管狀三維復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

閔爾君，宋路平，芮章俊，朱求是，王 旭

管狀三維復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

閔爾君1，宋路平1，芮章俊2，朱求是2，王 旭*1

（1.安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.蕪湖航飛科技股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

近年來(lái)，三維機(jī)織復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到了快速的發(fā)展，本文以平織機(jī)織造為基礎(chǔ)，結(jié)合管狀組織和三維組織提出一種管狀三維復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。分別以貫穿角聯(lián)鎖組織和貫穿正交組織為表組織，運(yùn)用底片翻轉(zhuǎn)法獲取里組織，并將表里組織按照1:1嵌入，得到管狀三維組織上機(jī)圖。通過(guò)小樣試織，結(jié)果表明本文提出的管狀三維組織設(shè)計(jì)方法可行，為開(kāi)發(fā)管狀三維復(fù)合材料增強(qiáng)體提供了參考。

管狀三維機(jī)織物；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；角聯(lián)鎖組織；貫穿正交組織

三維圓管狀復(fù)合材料是采用樹(shù)脂基體增強(qiáng)三維圓管狀機(jī)織復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、比剛度和比強(qiáng)度高、耐疲勞性能優(yōu)異、耐高溫耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、導(dǎo)彈、建筑、管道修復(fù)、船舶、航空航天等重要領(lǐng)域[1]。

目前已有眾多學(xué)者針對(duì)管狀三維復(fù)合材料及其應(yīng)用進(jìn)行研究：朱黎明等[2]介紹了三維管狀復(fù)合材料預(yù)制件的制備方式、特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，以及三維管狀復(fù)合材料的有限元模擬分析方法，突出三維機(jī)織管狀復(fù)合材料制備的工藝優(yōu)勢(shì)。周申華等[3]介紹一種新的立體管狀織物成型方法：三維圓織法。采用該方法，通過(guò)一定規(guī)律的開(kāi)口及引緯動(dòng)作, 可實(shí)現(xiàn)立體管狀織物的規(guī)格化、連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)品適應(yīng)性好，可以有較高的生產(chǎn)效率。冉丹等[4]基于對(duì)典型三維織物織造方法以及二維圓織成型方法的分析提出兩種織造管狀三維織物的方法，即經(jīng)向垂紗法和緯向垂紗法，并具體闡述了兩種方法的成型原理和成型方法，為管狀三維織物的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及圓織設(shè)備的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。針對(duì)管狀三維組織幾何模型和力學(xué)分析方面，管狀三維織物的研究更多在建立細(xì)觀幾何模型、以及分析其力學(xué)性能上。黃曉梅[5，6]介紹了管狀三維織物的組織機(jī)構(gòu)，分析了其織造技術(shù)，給出了管狀三維織物的組織機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，繪制了上機(jī)圖，同時(shí)說(shuō)明相較傳統(tǒng)織造工藝相管狀三維織物織造的特殊性，還探討了幾種三維管狀預(yù)制件如：經(jīng)向多排管織物、緯向雙（多）排管織物、90o交叉雙層管織物的設(shè)計(jì)與上機(jī)。朱紅等[7]介紹了三維多邊形、多排孔管狀結(jié)構(gòu)的形成原理與工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)與研制了典型的三維孔管狀織物結(jié)構(gòu)件，并對(duì)多邊形孔管尺寸進(jìn)行了參數(shù)分析。王黎黎等[8, 9]將角聯(lián)鎖組織作為管壁組織與雙層結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以1500D芳綸長(zhǎng)絲為原料，結(jié)合雙層織物的織造工藝，對(duì)經(jīng)角聯(lián)鎖管狀三維織物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及小樣試織，并且使用環(huán)氧樹(shù)脂等材料與其進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同厚度的條件下，制得的經(jīng)角聯(lián)鎖管狀三維復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯優(yōu)于平紋織物復(fù)合材料力學(xué)性能的簡(jiǎn)單疊加。

受上述研究者的啟發(fā)，本文擬采用貫穿正交和角聯(lián)鎖組織為基礎(chǔ)，運(yùn)用管狀組織的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)管狀三維機(jī)織物的組織設(shè)計(jì)。

1 管狀三維預(yù)型件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)管狀三維預(yù)型件時(shí)，先確定管壁組織，再由管壁組織的結(jié)構(gòu)示意圖，得到表組織的組織圖，然后將表組織運(yùn)用“底片反轉(zhuǎn)”法得出里組織，最后根據(jù)表里經(jīng)、緯排列比獲得上機(jī)圖。

1.1 管壁組織設(shè)計(jì)

1.1.1 貫穿正交組織設(shè)計(jì)

圖1所示為以緯紗貫穿型三層正交組織為基礎(chǔ)組織的管狀三維機(jī)織物示意圖，其中圓圈①～⑥代表經(jīng)紗，折線1、4代表貫穿緯紗，水平線2、3、5、6代表地緯紗。

圖1 三層貫穿正交組織結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1分析可知，三層貫穿型正交組織地緯層數(shù)比經(jīng)紗層數(shù)少一層。假設(shè)經(jīng)紗層數(shù)為N，則地緯紗層數(shù)為N-1。那么完全組織經(jīng)紗數(shù)Rj=2N，完全組織緯紗數(shù)Rw=2N。根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖畫(huà)出組織圖，圖2為三層貫穿正交組織圖，一個(gè)完全組織由6根經(jīng)紗和6根緯紗構(gòu)成，其中經(jīng)紗用序號(hào)①～⑥，緯紗用序號(hào)1～6表示，后圖中序號(hào)表示含義一致。

圖2 三層貫穿正交組織的組織圖

對(duì)于三層貫穿正交組織，織第一緯時(shí)經(jīng)紗④、⑤、⑥提升，織第二緯時(shí)經(jīng)紗①、④提升，織第三緯時(shí)經(jīng)紗①、②、④、⑤提升，織第四緯時(shí)經(jīng)紗①、②、③提升，織第五緯時(shí)經(jīng)紗①、④提升，織第六緯時(shí)經(jīng)紗①、②、④、⑤提升。

1.1.2 角聯(lián)鎖組織設(shè)計(jì)

圖3 四層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，以四層角連鎖組織為例，圖中圓圈為緯紗，圓圈內(nèi)為緯紗的序號(hào)。線條為經(jīng)紗，其左側(cè)為經(jīng)紗序號(hào)。由于其交織結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，管壁角聯(lián)鎖組織的完全組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)Rj、緯紗數(shù)Rw、經(jīng)紗飛數(shù)Sj等織物組織參數(shù)與緯紗層數(shù)N具有如下關(guān)系：Rj＝N+1；Rw＝N(N+1)；Sj=N。

1.2 管狀三維組織設(shè)計(jì)

1.2.1 貫穿正交管狀三維組織

貫穿正交管狀三維組織是選用貫穿正交組織作為管壁組織的管狀三維組織。圖4(a)為表組織，其中下方序號(hào)①～⑥代表經(jīng)紗，左側(cè)序號(hào)1～6代表緯紗。圖4(b)為通過(guò)“底片翻轉(zhuǎn)”法得到的里組織圖，其中經(jīng)紗用序號(hào)I～VI表示，緯紗用序號(hào)(I)～(VI)表示，后圖中序號(hào)表示含義一致。

圖4 三層貫穿正交管狀三維組織的表組織、里組織

圖5為貫穿正交管狀三維機(jī)織物組織圖，首先按照管狀組織確定表里經(jīng)、表里緯的排列比，例如表經(jīng):里經(jīng)=1:1，表緯:里緯=1:1，則穿綜時(shí)，將表經(jīng)依次穿入奇數(shù)綜框，里經(jīng)依次穿入偶數(shù)綜框。在奇數(shù)列（從左向右）和奇數(shù)行（從下向上）填繪表組織，在偶數(shù)列（從左向右）和偶數(shù)行（從下向上）填繪里組織。圖5中經(jīng)緯紗序號(hào)同圖4一致。為區(qū)別，用“■”表示表組織經(jīng)組織點(diǎn)，用“?”表示里組織經(jīng)組織點(diǎn)，用“□”表示表、里組織的緯組織點(diǎn)。同時(shí)注意到織里緯時(shí)表經(jīng)需要全部提升，用“○”表示。

圖5 貫穿正交管狀三維機(jī)織物組織圖

1.2.2 角聯(lián)鎖管狀三維組織設(shè)計(jì)

選用四層角聯(lián)鎖組織作為管壁組織，那么表組織圖如圖6(a)所示，運(yùn)用“底片翻轉(zhuǎn)”法里組織圖如圖6(b)所示。

圖6 四層角聯(lián)鎖管狀組織表組織、里組織

管狀組織一般采用分層織造，織上層時(shí)，表經(jīng)分成上下兩層與表緯相互交織，里經(jīng)全部降到下面?？椣聦訒r(shí)，表經(jīng)提起，里經(jīng)分成兩層與里緯相互交織。當(dāng)表里經(jīng)排列比選取1:1，則穿綜時(shí)，將表經(jīng)依次穿入奇數(shù)綜框，里經(jīng)依次穿入偶數(shù)綜框。圖7所示即為角聯(lián)鎖管狀三維機(jī)織物組織圖。

圖7 角聯(lián)鎖管狀三維機(jī)織物組織圖

2 管狀三維織物的試織

管狀三維機(jī)織物的織造與普通二維織物的織造過(guò)程一樣，主要是通過(guò)計(jì)算總經(jīng)根數(shù)、選擇合適的筘號(hào)以及具體的穿筘、穿綜方法，最后通過(guò)紋板圖來(lái)控制綜框運(yùn)動(dòng)進(jìn)行織造，因此要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)的合理選擇[10]。為保證連續(xù)性，總經(jīng)根數(shù)為完全組織經(jīng)紗數(shù)的倍數(shù)。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的滌綸長(zhǎng)絲由中石化儀征公司生產(chǎn)，規(guī)格為1111dtex/192F，即線密度為1111dtex，由192根滌綸單絲組成。為了驗(yàn)證本文提出的管狀三維組織設(shè)計(jì)方法的有效性，采用了SGA598型半自動(dòng)小樣織機(jī)進(jìn)行了樣品試織。

2.2 上機(jī)圖設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選用四層角聯(lián)鎖組織，作為管壁表組織，其表、里組織，如上圖6(a)、圖6(b)所示。表里經(jīng)、表里緯均1:1，采用分層織造。穿綜方法選用順穿法，四層角聯(lián)鎖管狀組織上機(jī)圖如圖8所示。

圖8 四層角聯(lián)鎖管狀組織上機(jī)圖

2.3 樣品織造

小樣織造過(guò)程分為織造工藝設(shè)計(jì)、穿綜、整經(jīng)、打緯織造。

（1）織造工藝設(shè)計(jì)：為使管狀織物表、里結(jié)合處連續(xù)，總經(jīng)根數(shù)必須是基礎(chǔ)組織的組織循環(huán)倍數(shù)。以四層角聯(lián)鎖管狀組織為例，其完全組織經(jīng)紗數(shù)為10根，根據(jù)管徑要求擬采用15個(gè)完全組織，即總經(jīng)根數(shù)150根。緯紗為雙向連續(xù)引緯，故制備紆管一只即可。

（2）穿綜、穿筘：穿綜方式為順穿，筘號(hào)120，每筘穿入兩根經(jīng)紗。以四層角聯(lián)鎖管狀組織為例，一個(gè)完全組織循環(huán)需要10片綜框，穿綜順序?yàn)?-2-3-4-5-6-7-8-9-10，其中奇數(shù)綜框、偶數(shù)綜框分別完成上、下層組織的織制，依次完成全部經(jīng)紗穿綜、過(guò)筘。

（3）整經(jīng)：為保證順利織造及下機(jī)樣品張力均勻，經(jīng)紗穿好后正式織造前，要盡量保持每根經(jīng)紗張力均勻。

（4）打緯織造：?jiǎn)?dòng)小樣機(jī)輸入紋版圖后，依次開(kāi)口、引緯、打緯，注意在整個(gè)打緯過(guò)程，盡可能保持張力均勻，如織造過(guò)程開(kāi)口因靜電不清晰，可適當(dāng)噴濕消除靜電影響。試樣達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度時(shí)，下機(jī)整理即可。圖9(a)、9(b)為下機(jī)后的實(shí)物圖片。

圖9 四層角連鎖管狀三維織物預(yù)型件

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合管狀織物和平面三維組織的特點(diǎn)，分別以貫穿正交組織、角聯(lián)鎖組織為表組織，并運(yùn)用底片翻轉(zhuǎn)法獲取里組織，再按照表里經(jīng)、表里緯排列比1:1，按照分層織制的方法，設(shè)計(jì)出管狀三維機(jī)織物的組織圖。小樣實(shí)驗(yàn)試織結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)方法可行、有效，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)管狀三維復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)提供了有價(jià)值的參考。

[1] 呂麗華, 呂婷婷, 王晶晶. 異形三維圓管狀機(jī)織復(fù)合材料的壓縮性能分析[J]. 棉紡織技術(shù), 2020, 48(11):1-4.

[2] 朱黎明, 呂麗華. 三維管狀復(fù)合材料的研究與發(fā)展[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2020, 38(10): 6-10+54.

[3] 周申華, 單鴻波, 孫志宏, 等. 立體管狀織物的三維圓織法成型[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2011, 32(07):44-48.

[4] 冉丹, 劉家強(qiáng), 周申華, 等. 管狀三維機(jī)織物的交織方法分析[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 38(04): 386-389+434.

[5] 黃曉梅. 管狀三維織物的組織結(jié)構(gòu)與織造工藝[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2002, (04): 51-52+3.

[6] 黃曉梅. 幾種三維管狀預(yù)成形件的設(shè)計(jì)與織造[J]. 棉紡織技術(shù), 2002, (12): 44-46.

[7] 朱紅, 韓慧敏. 三維孔管狀織物結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與研制[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 36(06): 633-638 +654.

[8] 王黎黎, 徐安長(zhǎng), 張尚勇. 三維管狀復(fù)合材料的拉伸性能研究[J]. 武漢紡織大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 30(03):12-16.

[9] 王黎黎, 徐安長(zhǎng). 芳綸長(zhǎng)絲三維管狀織物設(shè)計(jì)[J]. 紡織科技進(jìn)展, 2016, (10): 19-21.

[10] 黃耀麗, 呂麗華. 工字形三維機(jī)織物設(shè)計(jì)與織造[J]. 大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 38(03): 201-204.

Design of Reinforced Structure on 3D Tubular Composites

MIN Er-jun1, SONG Lu-ping1, RUI Zhang-jun2, ZHU Qiu-shi2, WANG Xu1

（1.College of Textile and Clothing, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China；2. Wuhu Hangfei Science and Technology Company Limited, Wuhu Anhui 241000, China)

In recent years, three-dimensional woven composite reinforcement structure has been developed rapidly. Based on normal shuttle loom, combined with tubular tissue and three-dimensional tissue, a design method of tubular three-dimensional composite reinforcement structure is proposed in this paper. By taking the through angle interlocking organization and through orthogonal organization as the surface organization respectively, the inner organization is obtained by the negative turnover method, and the surface and inner organization is embedded according to 1:1 to obtain the computer drawing of tubular three-dimensional organization. Through the trial weaving of small samples, the research result shows that the tubular three-dimensional structure design method proposed in this paper is feasible, which provides a reference for the development of tubular three-dimensional composite reinforcement.

tubular 3D woven fabric; structural design; angle interlock; through-thickness orthogonal weave

王旭（1973-），男，副教授，博士，研究方向：紡織復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

航空用特種電纜附件材料技術(shù)研發(fā)合作項(xiàng)目（HX-2020-11-002）；安徽省高校省級(jí)教學(xué)示范課程“織造學(xué)”（2020SJJXSFK）.

TS101.92+2

A

2095－414X(2022)02－0008－04