关键词：碳纤维;变厚度三维织物;结构设计;三维立体织机;叶片
摘 要：碳纤维是一种兼具碳材料及纤维可加工性为一体的新材料,且碳纤维密度小、强力高、耐酸、耐碱、耐高温,是一种高性能材料,常被用作复合材料增强材料。采用碳纤维三维织物作为增强体结构,能有效改善复合材料的抗层间剪切力。根据拓扑原理可将发动机叶片预型件拓展为,沿着长度方向厚度小幅度增加的主体部分和厚度大幅度增加的榫头部分,横向中间厚、两边薄的要求。已有研究将叶片设计成纵向厚度连续小幅度增加,横向中间厚,两边薄的立体三维织物,并在第二代多综眼多剑杆织机上,采用涤纶纤维进行上机织造,实现了织物纵向厚度连续小幅度增加,横向中间厚,两边薄的要求。但横向厚度变化不明显,并未进行风扇叶片榫头部分的结构设计。且碳纤维是一种无捻长丝束,耐磨性差,织造过程中容易出现起毛、撕裂甚至断裂,对织造工艺及织造设备提出了更高的要求。本论文在此基础上,完成专用织机改造以及预型件的整体设计和加工,完善织物上机工艺,制备出基本满足实用要求的发动机叶片预型件。首先,本文采用纵横双向变厚度三维机织物组织设计的方式,进行织物横向结构设计,随后进行纵向结构设计,其中包括主体部分厚度小幅度连续变化的设计。完成主体部分的结构设计时,织物层数及纬纱根数均已达到最大。在此基础上,通过对织物的榫头部分的厚度变化特征的研究,对织物的每一个引纬截面进行了深入分析,采用增加纬纱线密度的方式进一步增加织物厚度,从而完成榫头部分织物厚度大幅度增加的要求。并通过在不改变表层织物纬纱线密度的前提条件下,增加织物表面纬纱根数的方式,实现织物表面平整、一致的要求。随后进行预实验,采用6页综框,经纱选用12k碳纤维进行三维平板织物的上机织造,发现现有织机钢筘打纬力及卷取力不够。故采用6页综框,经纱选用6k碳纤维进行预制件的上机设计。并在对上机工艺进行改进。将经向垫纱与参与交织的经纱分别整经到不同的经轴上。采用每筘穿入数不同,实现织物横向厚度变化。接着对现有的四综眼四剑杆织机进行调整。在进行主体部分的上机时,在纬纱纡管与木梭间加入不同规格的尼龙梭毛,来调整纬纱的张力,以适应织造的要求;将分层架处的固定压杆变为活动压杆,减小碳纤维在分层架处的摩擦。在进行榫头部分的上机时,重点解决了表里层织物纬纱数之比为2:1时,三维织物的上机图的设计方式。织物下机后,测试了织物纵向的厚度变化,结果表明:通过增加纬纱线密度的方式能实现织物厚度的较大幅度变化,且增加织物表面纬纱线根数能改善织物表面稀疏的现象。测试了织物横向厚度变化,结果表明:通过增加经向垫纱的比例,能增加织物横向厚度变化的幅度,且可合理配置空筘数达到预型件横向厚度变化区间的大小。最终采用rfi工艺进行复合,经复合后的织物外观符合叶片要求。
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