки вместе с тремя полными прокидками, как показано на фиг.1. Конечные слои волокон 116 основы, имеющие ступенчатый рисунок, образуют суженные концы основания 120 и ножек 125 и 135, такие как сужение 124 на левом боковом крае основания 120 и сужение 126 на ножке 135.
Чтобы завершить одну ячейку, или вертикальную секцию, проходы волокон 114 утка поперек заготовки 100 повторяют для смежных слоев волокон 116 основы до тех пор, пока не будут переплетены все слои. Рисунок утка повторяют для образования смежных вертикальных секций с созданием непрерывной длины заготовки. Однако переплетения слоев необязательно, и основание 120 и/или ножки 125 и 135 заготовки 100 могут быть раздвоены на отдельные слои.
В частности, на фиг.3 показан рисунок плетения, используемый для образования ножек 125 и 135 и основания 120 в П-образной заготовке 100. Основание 120 показано с восемью слоями волокон 116 основы, а ножки 125 и 135 показаны с четырьмя слоями волокон 116 основы, хотя рисунок может быть изменен с образованием большего или меньшего количества слоев волокон основы в основании 120 и в ножках 125 и 135. Другими словами, основание 120 может содержать больше слоев, чем каждая ножка 125 и 135, или наоборот. Рисунок плетения обеспечивает переплетение волокон 116 основы внутри слоя и переплетение между слоями волокон основы. Смежные слои переплетены проходом части волокон 114 утка выше волокон 116 основы в первом слое в первом столбце и ниже волокон основы в соседнем втором слое в смежном втором столбце, причем второй слой расположен ниже первого слоя. Ножки 125 и 135 вытканы лежащими сверху в горизонтальном положении, как показано на чертеже, когда рисунок выткан. В процессе установки каждую ножку 125 и 135 перемещают в вертикальное стоящее положение, ширина каждой ножки 125 и 135 в вертикальном положении составляет четыре слоя.
Заготовка 100 улучшена по сравнению с известными ткаными заготовками в части обеспечения более симметричного распределенного пересечения ножек 125 и 135 с основанием 120. Основание 120 содержит три центральных столбца волокон основы, и два разделительных столбца волокон основы, смежных центральными столбцами с каждой боковой стороны центральных столбцов. Использование нечетного количества центральных столбцов позволяет соткать, по существу, зеркальное отображение одной из боковых сторон от центральной плоскости симметричного разреза центрального столбца с улучшением симметрии распределения нагрузки внутри основания 120. Несмотря на то, что показаны три центральных столбца, предпочтительный вариант реализации заготовки 100 может содержать любое количество центральных столбцов, которое образует номинальную ширину канала 150, образованного при нахождении ножек 125 и 135 в вертикальном положении. Ножки 125 и 135 могут быть перпендикулярны или не перпендикулярны основанию 120 или расположены под углом к нему. Аналогично, ножки 125 и 135 могут быть параллельными друг другу или расположенными под углом друг к другу и/или могут обладать одинаковой или неодинаковой длиной и/или одинаковой или неодинаковой высотой.
Для симметричной передачи нагрузок от ножек 125 и 135 основанию 120, таких как нагрузка от элемента (не показан), прикрепленного между вертикальными ножками 125 и 135, части волокон 114 утка, соединяющих ножки 125 и 135, разделены на группы из равного или по существу равного количества волокон. Каждая группа пересекается с основанием 120 между одним из разделительных столбцов и центральными столбцами или между одним из разделительных столбцов и расположенным справа или слева боковым столбцом, смежным с указанным разделительным столбцом. Например, как показано на фиг.3, группа 29 проходит между слоями 2 и 4 ножки 125 и основания 120, пересекая основание 120 между столбцами «с» и «d». Подобным образом, группа 31 пересекает основание 120 между столбцами «d» и «е», группа 33 пересекает основание 120 между столбцами «g» и «h», группа 37 пересекает основание 120 между столбцами «h» и «i». Следует заметить, что несмотря на то, что на чертежах показана симметричная геометрия, способ можно использовать также в производстве асимметричных конфигураций.
Несмотря на то, что показано предпочтительное расположение приблизительно в центре заготовки 100, центральный столбец может содержать столбцы волокон 116 основы, расположенные сбоку от центра заготовки 100. Например, столбцы «b», «с» и «d» могут содержать центральные столбцы, и столбцы «а» и «е» могут быть разделительными столбцами. Таким образом, ножки 125 и 135 смещают к внешнему краю основания 120, все еще обеспечивая симметрию в рисунке плетения основания 120 рядом со столбцами «b», «с» и «d» с обеспечением симметричного распределения нагрузки от ножек 125 и 135 к основанию 120. Сужения, такие как сужение 124 и сужение 126, образованы на наружном конце заготовки посредством отрезания последующих слоев волокон основы до длины, которая короче, чем длина волокон предыдущего слоя. Например, на фиг.3 показан слой 5, заканчивающийся на столбце «s», слой 6 заканчивается на столбце «t», слой 5 короче слоя 6 на одно волокно 116 основы. Подобным образом, слой 6 короче слоя 7, и данный рисунок повторяется для каждого смежного нижележащего слоя. Заготовка, содержащая суженные концы на основании или на вертикальных ножках, обладает большей устойчивостью к поверхностным нагрузкам, чем заготовка, в которой все слои волокон основы заканчиваются на одной длине. Кроме того, использование волокон меньшего размера для волокон основы с сужениями обеспечивает более гладкий, более постепенный переход от заготовки к компоненту, с которым она соединена. Рисунок плетения, показанный на фиг.3, относиться к случаю с восемью слоями волокон 116 основы основания 120.
На фиг.4 показана законченная тканая П-образная заготовка 100 с ножками 125 и 135 в вертикальном положении с образованным между ними каналом 150. Однако ножки 125 и 135 могут быть перпендикулярны или не перпендикулярны основанию, или быть расположены под углом к нему. Заготовка 100 выткана повторением полного рисунка плетения с образованием смежных вертикальных секций в продольном направлении заготовки 100. В процессе плетения образуют заготовку 100 непрерывной длины, которую затем обрезают до желаемой длины для установки. Пример заготовки, образованной согласно изобретению, и сравнительная заготовка 10 известной конструкции с петлями 30 между вертикальными ножками показаны на фиг.2а и 2b соответственно.
В одном примерном варианте реализации изобретения предложен способ плетения заготовки 200 с ножками 225 и 235, так что они необязательно являются прямыми и проходят в направлении основы и/или утка. В одном примерном варианте реализации ножки могут проходить в направлении основы и/или утка по синусоиде, зигзагообразно, по диагонали, криволинейным или нелинейным образом. Ширину канала 250 можно менять в зависимости от области применения. В некоторых примерах заготовка может иметь канал нулевой ширины, т.е. слои, образующие заготовку, могут пересекаться друг с другом в местах, на которых они меняются позициями. Однако слои необязательно переплетать вместе во всякой части заготовки. Однако такое свойство не является обязательным для правильного функционирования изобретения, и может быть использовано или не использовано в зависимости от конечного применения заготовки. Смещение ножек, согласно данному варианту, может быть достигнуто путем выборочного удаления некоторых волокон 216 основы из частей заготовки, образующих вертикальные ножки 225 и 235 с одновременным добавлением волокон 216 основы к другим частям. Например, для перемещения ножек влево в направлении утка, волокна 216 основы удаляют из основания одной вертикальной ножки 225 и одновременно добавляют у основания соседней вертикальной ножки 235. Подобным образом, обратное действие может быть выполнено для перемещения ножек вправо. Несмотря на то, что описанные в настоящем описании примерные варианты реализации содержат ножки, образованные в направлении основы, ножки могут быть образованы в направлении утка путем выборочного добавления или удаления волокон утка, по меньшей мере, из одной ножки. В таком случае волокна основы могут быть использованы для переплетения слой-к-слою вместо волокон утка. Однако такое переплетение необязательно для реализации изобретения. Некоторые слои заготовки могут быть выполнены без переплетения слой-к-слою.
На фиг.5 показано сечение конфигурации волокон заготовки 200, перпендикулярной волокнам 216 основы. Кружками показаны отдельные волокна 216 основы, путь непрерывного волокна 214 утка показан сплошной линией. Следует заметить, что большая часть волокон, образующих вертикальные ножки 225 и 235, являются непрерывными по всей длине заготовки 200. Прерываются только волокна 240, расположенные у краев. Данные волокна 240 удерживают выше или ниже участка плетения заготовки 200, и отрезают после того, как заготовку удаляют с ткацкого станка. Вертикальные ножки 225 и 235, согласно данному варианту реализации, могут быть сдвинуты практически к любому месту поддерживающей полки или основания 220, и крепятся к нему волокнами 214 утка. Однако положение должно изменяться ступенчато, причем минимальная ширина шага равна ширине одного столбца основы. Заготовка 200 может быть выткана с использованием любого известного рисунка для волокон основы, т.е. переплетением слой-к-слою, угловым переплетением через толщину, ортогональным переплетением и т.д.
Согласно одному варианту реализации изобретения предложен способ плетения волоконной заготовки 300 с ножками 305, 310, 310, 315 и 320, которые расположены, так что заготовка обладает равномерной шириной полки, которая является прямой вдоль длины заготовки 300, а по меньшей мере одна ножка 315, 320 перпендикулярна к полке, но следует по криволинейному пути вдоль длины заготовки 300. Волокна основы и утка могут быть переплетены так, как рассмотрено в вышеуказанных вариантах реализации, или они могут быть просто переплетены с гладким рисунком переплетения с образованием разных слоев. Несмотря на то, что описанные в настоящем описании примерные варианты реализации, содержат ножки, образованные в направлении основы, они могут быть образованы в направлении утка путем выборочного добавления или удаления волокон утка по меньшей мере из одной ножки. В таком случае волокна основы могут быть использованы для переплетения слой-к-слою вместо волокон утка. Однако это необязательно для реализации изобретения. Некоторые слои заготовки могут быть без переплетения слой-к-слою.
На фиг.6а-6с показан примерный вариант реализации изобретения. На фиг.6а схематически показано сечение заготовки 300, как она выткана, согласно данному примерному варианту. Заготовка 300 может быть первоначально выткана гладкой с четырьмя ножками 305, 310, 315 и 320, лежащими одна поверх другой, параллельно плоскости Х-Y, как показано на фиг.6а. Ножки 315 и 320 могут быть согнуты вверх от ножек 305 и 310 соответственно, так что ножки 315 и 320 теперь будут находятся в вертикальном положении, как показано на фиг.6b, с образованием П-образной конфигурации. В данном примере ножки 305 и 310 образуют прямую полку или основание, а ножки 315 и 320 могут следовать, например, по синусоиде, по отношению к прямой полке, как показано на фиг.6с.
Различные виды П-образной заготовки с конфигурацией слой-к-слою с ножками, проходящими по синусоиде в направлении основы, показаны фиг.7а-7d. На фиг.7а показан вид сверху заготовки 300, после того как она выткана, до отрезания плавающих волокон, с ножками 315 и 320, расположенными сверху. На фиг.7b показан вид сверху заготовки 300, после того как она выткана, до отрезания плавающих волокон, с ножками 305 и 315, расположенными сверху. На фиг.7с показан вид сверху сложенной заготовки 300, с вертикальными ножками 315 и 320, после отрезания плавающих волокон. На фиг.7с показан вид сверху сложенной заготовки 300 с ножками 305 и 310, показанными образующими полку, после отрезания плавающих волокон.
В одном примерном варианте реализации изобретения предложен способ образования тканой заготовки, согласно которому переплетают волокна основы с волокнами утка с образованием основания и по меньшей мере одной ножки, выходящей из основания, выборочно удаляют по меньшей мере одно волокно утка из первой ножки и/или выборочно добавляют по меньшей мере одно волокно утка к первой ножке, посредством чего перемещают указанную первую ножку на заданное расстояние в направлении основы. Способ дополнительно содержит этап, на котором одновременно добавляют и/или удаляют волокна утка ко второй ножке, посредством этого одновременно перемещают вторую ножку на заданное расстояние в направлении основы. Данный процесс добавления и/или удаления волокон утка можно повторять с образованием по меньшей мере одной ножки вдоль кривой в направлении утка. По меньшей мере одна ножка может быть образована в направлении утка в синусоидальной, зигзагообразной, диагональной, криволинейной или нелинейной конфигурации или в комбинациях этих конфигураций.
В одном примерном варианте реализации изобретения предложена тканая заготовка, содержащая волокна утка, переплетенные со слоями волокон основы с образованием основания и по меньшей мере одной ножки, выходящей из основания, в которой по меньшей мере одно волокно утка выборочно удалено из первой части заготовки, образующей первую ножку и/или по меньшей мере одно волокно утка выборочно добавляют к первой части заготовки, посредством чего перемещают первую ножку на заданное расстояние в направлении основы. По меньшей мере, одна ножка образована в направлении утка в синусоидальной, зигзагообразной, диагональной, криволинейной или нелинейной конфигурации или в комбинациях этих конфигураций.
Несмотря на то, что в вышеуказанном варианте рассмотрена синусоидальная П-образная заготовка, изобретение этим не ограничивается. Например, заготовка может быть образована с вертикальными ножками 315 и 320, проходящими зигзагообразно, по диагонали, по криволинейному или нелинейному пути, или по комбинированной кривой, в направлении основы и/или в направлении утка. По меньшей мере одна ножка может быть образована в направлении основы или утка в синусоидальной, зигзагообразной, диагональной, криволинейной или нелинейной конфигурации или в комбинациях этих конфигураций. Некоторые примеры таких форм показаны на фиг.9 и 10.
Такие заготовки могут быть использованы в композитных структурах для армирования соединений и построения заготовок для более сложных структур, таких как лонжероны и ребра жесткости в самолетах. Пример того, как можно использовать П-образную заготовку 300 для построения композитной балки 340 в форме буквы "I", показан на фиг.8.
Основным видом повреждений структуры, показанной на фиг.8, является продольный изгиб балки 340 между двумя П-образными полками 300, когда балка 340 подвергается изгибу или сжатию в направлении оси Z. Предпочтительный способ улучшить прочность на продольный изгиб для структуры такого типа, согласно одному варианту реализации изобретения, заключается в образовании балки 340 синусоидальной формы в направлении оси X. Это обеспечивает геометрическую жесткость, которая, по существу, позволяет увеличить критическую нагрузку при продольном изгибе при небольшом увеличении веса. Композитные синусоидальные лонжероны и ребра жесткости, изготовленные из традиционных материалов, используют в конструкции самолета. Однако они требуют значительного объема ручной работы, для резкого отклонения и сгиба слоев, которых сгибают от балки к нижней и верхней полке. Следовательно, настоящее изобретение решает эту проблему, посредством плетения вертикальных ножек П-образной заготовки синусоидальной формы. Теперь балка 340 может быть изготовлена из прямоугольной полосы материала, которую легко сформировать в синусоидальную форму и установить между вертикальными ножками 315 и 320, соединенными с полками или основанием.
Кроме того, способ согласно настоящему изобретению может быть использован для создания форм с другим сечением, например в форме буквы «Т», или элемента жесткости в форме буквы «Т», имеющего переднюю часть в форме буквы «Т», проходящую по синусоиде относительно верхней части буквы «Т», или других форм, таких как заготовки, имеющие по меньшей мере три ножки. Способ согласно настоящему изобретению может быть использован для плетения заготовок с ножками с переменной толщиной или переменной длиной или высотой, которые могут быть параллельными друг другу или расположенными под углом друг к другу по меньшей мере в одной плоскости. Заготовка может быть выткана с использованием любого подходящего рисунка плетения, т.е. переплетением слой-к-слою, угловым переплетением через толщину, ортогональным переплетением и т.д. Хотя предпочтительно использовать углеродное волокно, изобретение применимо практически к любым волокнам другого типа, таким как, например, стекло, керамика, арамид, полиэтилен, полипропилен и т.д. Как показано на фиг.1, 2а, 3 и 7а-7d, волокна утка могут быть сплетены в гладком рисунке плетения, однако для образования заготовки может быть использован практически любой рисунок плетения. Волокна основы могут быть использованы для соединения вместо волокон утка. Несмотря на то, что описанные в настоящем описании примерные варианты реализации включают переплетение слой-к-слою, для реализации изобретения это необязательно. Некоторые слои заготовки могут выполнены быть без переплетения слой-к-слою. Кроме того, фактически, ножки могут содержать любое количество слоев сплетенной ткани, и они могут содержать суженные концы вместо гладких, т.е. наружные концы основания и/или ножек могут быть выполнены в виде сужений, образованных из конечных слоев волокон основы, имеющих ступенчатый рисунок.
Обычно заготовки вытканы с использованием волокон одного типа, например углеродных (графитовых) волокон, как для волокон основы, так и для волокон утка. Хотя, заготовки могут быть сплетены с гибридным рисунком плетения, в котором волокна сделаны из различных материалов, таких как углеродное волокно и стекловолокно. Использование таких рисунков может привести к созданию заготовок большей прочности, более низкой стоимости и с оптимизированными характеристиками термического расширения. Рисунки плетения содержат все волокна основы одного типа и все волокна утка другого типа, или рисунок плетения может содержать волокна основы и/или волокна утка поочередно меняющихся типов, расположенные, например, в шахматном порядке через все слои.
Преимущества настоящего изобретения включают возможность плетения высокопрочной и простой в эксплуатации заготовки для сборки компонентов в структуры. Улучшено соединение сплетения волокон основы каждого слоя и соединение слоев друг с другом, при обеспечении высокосимметричного распределения нагрузок по всей заготовке. Соответственно, благодаря настоящему изобретению обеспечивают еще один способ и/или улучшенный способ создания трехмерных заготовок и/или армированных композитных структур с такими ножками, что они необязательно выполнены прямыми и проходят в направлении основы и/или утка.
Таким образом, благодаря настоящему изобретению достигнуты указанные цели и реализованы указанные преимущества, несмотря на то, что в настоящем описании раскрыто и представлено подробное описание предпочтительных вариантов изобретения, объем изобретения этим не ограничен, так как объем изобретения определен прилагаемой формулой изобретения.