Комбинированные трехмерные тканые многослойные стойки для композитных конструкций
Изобретение относится к конфигурации трехмерных тканых заготовок для армирования композитной конструкции. Заготовка содержит центральную часть с переплетенными слоями, первую и вторую концевые части с независимыми ткаными слоями. Пласты независимых тканых слоев проходят по всей длине заготовки в центральной части с образованием трехмерной тканой конструкции. Пласты сотканы независимо один от другого в концевых частях с образованием стопки сотканных тканей. Между независимыми ткаными пластами в первой и второй концевых частях вкраплены диагональные пласты. Трехмерная композитная конструкция, армированная тканой заготовкой, содержит центральную часть, первую и вторую концевые части, а также связующий материал. Обеспечивается возможность восприятия конструкцией больших концентрированных нагрузок. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к геометрической конфигурации трехмерных тканых заготовок для армированных композитных конструкций, имеющих квазиизотропическое армирование, или армирование по многим направлениям, на одном или на двух концах конструкции, и армирование приблизительно в одном направлении во всех других областях.
Предпосылки изобретения
Применение армированных композитных материалов для производства элементов конструкции широко распространено в настоящее время, особенно в тех применениях, где востребованы их подходящие характеристики, которыми являются легкий вес, прочность, жесткость, термическая устойчивость, отсутствие потребности во внешней опоре и приспособляемость для формирования и придания им желаемой формы. Подобные компоненты используются, например, в воздухоплавательной, аэрокосмической, спутниковой и аккумуляторной промышленностях, а также для применений с целью отдыха и развлечений, например в гоночных лодках и автомобилях, и в бесчисленных других применениях. Трехмерная структура в основном состоит из волокон, ориентированных в трех направлениях, при этом каждое волокно проходит вдоль направления, перпендикулярного остальным волокнам, то есть вдоль направлений осей X, Y, Z.
Обычно компоненты, образованные из подобных структур, состоят из армирующих материалов, внедренных в связующие материалы. Армирующий компонент может быть изготовлен из таких материалов, как стекло, углерод, керамика, арамид (например, «KEVLAR®»), полиэтилен и/или других материалов, которые проявляют необходимые физические, термические, химические и/или другие свойства, главным из которых является высокое сопротивление механическому разрушению под действием нагрузки. За счет использования таких армирующих материалов, которые в конечном счете становятся составляющим элементом законченного компонента, завершенному композитному компоненту придаются такие необходимые характеристики армирующих материалов, как очень высокая прочность. Составляющие армирующие материалы могут обычно быть ткаными, вязанными или иным образом сориентированными в необходимые конфигурации и формы для армирующих заготовок. Обычно особое внимание уделяется тому, чтобы гарантировать оптимальное использование тех свойств, из-за которых эти составляющие армирующие материалы были выбраны. В основном такие армирующие заготовки комбинируются со связующим материалом для образования необходимых окончательных компонентов или для производства текущего запаса для конечного изготовления окончательных компонентов.
После создания необходимой армирующей заготовки связующий материал может быть введен и совмещен с заготовкой так, что армирующая заготовка оказывается заключенной в связующий материал, так что последний заполняет промежуточные области между составляющими элементами армирующей заготовки. Связующий материал может быть любым из широкого разнообразия материалов, таких как эпоксидная смола, полиэстер, винилэстер, керамика, углерод и/или другие материалы, которые также проявляют необходимые физические, термические, химические и/или другие свойства. Материалы, выбранные для использования в качестве связующего материала, могут быть или могут не быть теми же самыми, как те, которые использованы для армирующей заготовки, и могут иметь или не иметь сопоставимые физические, химические, термические и/или другие свойства. Обычно, тем не менее, они не будут теми же самыми материалами или иметь сопоставимые физические, химические, термические и/или другие свойства, какие имеет армирующая заготовка, так как в качестве обычной искомой цели использования композитов на первом месте стоит достижение комбинации характеристик в окончательном продукте, что недостижимо за счет использования только одного составляющего материала.
После соединения армирующая заготовка и связующий материал затем могут быть термически отверждены и укреплены в одной и той же операции путем термоусадки или других известных способов, а затем подвергнуты другим операциям для получения необходимого компонента. Важно обратить внимание на то, что затвердевшие массы связующего материала, то есть после того, как они были таким образом термически отверждены, обычно очень сильно прилипают к армирующему материалу (например, армирующей заготовке). В результате нагрузка на окончательный компонент, особенно посредством связующего материала, действующего как связующее вещество между волокнами, может быть эффективно передана к составляющему его материалу армирования армирующей заготовки, и выдержана им.
Обычно простые двухмерные тканые ткани или расположенные в одном направлении волокна производятся поставщиком материала и отправляются потребителю, который вырезает шаблоны и складывает конечную часть слой за слоем. Простейшими ткаными материалами являются плоские, по существу двухмерные, конструкции с волокнами, проходящими только в двух направлениях. Они образуются за счет переплетения двух наборов нитей, перпендикулярных друг другу. В двухмерном ткачестве нити под углом 0° называются волокнами или нитями основы, а нити под углом 90° называются волокнами или нитями утка, или заполнения. Для трансферного формования смолы комплект тканых тканей может быть составлен с образованием сухого наслоения, которое располагается в форме и заливается смолой под давлением. Эти ткани могут быть заранее изготовлены с использованием либо технологии «разрезать и сшить», либо получены термическим формованием и «приметаны» с использованием связующего вещества на основе смол.
Двухмерные тканые структуры, однако, имеют ограничения. Этап предварительного формования требует большого ручного труда в наслоении. Двухмерные тканые структуры не являются такими же прочными или устойчивыми к растяжению вдоль направлений, отличных от осей 0° и 90°, особенно при углах, более удаленных от осей волокон. Один способ для снижения этого возможного ограничения состоит в том, чтобы добавить диагональные волокна к переплетению, и вплетаемые волокна врезаются поперек ткани при промежуточном угле, предпочтительно при ±45° к оси волокон заполнения.
Простые тканые заготовки также кладутся отдельными слоями. Это ограничивает возможную прочность материала. Одно возможное решение состоит в том, чтобы увеличить размер волокна. Другое - в том, чтобы использовать множественные пласты, или слои. Дополнительное преимущество использования многочисленных слоев состоит в том, что некоторые слои могут быть ориентированы из условия, чтобы оси основы и утка различных слоев находились в различных направлениях, таким образом действуя, как ранее описанные диагональные волокна. Если эти слои являются стопкой из отдельных слоев, собранных вместе с помощью смолы, тем не менее, затем возникает проблема расслаивания. Если слои сшиты вместе, то после этого многие из сплетенных волокон могут быть повреждены в течение процесса сшивания, и может уменьшиться полный предел прочности на растяжение. Кроме того, как для наслаивания, так и для сшивания множественных слоев обычно необходима операция ручного наслоения для выравнивания слоев. В качестве альтернативы, эти слои могут быть переплетаемыми как часть процесса ткачества. Создание множественных переплетенных слоев ткани, особенно со встроенными диагональными волокнами, было трудной проблемой.
Один из примеров, где композитные материалы используются для производства элементов конструкций, представлен в производстве работающих на сжатие и на растяжение элементов конструкции, то есть стоек и стяжек. Стойки и стяжки обычно содержат центральный стержень, имеющий стыковочные элементы на каждом конце конструкции. Эти стыковочные элементы могут иметь либо охватываемую, либо охватывающую (скоба) конфигурации, и используются для прикрепления стойки или стяжки к конструкции для ее упрочнения или укрепления. Как рассмотрено ранее, для того чтобы достичь увеличенной прочности композитной конструкции, множественные пласты, или слои, используются для стыковочных элементов и стержней стоек и стяжек. Хотя использование множественных слоев является преимущественным, так как индивидуальные слои могут быть ориентированы для обеспечения армирования в направлениях 0° и 90°, а также могут быть ориентированы под наклоном для выполнения армирования в дополнительных направлениях, таких как направления ±45°, если они сформированы в многослойную структуру с помощью смолы, то расслаивание этих слоев может составлять проблему. В качестве альтернативы, если слои сшиты вместе, то тогда, как рассмотрено ранее, многие сплетенные волокна могут быть повреждены в течение процесса сшивания, понижая общий предел прочности на растяжение окончательной конструкции.
Существует много примеров многослойных стыковочных элементов, в некоторых из которых используются разнородные материалы (то есть попеременные слои углерода и титана), но многослойные стыковочные элементы не были скомбинированы с трехмерным тканым стержнем. Жизнеспособность многослойных композитных стыковочных элементов для очень высоконагруженных конструкций была продемонстрирована в нескольких программах, профинансированных правительством. Тем не менее, по сведениям Заявителя, ни одна из этих программ не рассматривала использование трехмерных тканых заготовок.
Соответственно, существует потребность в трехмерных заготовках для использования в стойках и стяжках, имеющих многослойные стыковочные концы или части и монолитный трехмерный тканый центральный стержень. Преимущества использования трехмерной конструкции в центральной части заготовки заключаются в том, что это понижает ручной труд, требуемый для разрезания и упорядочивания всех слоев, требуемых для толстого композита, и в том, что это обеспечивает лучшую устойчивость к повреждениям по сравнению с традиционными многослойными композитами. Преимуществом независимых слоев на концах является то, что слоистый материал может быть приспособлен для того, чтобы иметь конкретные свойства.
Соответственно, существует необходимость в тканой заготовке, имеющей сотканную за одно целое трехмерную центральную часть, с многослойными стыковочными концами, содержащими независимые тканые слои.
Сущность изобретения
Следовательно, основная цель изобретения состоит в создании трехмерной тканой заготовки, имеющей переплетенный стержень и стопку из индивидуально сотканных тканей на стыковочных концах для использования в композитной конструкции.
Следующая цель изобретения состоит в создании тканой заготовки для толстой композитной конструкции, которая имеет квазиизотропное армирование, или армирование по многим направлениям, на одном или двух концах, и армирование приблизительно в одном направлении во всех областях.
Еще одна цель изобретения состоит в создании композитной конструкции, которая может быть использована для восприятия больших концентрированных 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 изготовления такой заготовки. Тканая заготовка содержит центральную часть с переплетенными слоями. Заготовка содержит первую концевую часть, имеющую независимые тканые слои, которые сотканы как одно целое с переплетаемыми слоями в центральной части и проходят вдоль всей длины заготовки. Также заготовка содержит вторую концевую часть, имеющую независимые тканые слои, которые сотканы как одно целое с переплетаемыми слоями в центральной части и проходят вдоль всей длины заготовки. Между независимыми ткаными слоями в первой и второй концевых частях есть вкрапленные диагональные пласты. Для того чтобы обеспечить промежутки между независимыми ткаными слоями в первой и второй концевых частях для диагональных слоев, слои волокон или нитей основы вытянуты из заготовки. Кроме того, в соответствии с любым из описанных вариантов выполнения может быть создана тканая заготовка, имеющая один стыковочный конец и один стержневой конец.
Другой аспект настоящего изобретения направлен на трехмерную армированную композитную конструкцию, созданную с использованием тканой заготовки, описанной в данном документе. Армированная композитная конструкция содержит центральную часть, которая имеет армирование в одном направлении, и первую и вторую концевые части, которые армированы квазиизотропически, или по многим направлениям. Армированная композитная конструкция также может быть создана так, что она имеет стержень на одном конце и стыковочную часть - на другом конце.
Различные характерные новые особенности, которые отличают изобретение, указаны подробно в формуле изобретения, приложенной к данному описанию и образующей его часть. Для лучшего понимания изобретения, его функциональных преимуществ и конкретных целей, достигаемых при его использовании, сделаны ссылки на сопровождающее описание, в котором проиллюстрированы предпочтительные варианты выполнения изобретения на сопровождающих чертежах, на которых соответствующие составные элементы обозначены одинаковыми номерами позиций.
Краткое описание чертежей
Нижеследующее подробное описание, данное посредством примера и не предназначенное для ограничения настоящего изобретения исключительно им, будет наилучшим образом понято в сочетании с сопровождающими чертежами, где аналогичные номера позиций обозначают аналогичные элементы и части, на которых:
на фиг.1 показан вид в плане композитной конструкции, имеющей стержень со стыковочными концами, имеющими охватываемую конфигурацию;
на фиг.2 показан вид в плане композитной конструкции, имеющей стержень со стыковочными концами, имеющими охватывающую, или в виде скобы, конфигурацию;
на фиг.3 показан вид в плане заготовки, созданной согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.4А показан вид в плане заготовки, имеющей стыковочные концы с симметричной конфигурацией, созданной согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.4В показан вид в плане заготовки, имеющей стыковочные концы с симметричной конфигурацией, созданной согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.4С показан вид в плане заготовки, имеющей стыковочные концы с асимметричной конфигурацией, созданной согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.4D показан вид в плане заготовки, имеющей стыковочные концы с асимметричной конфигурацией, созданной согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.5 показан вид в плане заготовки, созданной согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов выполнения
Настоящее изобретение ниже описано более полно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты выполнения изобретения. Тем не менее, данное изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно быть истолковано как ограниченное проиллюстрированными вариантами выполнения, предложенными в этом документе. Вернее, эти проиллюстрированные варианты выполнения выполнены таким образом, что это описание будет всесторонним и полным, и будет полностью передавать объем изобретения.
В нижеследующем описании аналогичными номерами позиций обозначены аналогичные или соответствующие элементы на всех чертежах. Кроме того, в нижеследующем описании понятно, что такие термины, как «верхний», «нижний», «верх» и «низ», а также подобные им, являются словами для удобства и не должны быть истолкованы как ограничивающие термины.
Настоящее изобретение представляет собой общий принцип заготовки для композитной конструкции или балки, которая имеет квазиизотропическое армирование, или армирование по многим направлениям, на одном или двух концах, и армирование приблизительно в одном направлении во всех остальных областях. Эта конфигурация желательна для конструкций, которым необходимо переносить значительные концентрированные нагрузки, таких как элементы конструкций, работающие на сжатие и на растяжение, то есть стойки и стяжки. Концы, имеющие квазиизотропическое армирование, или армирование по многим направлениям, обеспечивают хорошие опорные свойства и более сбалансированные пределы прочности на растяжение, сжатие и деформацию сдвига, делая их хорошими выборами для стыковочных концов конструкции. Эти стыковочные концы могут иметь либо охватываемую, либо охватывающую (в виде скобы), конфигурацию. Однонаправленная часть обеспечивает высокую осевую жесткость, что хорошо для предотвращения продольного изгиба или деформации стержня, делая его хорошим выбором для основного стержня стойки или стяжки. На фиг.1 показана стойка или стяжка 2, имеющая стыковочные концы 4 и трехмерную основную стержневую часть 6. Стыковочные концы 4 на фиг.1 имеют охватываемую конфигурацию. На фиг.2 показана стойка или стяжка 8 с трехмерной основной стержневой частью 10 и стыковочными концами 12, имеющими охватывающую конфигурацию, или конфигурацию скобы.
Преимущества использования трехмерной конструкции в центральной части заготовки состоят в том, что это снижает ручной труд, требуемый для разрезания и упорядочивания всех слоев, требуемых для толстого композита, и что это обеспечивает лучшую устойчивость к повреждениям, чем традиционные многослойные композиты. Преимущество независимых слоев на концах конструкции состоит в том, что слоистый материал может быть приспособлен таким образом, чтобы иметь особые свойства. Как описано, стыковочные концы рассматриваются как армированные квазиизотропически, или армированные по многим направлениям, но они могут иметь практически любую многослойную конфигурацию.
Предложенная заготовка содержит трехмерную тканую часть, состоящую из некоторого количества слоев и аналогичного количества независимых диагональных слоев. В центральной, или стержневой, части трехмерной тканой детали все слои являются переплетенными, или сотканными вместе как одно целое с образованием монолитного блока из тканого материала. Волокнистая структура, используемая в этой части, может быть любого традиционного рисунка для толстой заготовки, включая, но не ограничиваясь ими: «слой на слой», «по толщине», «угловое взаимоперекрытие» или «прямоугольная» структуры. На концах конструкции индивидуальные слои сплетаются независимо один от другого для образования стопки тканей с армированием в направлениях 0° и 90°, где направление 0° - это направление вдоль длины конструкции. Диагональные слои, или пласты, которые созданы отдельно, обеспечивают армирование в дополнительных направлениях по отношению к направлению 0°/90°, таких как направление ±45°, вкраплены между слоями тканей «0°/90°» для формирования более традиционного многослойного материала. Диагональные слои, или пласты, могут быть сотканы с использованием волокон или нитей основы и утка, или они могут быть неткаными, связанными, или представлять собой массив или волокон, или нитей машинного или поперечного направлений. В последующих чертежах направление основы находится вдоль направления 0°, или вдоль длины конструкции, и указано стрелкой 100.
Все слои, которые составляют заготовку, включая центральную, или стержневую, часть, сотканы из волокон или нитей основы и волокон или нитей утка или заполнения, с использованием жаккардового ткацкого станка и захватываемого челнока ткацкой машины; тем не менее, для ткачества слоев может быть использована любая традиционная технология ткачества. Волокна или нити могут быть как из синтетических, так и из естественных материалов, таких как углерод, нейлон, искусственный шелк, полиэстер, стекловолокно, хлопок, стекло, керамика, арамид («KEVLAR®») и полиэтилен, но не ограничиваясь только ими. Завершенная тканая заготовка затем обрабатывается с образованием тканой/многослойной композитной конструкции путем введения связующего материала, такого как, но не ограничиваясь только этими: эпоксидная смола, полиэстер, винилэстер, керамика, углерод и/или другие материалы, которые также проявляют необходимые физические, термические, химические и/или другие свойства, с использованием традиционных технологий, таких как трансферное формование смолы или химическая инфильтрация пара, но не ограничиваясь только ими.
В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, на фиг.3 показана часть конструкции 14, имеющей толстую центральную часть 16, которая выполнена как одно целое с двумя более тонкими охватываемыми стыковочными концами 18, которые расположены на каждой стороне центральной части 16. Как можно видеть на фиг.3, толстая центральная часть 16 является монолитным трехмерным тканым стержнем, содержащим множество тканых слоев 50, которые переплетены или сотканы вместе. Для того чтобы образовать более тонкие охватываемые стыковочные концы 18, слои из волокон основы от толстого центрального стержня 16 выплетаются из заготовки для обеспечения конического перехода 22 от стержня 16 к более тонким стыковочным концам 18.
Как только необходимое количество слоев волокон основы выплетается из заготовки для заострения стержня до необходимой толщины стыковочных элементов, дополнительные слои волокон выплетаются из заготовки на более тонких стыковочных концах 18 для обеспечения промежутка, или свободного пространства, для диагональных пластов ткани. Оставшиеся волокна основы на более тонких стыковочных концах 18, которые сотканы как одно целое с множеством слоев 50 в стержневой или центральной части 16, и являются непрерывными вдоль длины конструкции, образуют индивидуальные слои из пластов 24, которые сотканы независимо один от другого. Эта стопка слоев или тканей обеспечивает армирование в более тонких стыковочных концах 18 в направлениях 0° и 90°. Так как пласты 24 со значениями 0°/90° не переплетены друг с другом, то в промежутках между пластами 24 с углами 0°/90° могут быть вкраплены диагональные пласты 26, которые обеспечивают армирование в дополнительных направлениях, таких как направление ±45°, образуя стопку тканей, которые, когда добавляется связующий материал, образуют многослойную конструкцию, которая обеспечивает квазиизотропическое армирование, или армирование по многим направлениям, на более тонких стыковочных концах 18. Кроме того, как показано на фиг.3, конструкция имеет непрерывное поверхностное волокно 28, которое образовано самыми дальними от центра волокнами основы толстого стержня 16.
При необходимости, в отличие от ранее описанной конструкции для этого варианта выполнения, который имеет центральную часть 16 с двумя более тонкими стыковочными концами 18 на каждой стороне центральной части 16, в соответствии с описанным вариантом выполнения может быть создана конструкция, имеющая только один более тонкий стыковочный конец 18. В таком случае конструкция будет содержать один конец, аналогичный монолитной трехмерной сплетенной центральной части 16, и один более тонкий стыковочный конец 18, как описанный выше. Конструкция, созданная таким образом, будет иметь близкое сходство с тем, что показано на фиг.3.
Другой вариант выполнения настоящего изобретения показан на фиг.4А-4D, на которых проиллюстрирована часть конструкции 30, содержащая два стыковочных конца 32, более толстых, чем монолитная трехмерная сплетенная центральная стержневая часть 34 конструкции 30. Как и в предыдущем варианте выполнения, центральная часть 34 содержит множество тканых слоев 35, которые переплетены, или сотканы воедино. В этой конфигурации, однако, нет необходимости выплетать волокна 36 основы из части 34 для создания более толстых стыковочных концов 32. Вместо этого, все волокна 36 основы, использованные для создания части 34, также используются для построения более толстых стыковочных концов 32. Волокна 36 основы из стержневой части 34, тем не менее, не переплетены друг с другом в более толстых стыковочных концах 32. Это позволяет вкраплять диагональные слои 38 между волокнами 40 основы в более толстых стыковочных концах 32, обеспечивающими армирование в направлении 0°/90°. Вследствие этого, более толстые стыковочные концы 32 имеют стопку тканей, состоящую из слоев или тканей, ориентированных под углом 0°/90°, и отдельно созданных слоев, ориентированных в направлениях, отличных от направления 0°/90°, например, слоев или тканей, ориентированных под углом ±45°, что, когда вводится связующий материал, дает в результате многослойный стыковочный элемент, имеющий квазиизотропическое армирование, или армирование по многим направлениям. Кроме того, как можно видеть на фиг.4A-4D, конструкции, созданные согласно этому варианту выполнения, будут иметь ступенчатый переход 42 от многослойного, более толстого, стыковочного конца 32 к монолитной части 34, тем самым улучшая передачу нагрузки от одной части к другой.
Как можно видеть на фиг.4A-4D, длина и расположение диагональных пластов 38 на всех чертежах различны. На фиг.4А и 4В показан стыковочный конец 32, имеющий симметричную конфигурацию. То есть длина и расположение диагональных пластов 38 в стыковочном конце 32 симметричны относительно центральной линии, или продольной оси А-А. На фиг.4А показана симметричная конфигурация, где длина последующих диагональных пластов 38 увеличивается в верхней половине 39 и в нижней половине 41 стыковочного конца 32, если двигаться от центральной линии А-А по направлению к верхней поверхности 43 и нижней поверхности 45 стыковочного конца 32. На фиг.4В показана симметричная конфигурация, где длина последовательных диагональных слоев 38 уменьшается в обеих половинах 39 и 41 стыковочного конца 32, если двигаться от центральной линии А-А по направлению к верхней поверхности 43 и нижней поверхности 45 стыковочного конца 32.
На фиг.4С и фиг.4D показан стыковочный конец 32, имеющий асимметричную конфигурацию. То есть длина последующих диагональных пластов 38 в стыковочном конце 32 только увеличивается или уменьшается, если двигаться от нижней поверхности 45 к верхней поверхности 43 стыковочного конца 32. На фиг.4С показана асимметричная конфигурация, где длина последующих диагональных слоев 38 в стыковочном конце 32 увеличивается, если двигаться от нижней поверхности 45 к верхней поверхности 43 стыковочного конца 32. Как показано на фиг.4D, также может быть создан асимметричный стыковочный конец 32, где длина последующих диагональных слоев 38 уменьшается, если двигаться от нижней поверхности 45 к верхней поверхности 43 стыковочного конца 32.
При необходимости, в отличие от ранее описанных конструкций, для этого варианта выполнения, который имеет центральную часть 34 с двумя более толстыми стыковочными концами 32 на каждой стороне центральной части 34, согласно описанному варианту выполнения может быть создана конструкция, имеющая только один более толстый стыковочный конец 32. В таком случае конструкция будет содержать один конец, аналогичный монолитной трехмерной тканой центральной части 34, и один более толстый стыковочный конец 32, как описано выше. Конструкция, созданная таким образом, будет соответствовать конструкциям, показанным на фиг.4А-4D.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения на фиг.5 показана часть конструкции 44, имеющей монолитную трехмерную тканую центральную стержневую часть 46 с двумя охватывающими стыковочными элементами, или соединительными скобами, 48. Как можно видеть на фиг.5, охватывающие стыковочные концы 48 расположены под углом относительно центральной части 46 таким образом, что концы 48 не лежат на одной линии с центральной частью 46 или не коллинеарны с ней. Аналогично предыдущим вариантам выполнения, центральная часть 46 состоит из множества сотканных слоев 50, которые переплетены, или сотканы воедино. Для того чтобы образовать охватывающие стыковочные концы, или скобы, 48, монолитная часть 46 ткется так, что она раздваивается в месте 52 с образованием двух половин соединительных скоб. Слои 54, проходящие под углом 0°/90°, в первой, или расположенной под углом, части 56 каждой половины соединительных скоб остаются переплетенными вместе.
Для того чтобы обеспечить промежуток между проходящими под углами 0°/90° армирующими слоями 58 для диагональных пластов 60 каркаса в параллельных, или концевых, частях 62 скобы, волокна основы выплетаются из расположенных под углом частей 56 заготовки. Остающиеся волокна основы на стыковочных концах 48, которые сплетены как одно целое с множеством сплетенных слоев 50 в центральной части 46 и в расположенных под углом частях 54, образуют отдельные слои, которые сотканы независимо друг от друга и обеспечивают армирование в скобе 48 в направлениях 0° и 90°. Так как слои 58 под углами 0°/90° не переплетены друг с другом, то армирование в направлениях, отличных от направления 0°/90°, например, в направлении ±45°, обеспечивается диагональными пластами 60, которые вкрапляются между слоями 58 направления 0°/90°, образуя стопки тканей в соединительных скобах, что обеспечивает квазиизотропическое армирование, или армирование по многим направлениям, когда к заготовке добавляется связующий материал.
При необходимости, в отличие от ранее описанной конструкции, для этого варианта выполнения, который имеет центральную часть 46 с двумя охватывающими стыковочными концами, или скобами, 48, на каждой стороне центральной части 46 согласно описанному варианту выполнения может быть создана конструкция, имеющая только один охватывающий стыковочный конец 48. В таком случае конструкция будет содержать один конец, аналогичный монолитной трехмерной тканой центральной части 46, и один охватывающий стыковочный конец, или скобу 48, как описано выше. Конструкция, созданная таким образом, будет более близко напоминать конструкцию, показанную на фиг.5.
Во всех описанных вариантах выполнения, после введения диагональных пластов в стыковочные концы, тканая заготовка может быть оплетена слоем стекольного материала для того, чтобы улучшить сопротивление истиранию заготовки.
Как очевидно для специалистов, конструкции, описанные выше, могут иметь многие формы, кроме тех, которые описаны в данном документе. Например, конструкции могут иметь толстый монолитный трехмерный сплетенный стержень с охватывающей стыковочной конфигурацией, или со стыковочной конфигурацией в виде соединительной скобы. Конструкция также может иметь толстый монолитный трехмерный тканый стержень с охватываемым стыковочным элементом на одном конце и с охватывающим стыковочным элементом - на другом конце. Кроме того, конструкция может иметь тонкий монолитный трехмерный сплетенный стержень с охватывающими стыковочными элементами на каждом конце, или охватываемый стыковочный элемент на одном конце, и охватывающий стыковочный элемент - на другом конце. Наконец, все конфигурации могу иметь: оба стыковочных элемента на одной линии с основной частью стержня или коллинеарные с ней; оба стыковочных элемента, расположенные под углом по отношению к основной части стержня; или один стыковочный элемент может быть коллинеарным с основной частью, и один стыковочный элемент может быть расположен под углом относительно основной части. Несмотря на то что, как описано выше, стыковочные концы рассматриваются как армированные квазиизотропически, или армированные по многим направлениям, эти стыковочные концы могут иметь практически любую многослойную конфигурацию. Следовательно, предложенные конструкции, например, работающие на сжатие или скрепляющие конструктивные элементы, могут иметь различные конфигурации для того, чтобы обеспечить разнообразные типы армирования или крепления, основанные на конкретной потребности конструкции или необходимом использовании.
Хотя в данном документе подробно описаны предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения и его модификации, следует понимать, что предложенное изобретение не ограничивается этим определенным вариантом выполнения и модификациями, и что специалисты могут осуществить другие модификации и варианты, без отступления от сути и объема изобретения, установленного в приложенной формуле изобретения.
1. Тканая заготовка, используемая для армирования композитной конструкции, содержащая:
центральную часть, имеющую переплетенные слои,
первую концевую часть, имеющую независимые тканые слои,
вторую концевую часть, имеющую независимые тканые слои, причем пласты указанных независимых тканых слоев проходят по всей длине заготовки в указанной центральной части с образованием трехмерной тканой конструкции,
причем указанные пласты сотканы независимо один от другого в указанных концевых частях с образованием стопки сотканных тканей,
и между указанными независимыми ткаными пластами в первой и второй концевых частях вкраплены диагональные пласты.
2. Тканая заготовка по п.1, в которой указанная центральная часть содержит слои, которые проходят вдоль всей длины указанной заготовки, и слои, которые частично проходят вдоль длины указанной заготовки.
3. Тканая заготовка по п.2, в которой указанные частично проходящие слои образованы волокнами или нитями основы, которые выплетены из указанной тканой заготовки и образуют переход от центральной части заготовки к ее первой и второй концевым частям.
4. Тканая заготовка по п.2, в которой промежутки для указанных диагональных пластов между независимыми ткаными слоями в первой и второй концевых частях образованы в результате выплетения волокон или нитей основы из указанной заготовки.
5. Тканая заготовка по любому из пп.1-4, в которой первая концевая часть и/или вторая концевая часть представляет собой стыковочный элемент, имеющий охватываемую или охватывающую конфигурацию.
6. Тканая заготовка по п.1, в которой первая концевая часть и/или вторая концевая часть коллинеарна с центральной частью или расположена под углом к ней.
7. Тканая заготовка по п.3, в которой указанный переход между центральной частью и первой и второй концевыми частями является плавным коническим переходом или ступенчатым переходом.
8. Тканая заготовка по п.1, в которой указанная центральная часть разветвляется на своем конце.
9. Тканая заготовка по п.8, в которой указанный разветвленный конец образует две половины охватывающего стыковочного элемента или скобы.
10. Тканая заготовка по п.1, в которой указанная центральная часть толще или тоньше, чем первая и вторая концевые части.
11. Тканая заготовка по п.1, в которой указанная центральная часть армирована в одном направлении.
12. Тканая заготовка по п.1, в которой указанные первая и вторая концевые части армированы квазиизотропически или по многим направлениям.
13. Тканая заготовка по п.1, в которой центральная часть и первая и вторая концевые части сотканы из волокон или нитей основы и утка.
14. Тканая заготовка по п.1, в которой указанная центральная часть имеет структуру волокон, выбранную из группы, состоящей из структур «слой к слою», «по толщине», «под прямым углом» и «угловое взаимоперекрытие».
15. Тканая заготовка по п.13, в которой указанные волокна или нити основы и утка выбраны из группы синтетических или натуральных материалов, состоящей из углерода, нейлона, искусственного шелка, полиэстера, стекловолокна, хлопка, стекла, керамики, арамида и полиэтилена.
16. Тканая заготовка по п.1, которая оплетена слоем стекла.
17. Способ изготовления тканой заготовки, используемой для армирования композитной конструкции, включающий:
переплетение слоев с образованием центральной части,
переплетение независимых слоев с образованием первой концевой части,
переплетение указанных независимых слоев с образованием второй концевой части,
причем пласты указанных независимых тканых слоев проходят по всей длине заготовки, и в центральной части указанные пласты ткут как одно целое с образованием трехмерной тканой конструкции, а в концевых частях указанные пласты ткут независимо один от другого с образованием стопки сотканных тканей, и
вкрапление диагональных пластов между указанными независимыми ткаными слоями в первой и второй концевых частях.
18. Трехмерная композитная конструкция, армированная тканой заготовкой, содержащая:
центральную часть, имеющую переплетенные слои,
первую концевую часть, имеющую независимые тканые слои, которые переплетены с образованием одного целого с указанными переплетенными слоями в центральной части и проходят вдоль всей длины тканой заготовки, и
вторую концевую часть, имеющую независимые тканые слои, которые переплетены с образованием одного целого с указанными переплетенными слоями в центральной части и проходят вдоль всей длины тканой заготовки, причем между указанными независимыми ткаными слоями в первой и второй концевых частях вкраплены диагональные пласты, и
связующий материал.
19. Композитная конструкция по п.18, которая образована с помощью технологического процесса, выбранного из группы, состоящей из трансферного формования смолы и химической фильтрации пара.
20. Композитная конструкция по п.18 или 19, в которой указанный связующий материал выбран из группы, состоящей из эпоксидной смолы, полиэстера, винилэстера, керамики и углерода.
21. Тканая заготовка, используемая для армирования композитной конструкции, содержащая:
стержневую часть, имеющую переплетенные слои,
стыковочную концевую часть, имеющую независимые тканые слои, которые переплетены с образованием одного целого с указанными переплетенными слоями в стержневой части и проходят вдоль всей длины тканой заготовки,
причем между указанными независимыми ткаными слоями в стыковочной концевой части вкраплены диагональные пласты.
22. Тканая заготовка по п.21, дополнительно содержащая связующий материал.
