新型圓軌道法的經(jīng)紗上機(jī)設(shè)計(jì)*

宮慶雙 胡吉永 馬顏雪 張瑞云 李毓陵 胡壽豐 張 建

1. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2. 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，東華大學(xué)，上海 201620；3. 中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241

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新型圓軌道法的經(jīng)紗上機(jī)設(shè)計(jì)*

宮慶雙1,2胡吉永1,2馬顏雪1,2張瑞云1,2李毓陵1,2胡壽豐3張 建3

1. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2. 產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，東華大學(xué)，上海 201620；3. 中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241

圓軌道法是三維筒狀織物的新型成型方法。分析三維機(jī)織物的三種基本組織在構(gòu)成三維筒狀機(jī)織物時(shí)的特點(diǎn)，并以一種多層接結(jié)組織為例，詳細(xì)介紹采用圓軌道法進(jìn)行織造時(shí)不同的經(jīng)紗上機(jī)方式，分析其各自的特點(diǎn)，以豐富和完善新型織造方法的應(yīng)用。

圓軌道法，三維筒狀織物，多層接結(jié)組織，經(jīng)紗上機(jī)

三維紡織復(fù)合材料以三維紡織預(yù)型件為增強(qiáng)相。該預(yù)型件賦予復(fù)合材料極佳的層間剪切強(qiáng)度、極好的抗沖擊損傷性、適宜的韌性，以及較高的比強(qiáng)度和比模量。同時(shí)，復(fù)合材料還具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗高溫等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、國(guó)防軍工、交通運(yùn)輸、汽車工業(yè)、船舶制造、能源等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1]。

筒狀結(jié)構(gòu)件是一種應(yīng)用廣泛的基本構(gòu)件，隨著輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料的不斷發(fā)展，三維筒狀織物已成為重要的研究方向。三維筒狀織物的成型方法有多種，楊婷婷[2]提出的新型圓軌道法如圖1所示，采用周向開口、徑向引緯和軸向打緯的方式進(jìn)行連續(xù)性織造，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)。

1～3—軌道 4—經(jīng)紗 5—引緯裝置 6—織物

1 三維組織分析

三維筒狀織物是指外形輪廓為圓筒狀、內(nèi)部為中空、具有一定壁厚的復(fù)雜多層三維織物，也可稱為無縫管狀織物。其組織屬于三維機(jī)織組織，基本組織主要有三種[3]：正交組織、角聯(lián)鎖組織和多層接結(jié)組織。但在織造三維筒狀織物時(shí)，由于開口方式和引緯方式的不同，以及紗線數(shù)量的差異，特別是紗線的取向變化(即經(jīng)紗上機(jī)方式)，從而顯著影響織造的過程和最終的織物結(jié)構(gòu)。因此，首先需對(duì)三種基本組織在圓軌道法織造條件下的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.1 正交組織

正交組織由三個(gè)系統(tǒng)的紗線呈正交狀態(tài)配置而組成一個(gè)整體[4]。在圓軌道法中，三個(gè)系統(tǒng)的紗線恰好分別對(duì)應(yīng)軸向紗、徑向紗和周向紗(圖2)。因此，無論哪個(gè)系統(tǒng)的紗線用于哪個(gè)方向，三維筒狀織物的總體結(jié)構(gòu)和織造過程都是一樣的。

(a) 正交組織 (b) 三維圓筒結(jié)構(gòu)

(c) 圓筒單元結(jié)構(gòu)

1.2 角聯(lián)鎖組織

角聯(lián)鎖組織[5]由2～4個(gè)紗線系統(tǒng)構(gòu)成，即緯紗系統(tǒng)、經(jīng)紗(接結(jié)經(jīng)紗)系統(tǒng)、襯經(jīng)系統(tǒng)和襯緯系統(tǒng)，前兩個(gè)系統(tǒng)是構(gòu)成三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)必不可少的，而后兩個(gè)系統(tǒng)是可選擇的。在圓軌道法中，利用圖3(a)所示的結(jié)構(gòu)織制三維筒狀織物，兩個(gè)系統(tǒng)可分別對(duì)應(yīng)軸向紗或周向紗。而哪個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)軸向紗、哪個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)周向紗，即軸向紗(經(jīng)紗)的上機(jī)方式不同，三維筒狀織物的結(jié)構(gòu)和織造過程顯然是不同的，如圖3(b)、(c)所示。

(a) 結(jié)構(gòu)示意

(b) 三維筒狀結(jié)構(gòu)1

(c) 三維筒狀結(jié)構(gòu)2

1.3 多層接結(jié)組織

多層接結(jié)組織由兩個(gè)系統(tǒng)紗線交織而成，沿織物厚度方向，紗線交織在一起，即一般概念的“層”之間是連接在一起的，因此提高了織物“層”之間的抗剪切能力[6-7]。圖4所示是一種基礎(chǔ)組織為平紋組織的接結(jié)線整體接結(jié)三層組織。

(a) 結(jié)構(gòu)示意

(b) 三維筒狀結(jié)構(gòu)1

(c) 三維筒狀結(jié)構(gòu)2

利用圖4(a)所示的結(jié)構(gòu)織制三維筒狀織物，也會(huì)遇到與角聯(lián)鎖組織相同的問題，即不同的經(jīng)紗上機(jī)方法會(huì)導(dǎo)致最終的織物結(jié)構(gòu)和織造過程不同。

2 經(jīng)紗上機(jī)方式

經(jīng)紗上機(jī)是織造過程中必備的工序，結(jié)合圓軌道法中經(jīng)紗豎直向下并沿圓軌道分布的特點(diǎn)，以圖4(a)所示的結(jié)構(gòu)為例，對(duì)不同的經(jīng)紗上機(jī)方式做詳細(xì)分析。

2.1 上機(jī)方式1

將圖4(a)所示的結(jié)構(gòu)中的A、B、C、D、E和F作為經(jīng)紗進(jìn)行上機(jī)，得到圖4(b)所示的三維筒狀結(jié)構(gòu)，可以看出：沿直徑方向，都是3根經(jīng)紗構(gòu)成一排，每?jī)膳沤?jīng)紗構(gòu)成一個(gè)經(jīng)紗循環(huán)，因此需要3層軌道，相當(dāng)于每層織物1層軌道；而沿圓周方向，顯然需要8根紗線才能形成完整的單元結(jié)構(gòu)。但由于所織的是圓筒結(jié)構(gòu)，為保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，在經(jīng)紗總排數(shù)和所需的圓周引緯紗線數(shù)上，需要做特別的考慮[8]。

(1) 如果引緯紗線根數(shù)為1，則基礎(chǔ)組織的緯向飛數(shù)是常數(shù)的單層管狀織物的總經(jīng)紗數(shù)Mj為：

Mj=RjZ±Sw

(1)

式中：Rj表示基礎(chǔ)組織的經(jīng)紗循環(huán)數(shù)；Z表示基礎(chǔ)組織的循環(huán)個(gè)數(shù)；Sw表示基礎(chǔ)組織的緯向飛數(shù)。

此條件下，一根紗線必須依次走完一個(gè)組織循環(huán)的所有緯紗，每一緯有不同的經(jīng)紗開口。

若按照?qǐng)D4(b)所示的筒狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)紗上機(jī)，由于圖4(a)所示是一種三層接結(jié)組織結(jié)構(gòu)，且每層的組織及接結(jié)組織的Rw都為2。因此，如果引緯紗線根數(shù)為4，則圖4(a)所示結(jié)構(gòu)的織物的總經(jīng)根數(shù)M為：

M=(RjZ±Sw)N

(2)

式中：N表示軌道層數(shù)，此處為3。

此時(shí)，4根引緯紗線必須依次走完對(duì)應(yīng)循環(huán)中的2根緯紗，每根引緯紗線對(duì)應(yīng)2種經(jīng)紗開口，共有8種不同的經(jīng)紗開口。顯然，手工織造時(shí)容易出現(xiàn)開口差錯(cuò)，但緯紗之間不容易弄混。

(2) 如果引緯紗線根數(shù)為基礎(chǔ)組織的緯紗循環(huán)數(shù)Rw，則單層管狀織物的總經(jīng)紗數(shù)為：

Mj=RjZ

(3)

此條件下，Rw根紗線同時(shí)進(jìn)行引緯，每根紗線各自的經(jīng)紗開口保持不變。

同樣，若按照?qǐng)D4(b)所示的筒狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)紗上機(jī)，如果引緯紗線根數(shù)為8，則三維多層筒狀織物的總經(jīng)根數(shù)為：

M=RjZN

(4)

此時(shí)，8根引緯紗線分別對(duì)應(yīng)8種不同的經(jīng)紗開口，每根引緯紗線對(duì)應(yīng)的經(jīng)紗開口保持不變。顯然，手工織造時(shí)不容易出現(xiàn)開口差錯(cuò)，但容易發(fā)生緯紗弄混問題。

由此可見：

1) 在本經(jīng)紗上機(jī)方式下，織出的三維多層筒狀織物的軸向紗少、周向紗多。軸向紗少，意味著所需的軌道層數(shù)少，有利于在不增加設(shè)備復(fù)雜程度的條件下，織出厚度比較厚且徑向力學(xué)性能較好的三維多層筒狀織物；周向紗多，意味著織造效率會(huì)比較低。

2) 在本經(jīng)紗上機(jī)方式下，引緯紗線數(shù)不同，總經(jīng)根數(shù)的計(jì)算方法也不同。引緯紗線根數(shù)少，手工織造時(shí)容易出現(xiàn)開口差錯(cuò)，但緯紗之間不容易弄混；引緯紗線根數(shù)多，手工織造時(shí)不容易出現(xiàn)開口差錯(cuò)，但容易發(fā)生緯紗弄混問題。

2.2 上機(jī)方式2

將圖4(a)所示結(jié)構(gòu)中的1、2、3、4、5、6、7和8作為經(jīng)紗進(jìn)行上機(jī)，所得三維筒狀結(jié)構(gòu)如圖4(c)所示，可以看出：沿直徑方向，8根經(jīng)紗構(gòu)成一排，每一排經(jīng)紗構(gòu)成一個(gè)經(jīng)紗循環(huán)，因此需要8層軌道；而沿圓周方向，6或3根引緯紗線都可以采用，會(huì)遇到與上機(jī)方式1類似的問題，但總經(jīng)根數(shù)均為：

M=RjZ

(5)

顯然，與上機(jī)方式1對(duì)比，在本上機(jī)方式下，軸向紗多、周向紗少。軸向紗多，需要的軌道層數(shù)多，不利于織出厚度比較厚的三維多層筒狀織物；周向紗少，織造效率高，手工操作時(shí)不容易出差錯(cuò)，但三維筒狀織物的徑向力學(xué)性能不高。

3 總結(jié)

(1) 采用圓軌道法，三種基本組織的三維筒狀機(jī)織物都能夠織造出來。

(2) 對(duì)于一種多層接結(jié)組織，有兩種經(jīng)紗上機(jī)方式。在上機(jī)方式1下，軸向紗少、周向紗多：軸向紗少，所需軌道層數(shù)少，有利于織出厚度更厚的三維筒狀機(jī)織物；周向紗多，有利于得到徑向力學(xué)性能更好的三維筒狀機(jī)織物，但織造效率低，手工操作時(shí)容易出差錯(cuò)。在上機(jī)方式2下，軸向紗多、周向紗少：軸向紗多，所需軌道層數(shù)多，不利于織出厚度更厚的三維筒狀機(jī)織物；周向紗少，織造效率高，但三維筒狀機(jī)織物的徑向力學(xué)性能不高。

(3) 采用任何一種經(jīng)紗上機(jī)方式，周向紗的引緯紗線數(shù)不同，總經(jīng)根數(shù)的計(jì)算方法也有所不同；引緯紗線數(shù)少，手工操作時(shí)紗線不容易弄混，但引緯過程容易出現(xiàn)開口錯(cuò)誤；引緯紗線數(shù)多，手工操作時(shí)紗線容易弄混，但引緯過程不容易出現(xiàn)開口錯(cuò)誤。

[1] 車劍飛，黃潔雯，楊娟．復(fù)合材料及其工程應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：138-195．

[2] 楊婷婷．三維筒狀織物的織造技術(shù)研究[D]．上海：東華大學(xué)，2015．

[3] 王美紅．三維機(jī)織預(yù)型件的織造技術(shù)[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2013，31(4)：1-9．

[4] 郭興峰．三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)的研究[D]．天津：天津工業(yè)大學(xué)，2003．

[5] 蔡陛霞．織物結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]．北京：中國(guó)紡織出版社，2008：10-19．

[6] HUANG Gu， ZHONG Zhili. Tensile behavior of 3D woven composites by using different fabric structures[J]．Materials and Design， 2002,23(7)：671-674．

[7] 劉亞芳，楊旭紅．多層接結(jié)三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和織造工藝探討[J]．國(guó)外絲綢，2009(3)：38-40．

[8] 白燕．管狀織物新設(shè)計(jì)方法[J]．上海紡織科技，2004，32(3)：28-29．

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Warp looming design of the new circular orbit weaving method

GongQingshuang1,2，HuJiyong1,2，MaYanxue1,2，ZhangRuiyun1,2，LiYuling1,2，HuShoufeng3，ZhangJian3

1. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China；2. Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China；3. AVIC Commercial Aircraft Engine Co., LTD., Shanghai 200241, China

Circular orbit weaving method is a new shaping-method to weave three-dimensional (3D) woven tubular fabrics. The characteristics of three basic 3D woven fabric weaves in forming 3D tubular fabrics were analyzed, and taking a multi-layer stitching weave as an example, different warp looming ways and their respective characteristics when using the circular orbit weaving method were described, to enrich and improve the application of the new weaving method.

circular orbit weaving method， three-dimensional tubular fabric， multi-layer stitching structure， warp looming

*上海市科委2012科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(12521102100);上海市自然基金項(xiàng)目 (14ZR1401000)

2015-11-05

宮慶雙，男，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槿S圓筒形機(jī)織物的設(shè)計(jì)與制備

TS105.1

A

1004-7093(2016)06-0013-04