（纺织工程专业论文）新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

东华大学纺织学院 2 0 0 6 年1 月 新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 摘要 吕青硕士论文 2 0 3 0 4 5 新型双轴向增强纬编间隔针织物 几何结构的研究 摘要 本论文介绍的是一种新型双轴向增强纬编间隔针织物结构的研 究工作。该新结构不同于传统的纬编间隔织物和双轴向增强织物，它 除了在经纬向衬入增强纱线外，还从纵向喂入一组纱线将前后两片双 轴向织物连接起来。由于连接纱不成圈，因此只需调节针床间距就可 以实现织物厚度尺寸的灵活变化，从而形成真正意义上的三维结构。 这种结构结合了间隔织物和双轴向增强织物的特点，既具有纬编间隔 织物的可成形性、高能量吸收性，又克服了传统纬编间隔织物间隔小 的缺点；同时作为双轴向增强织物，又克服了传统纬编针织物强度低、 模量低、易损伤的缺点；两者相结合提高了材料的力学性能。 鉴于这种新型双轴向增强纬编间隔针织物的各项优异性能，其在 复合材料领域的应用将日趋广泛，为此展开针对该新型结构的理论预 测模型的建立、各项力学性能的测试分析、生产工艺的优化等研究工 作是非常必要的。本论文主要研究新型双轴向增强纬编间隔针织物的 几何结构，针对不同纱线编织的新型织物建立适用的几何结构理论模 型。这是一项非常重要的基础性工作，它不仅为复合材料的设计制造 提供理论依据，也对其他新型针织物几何结构模型的建立起到借鉴作 用。 论文首先介绍了编织绳、毛腈混纺纱、玻璃纤维纱三种不同类型 东华大学纺织学院 2 0 0 6 年1 月 新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 摘要 吕青硕士论文 2 0 3 0 4 5 纱线的编织工作，对三种类型纱线的编织工艺及参数做了较深入的分 析，研究了针织纱粗细、弯纱深度、针床间隔对织物厚度的影响。接 着对编织的试样进行各项尺寸参数测试，包括织物密度、织物厚度、 针织纱线圈长度、单胞连接纱长度等，分析织物及织物中各种纱线的 几何形态；假设衬纱和针织纱在织物中具有的理想截面形状( 圆形或 跑道形) ，以此为基础建立了织物的几何结构模型，得出了针织纱线圈 长度和单胞连接纱长度的计算公式。论文还介绍了三种类型的织物试 样理论计算结果，并与实际数据相比较，结果证实所建立的织物几何 结构模型是一个较为合理科学的模型，可以应用于实际生产。 该论文的研究工作为以后新型结构的力学性能分析和应用于复 合材料的设计制造打下了良好的基础。 关键词针织，纬编工艺，针织物结构，几何模型，针织复合材料 i i 东华大学纺织学院 2 0 0 6 年1 月 新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 摘要 吕青硕士论文 2 0 3 0 4 5 a s t u d yo nt h eg e o m e t r i c a lm o d e l i n go f n e wb i a x i a lr e i n f o r c e ds p a c e rw e f t - k n i t t e ds t r u c t u r e a b s t r a c t at h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nan e w b i a x i a l r e i n f o r c e d s p a c e r w e f t - k n i t t e ds t r u c t u r ei s p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r d i f f e r e n t i a t e df r o mt r a d i t i o n a ls p a c e ra n db i a x i a lr e i n f o r c e ds t r u c t u r e s ，t h e n e ws t r u c t u r ei sas p e c i a ls t r u c t u r ei nw h i c ht w ob i a x i a ls t r u c t u r e ss e p a r a t e l y f o r m e do nt h ef r o n ta n db a c kn e e d l eb e d sa r ec o n n e c t e db yas e to fy a r n sf e d f r o mt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n b e c a u s et h ec o n n e c t i n gy a m sd on o tf o r ml o o p s ， t h et h i c k n e s so ft h es t r u c t u r ec a ne a s i l yb ev a r i e dt h r o u g ha d ju s t i n gt h e d i s t a n c eb e t w e e nt h ef r o n ta n db a c kn e e d l eb e d s a sar e s u l t ，ar e a l 3 d s t r u c t u r ei so b t a i n e d t h en e ws t r u c t u r ec o m b i n e sa d v a n t a g e so fb o t hs p a c e r s t r u c t u r ea n db i a x i a lr e i n f o r c e ds t r u c t u r e i tn o to n l yd e m o n s t r a t e sg o o d f o r m a b i l i t y , h i 曲e n e r g ya b s o r p t i o n ，b u ta l s oo v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go f t r a d i t i o n a ls p a c e rs t r u c t u r e s ，s u c ha ss m a l ld i s t a n c e ，l o ws t r e n g t ha n dm o d u l u s ， e t c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sr e i n f o r c e db yt h i sn e w s t r u c t u r ec o u l dd e f i n i t e l yb ei m p r o v e d d u et oe x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，i ti ss u r et h a tt h en e ws t r u c t u r ew i l lw i d e l yb e u s e di nc o m p o s i t e s f o rt h i sr e a s o n ，i n v e s t i g a t i o n so nm o d e l i n go ft h en e w s t r u c t u r e ，t e s t i n ga n da n a l y s e so f i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，o p t i m i z a t i o no ft h e k n i t t i n gp r o c e s sa r eg e t t i n gi m p o r t a n t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eg e o m e t r i c a l i i i 东华大学纺织学院新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月 摘要 2 0 3 0 4 5 m o d e l i n go ft h en e ws t r u c t u r e ，s e t t i n gu pt h e o r e t i c a lm o d e l sf o rt h ef a b r i c s k n i t t e dw i t hd i f f e r e n tk i n d so ft h ey a m s t h i si saf u n d a m e n t a lw o r k i tn o t o n l yp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s e sf o rd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gc o m p o s i t e s ， t h er e s u l t sc a na l s ob eu s e da sar e f e r e n c ef o rm o d e l i n go t h e rn e wk n i t t e d s t r u c t u r e s a n i n v e s t i g a t i o ni sf i r s t l yd o n ef o rk n i t t i n gt h ef a b r i c sw i t ht h r e ed i f f e r e n t k i n d so fy a r n s ，i e ，b r a i d e dy a m ，w o o l a c r y l i cb l e n d e dy a ma n dg l a s sf i b e r y a m t h ek n i t t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ec a r e f u l l ya n a l y z e d ；t h ei n f l u e n c e so f t h ed i a m e t e ro ft h ek n i t t i n gy a m s ，c a ms e t t i n g ，a n ds p a c eb e t w e e nt w on e e d l e b e d so nt h es t r u c t u r ea r ea l s os t u d i e d t h ed i m e n s i o n so fk n i t t e df a b r i c si no n eu n i tc e l la r et h e nm e a s u r e d ， i n c l u d i n gf a b r i cd e n s i t y , f a b r i ct h i c k n e s s ，l o o pl e n g t ho ft h ek n i t t i n gy a m ， c o n n e c t i n gy a ml e n g t h t h eg e o m e t r i c a lc o n f i g u r a t i o n so fy a m si nt h ef a b r i c s a r eo b s e r v e d a c c o r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o n ，t h ec r o s s s e c t i o n so ft h ei n s e r t e d a n dc o n n e c t i n gy a m sa r ea s s u m e dt ob ec i r c u l a ro r r a c e - r a c k e d o nt h eb a s i s o ft h e s e ，ag e o m e t r ym o d e l i n go ft h en e ws t r u c t u r ei ss e tu p ，a n df o r m u l a t i o n s f o rc a l c u l a t i n gl o o pl e n g t ho fk n i t t i n gy a ma n dc o n n e c t i n gy a ml e n g t hi no n e u n i tc e l la r eo b t a i n e d t h et h e o r e t i c a lv a l u e so ft h r e ed i f f e r e n tk n i t t e df a b r i c sa r e f i n a l l y c a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h e t e s t i n gv a l u e s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t si ss m a l la n da c c e p t a b l e t h i sm e a n st h a tt h e e s t a b l i s h e dm o d e l sa r eg o o df o ru s ed u r i n gk n i t t i n gp r o c e s sa n dc o m p o s i t e i v 东华大学纺织学院 2 0 0 6 年1 月 新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究吕青硕士论文 摘要 2 0 3 0 4 5 m a n u f a c t u r e t h er e s e a r c hw o r kp r e s e n t e di nt h i sp a p e rp r o v i d e sas o l i db a s i sf o r c o m p o s i t ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n ga sw e l la sa n a l y s e so ft h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e si nt h ef u t u r e l vq i n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rh u h o n g k e y w o r d sk n i t t i n g ，w e f tk n i t t i n g ，k n i t t e ds t r u c t u r e ，g e o m e t r i c a lm o d e l i n g ， k n i t t i n gc o m p o s i t e s v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负 责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：昌酋 日期：刀略年i ) , - y j 如e l 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密目。在三年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：昌最 日期：加区年f 碉瑚 指导教师签名：铆斗b 日期： i 年、名月日 东华大学纺织学院 2 0 0 6 年1 月 新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 第一章绪论 吕青硕士论文 2 0 3 0 4 5 第一章绪论弟一早珀下匕 纺织结构中纤维的复杂排列，可以使材料面内性能均匀并改善面外性 能和损伤容限，同时提供大型复杂结构整体成型的可能性。因此在2 0 世纪 5 0 年代初期，就有机织物作为工业化的纺织技术被应用于玻璃纤维复合材 料的制作；但直到2 0 世纪8 0 年代后期，纺织结构复合材料才以其优异的力 学性能，在航空航天、军事工业、车船制造、建筑业、体育用品等各个行 业得到惊人的发展【1 】【。 纺织结构复合材料常用的增强结构主要有机织、针织、非织造( 无纱 线交织) 和编织四类，针织是较迟为复合材料界所注目的纺织技术，始于 2 0 世纪9 0 年代【3 】。近十几年来，针织物由于结构设计灵活、抗冲击、易于 成型制作成形状复杂的构件等特点受到人们越来越多的重视，并且不断涌 现出新的用于复合材料的针织物结构。 为使新型针织结构在复合材料中得到进一步的广泛应用，利用现代数 学、力学等科学研究手段建立织物几何结构模型，掌握新型针织物内在的 结构性能，对针织物的各项物理机械性能进行研究分析，达到对针织物的 定量设计，是针织技术专家、学者们的一项基础性的研究工作。因为由织 物几何结构模型来分析计算线圈长度、纱线送给量和纱布比等参数，比盲 目猜测要好得多；同时还可以利用模型来研究预测织物外观、织物结构参 数与机械力学性能等等，从而指导实际生产与应用。因此新型针织物的织 物几何结构模型研究对于研制和开发先进纺织复合材料具有重要的理论 和实际意义。 第一节针织增强结构复合材料的发展历史与现状 针织物的线圈结构的易变形性，使得针织增强结构可以适应各种复杂 形状的模具要求，具有很大的结构设计灵活性，可以生产形状复杂的三维 复合材料构件；又由于线圈结构可以通过纱线的转移吸收冲击能量，且纤 维在材料中呈立体取向，可避免层压复合材料中易形成的片状结构，减少 了脱层的可能性，具有较好的抗冲击疲劳性能【2 1 。这些性能都是其他纺织 东华大学纺织学院新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 2 0 0 6 年1 月第一章绪论 吕青硕士论文 2 0 3 0 4 5 结构复合材料无法比拟的。 针织增强结构又分为纬编和经编两类，各有特点。 经编针织物具有尺寸稳定和延伸率小等特点，特别是双轴向和多轴向 衬经衬纬经编织物进一步优化了这种性能，用它制成的复合材料比机织物 复合材料具有更高的拉伸强度与模量，广泛用于蓬、膜等覆盖类柔性复合 材料产品。将多轴向经编织物与树脂复合处理后还可制成高强度的骨架、 壳体材料，可应用于土木建筑、水利工程、车船制造、军事工程、宇航工 业等高科技领域【4 l 。 纬编针织复合材料的研究起步则较晚，但由于它成型性好，延伸性与 悬垂性好，适宜深度模压复合材料加工，在生态和经济领域开创了新的应 用。可以加工成结构复杂的汽车壳体，飞行器，舰船壳体、翼片、螺旋桨， 火箭的前锥体，以及三维增强结构，如t 型通道、凸缘管道、头盔和体育 运动器材等，还有医学领域的移植器官及人体软组织【2 】。 随着针织复合材料的不断发展及研究者们的不断努力，应用于复合材 料的针织结构也不断翻新，如三维纬编全成形增强结构、预定向针织增强 结构、间隔织物，以及东华大学胡红教授等发明的新型双轴向增强纬编间 隔针织结构”j 等等。 三维纬编全成形针织结构是近2 0 年发展起来的三维立体结构织物中 的一种，包括经编三维全成形结构和纬编三维全成形结构。其中由于纬编 三维针织结构富于变化而处于主导地位，尤其是现代横机采用压脚技术、 握持沉降片技术后，所能胜任编织的三维立体全成形结构越来越多，如圆 筒形、球形、盒形等等，通常可通过改变线圈长度、移圈、收放针、组合 不同组织等方法实现【6 】。这种全成形编织技术充分利用了纬编针织结构的 特征，不需或只需少量裁剪，降低了原材料浪费，节省劳动力，而且结构 整体化，具有其他纺织增强结构体无法取代的优势。 预定向针织增强结构是在基本针织地组织的预定方向衬入增强纱线 的针织结构，其增强方向可以是单向、双向或多向的。最主要的特点是： 预定向增强织物中的经纬衬纱分别呈彼此平行顺直的状态，可充分发挥纤 维的强度和刚度，对高强高模纱线潜能的利用率在9 0 以上，而相应的平 纹机织物却只有7 0 左右【7 】【8 1 。此外预定向针织增强结构还具有良好的抗 2 东华大学纺织学院新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月第章绪论 2 0 3 0 4 5 剪切、抗撕裂性能 4 1 。针织工业中常将玻璃纤维、碳纤维、高强度聚乙烯 纤维、高强聚丙烯纤维、芳纶等高性能纤维呈直线状态铺覆衬入，由柔软 而易于弯曲成圈的涤纶、芳纶将这些高性能纱线捆绑起来( 经编或纬编形 式) 形成织物。 但遗憾的是这种结构只能形成一定厚度的平面结构，且厚度受到纱线 细度和层数的限制，而不能在第三维方向上灵活变化，形成不了真正意义 上的三维增强结构，尽管很多研究者将其归类为三维结构织物。 间隔织物是两片平面织物在垂直的方向由纤维或纱线连接织成的织 物。织物的上层和底层之间形成的中空间距是间隔织物真正的含义。间隔 织物具有独特的加工性能，可以生产出强度高、重量轻、能量吸收性好的 复合材料；而且在柔软的情况下，间隔织物可以在树脂固化前被压缩，具 有良好的可成型性，已经成为当代产业用纺织品中一个极为重要的组成部 分【9 1 。 。 目前间隔针织物多数是经编的，主要在双针床拉舍尔经编机上编织， 间隔大小由针床间距调节得到，但非常有限，严重限制了其弹性和能量吸 收性能【9 1 。 纬编间隔针织物可以在针织圆机上编织，也可以在横机上编织。现在 较广泛的是在横机上研制三维纬编间隔织物，形成间隔的方法主要有两 种：纱线连接和织物连接【10 1 。 然而不管是经编的还是纬编的间隔织物，都存在和针织基本组织增强 结构如纬平针、罗纹、米拉诺、双罗纹等一样的缺陷，即变形大、密度稀， 成型后的复合材料力学性能差，不能得到真正的广泛应用：而且织物间隔 大小受到限制，不能在第三维方向上灵活变化，形成不了真正意义上的三 维间隔增强结构。 而新型双轴向增强纬编间隔针织结构【5 1 不仅可以实现高模量纤维双 轴向增强，还可以灵活变化厚度方向的尺寸大小。该结构在一种革新的横 机上编织而成，它分别在前、后针床编织的纬平针地组织中衬入经纱和纬 纱，同时通过从纵向喂入一组纱线把前后两片双轴向织物连接起来。由于 连接纱不成圈，因此只需调节针床间距就可以实现织物厚度尺寸的变化， 从而形成真正意义上的三维结构。 东华大学纺织学院 新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月 第一章绪论 2 0 3 0 4 5 第二节针织物几何结构模型的研究进展 2 1 基本针织组织结构的线圈几何模型 线圈是针织物最基本的结构单元，针织线圈的性质构成了针织物有别 于其他纺织品的特性。为了对针织物的各项物理机械性能进行研究分析， 达到对针织物的定量设计，从2 0 世纪三四十年代起，针织技术专家、学者 就对针织线圈结构模型展开了深入的研究，其目的是希望利用现代科学研 究手段、掌握针织物内在的结构性能，为设计具有所需特征、尺寸和性能 的针织物及新产品的开发提供依据。 较早的是达利多维奇模型【】，它假定每一个线圈单元由一段半圆的 圆弧和两段直线组成，未考虑线圈中线段间诸力的平衡，过于简化，在以 后受到众多研究者的否定。l9 4 7 年，f t p i e r c e 提出了相似的纬平针的线 圈几何结构模型一一p i e r c e 模型【1 2 】，它考虑了针织线圈的三维弯曲情况， 假设纱线的中心线由圆弧和直线组成，两者都在沿横列方向的圆柱面上。 与达利多维奇模型不同的是：p i e r c e 假设的圆弧不是半圆弧，而是2 ( 万一秒) 圆弧，其中秒= 71 。2 4 6 ，矽= 3 0 0 。 19 55 年，g a v l e a f 和a g l a s k i n 模型【1 3 1 1 ，该模型假设纱线中心线 在织物平面上的针编弧和沉降弧全部由圆弧组成，针编弧与沉降弧相切， 其间没有圈柱部分。这样的假设初看有些不合理，但是如果从织物在成圈 时纱线是绕着一系列等距机件弯曲成圈的观点来看，是合理的。导出线圈 密度和线圈长度之间的关系：n = k 1 2 。这里k 不是常数，而是一些参数 的函数，如纱线直径、纱线轴线形成的圆弧半径和纱线直径之比等。 l9 59 年，d l m u n d e n 提出了在针织线圈结构研究历程中具有显著地 位的弹性杆理论【l4 1 。按照d l m u n d e n 的分析，为了形成一个平展的针 织结构，纱线必须在织物面上或垂直织物的面上有弯曲。编织后，本来垂 直的纱线企图恢复到伸直的状态，但被来自交织纱线的相等或相反的阻力 阻碍。任何一个或一列线圈都有伸直的趋势，这样整个结构趋向于一种最 小能量或弯曲状态一一这即松弛的基本原理，从而得出松弛状态的织物参 数由能量最小时的线圈结构形状决定；而在没有发生塑性变形或者引起的 暂时变形已经回复的前提下，所有不同材质纱线形成的处于能量最小状态 4 东华大学纺织学院。新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月第一章绪论 2 0 3 0 4 5 时的线圈都是相似的即弹性杆理论。这个理论对后来学者的研究产生 了重要影响。 基于这个弹性理论，m u n d e n 从线圈的几何关系推导出了三个经典的 公式： ：可k i ；c p i = 争；叩f ：争，且有k l = k 2 xk 3 。， 与g a v l e a f 和a g l a s k i n 模型不同的是：k l 、k 2 、k 3 是常数，可 以通过实验确定。从而也可以通过这些等式推导得出线圈长度与其他织物 参数如单位面积重量、织物幅宽等之间的关系。所有从该模型分析得出的 线圈几何结构关系都得到了实验验证。 之后又不断有学者提出几种模型。如l e a f 的湿松弛状态下的纬平针 模型15 1 ，j a s m i r f i t t 的精纺毛织物1 + 1 罗纹线圈模型【16 1 ，t s n u t t i n g 和g a v l e a f 纬编通用线圈结构模型【17 1 ，m o o nw o ns u h 的膨胀状态 下的线圈结构几何模型【1 8 1 等。 以上模型都是采用几何方法建立，但自r p o s t l e 和d l m u n d e n 的力学线圈结构模型1 9 1 开始，学者们尝试从力学角度分析线圈的力学平 衡和相邻线圈之间的相互作用，从而建立模型。之后还有b a r b a r a h e p w o r t h 和g a v l e a f 应用微积分的方法【2 0 】分析了松弛状态下纬平 针线圈的受力状况。 _ 二。 此外：还有h i d e om o r o o k a 等人于l9 9 8 年建立筒状纬平针线圈的二 维平面模型【2 1 1 和g o r a nd e m b o s k i 等人建立的预拉伸条件下的纬平针织物 线圈几何结构模型【2 2 1 2 2 预定向增强针织物几何结构模型 前面所提到的针对基本针织组织结构建立的经典线圈结构模型，对于 人们深入认识针织物的线圈结构特征有很大的帮助，同时为合理控制针织 物的质量和尺寸稳定性找到了切实可行的方法；但是随着新的组织结构的 出现，尤其是预定向增强针织结构的出现，这些基本线圈结构模型已经显 示出它们的局限性。预定向针织增强针织物主要用于复合材料的增强，它 们的线圈结构对复合材料的力学性能有很大的影响，因此必须应用新的方 法和手段建立合适可行的模型，为预定向增强针织物及其复合材料的设计 东华大学纺织学院新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月第一章绪论 2 0 3 0 4 5 制造和力学性能预测提供所需的基础。下面根据经编和纬编两类针织结 构，简单介绍几种预定向增强针织物几何结构模型及它们的研究进展。 鉴于篇幅所限，文中不再出示模型的图片，读者若有需要或不解之处 可参考本课题文献综述或原文。 2 2 1 经编预定向增强针织物几何结构模型 2 2 1 1 衬纬经编几何结构模型 19 9 0 年，卓乃坚先生采用几何模型的方法，分别建立了以经平和编 链为底组织的衬纬经编织物几何模型【2 ”。他假设所有纱线为圆形截面， 并且不可压缩或伸长；经编纱完全弹性而衬入的纬纱却相对硬挺，不易被 弯曲；由于经编纱完全弹性，经编纱轨迹由直线和螺旋弧构成；忽略摩擦， 经编纱的各部分张力都相等；再根据受力平衡和几何关系，计算出机上状 态下的单位送经量，即每个横列经编纱的长度。 2 2 1 1 1 经平为底组织的衬纬几何结构模型 由于针前垫纱是有两个圈干构成的，因此模型中针前垫纱的纱线张力 是针后垫纱的2 倍，根据卓先生设定的坐标系及经编纱在o x y 平面的投影 关系和受力平衡情况，可推导得出线圈长度为： ，= ，。+ ，。= 2 s 。2 - s e c 2d o + 4 r 1 2 + 2 n r l + s 。s e e d ( 1 - 1 ) 式中，。、乞分别为针前垫纱和针背垫纱的长度。 s o = 2 r ( c o t c o + b o ) ，s 。= 2 r ( c o t c o + 色) ，r = r l + r 2 ，r l 为经编纱半径， r ：为衬纬纱半径，见、见分别是针前垫纱、针背垫纱与o x y 平面的夹角， 见、吃分别为针前垫纱、针背垫纱在o x y 平面的投影与x 轴的夹角，c 。为 针前垫纱在o x y 平面的投影o p 之间的夹角，尸为针背垫纱进入针前垫纱 处。下标0 ，u 分别代表针编弧和沉降弧。 2 2 1 1 2 编链为底组织的衬纬几何结构模型 卓先生设定开口编链和闭口编链在模型计算中是相同的，由模型在 o x y 平面上的投影关系同理推得： - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 l o = 2 s 。2 + 4 r 1 2 + 2 z c r i ( 1 2 ) ，。= s 。 ( 1 3 ) 6 东华大学纺织学院新型双轴向增强纬编问隔针织物几何结构模型的研究吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月第一章绪论 2 0 3 0 4 5 ，= 乞+ l = 2 4 s 0 2 + 4 r 1 2 + 2 n r l + 瓯 ( 1 4 ) 虽然上述式子可以描述衬纬结构的几何关系，但是在实际应用中并不 十分方便，因此卓先生在其后的工作中采用经验回归方程弥补这一不足， 并进行了验证。理论计算结果与经验回归值吻合得很好。 2 2 1 2 双轴向增强经编织物几何结构模型 2 0 0 2 年，陈南梁、敖伟在卓乃坚先生的模型的基础上提出了双轴向 增强经编织物的几何模型【24 1 。为使几何模型比较符合实际情况，他们假 设：衬经纱和衬纬纱的截面分别为半圆形( 这里与卓先生的假设有较大不 同) ，而衬经纱与衬纬纱相交的面则为一平面；衬经纱和衬纬纱相对于经 编纱而言，截面较粗，模量较大：经编纱为一完全弹性体，覆在半圆形的 衬经纱和衬纬纱上。由模型在o x y 和o y z 平面的投影关系，最后得出线圈 长度公式如下： ，口= 2 s 。2s e c 2 见+ 4 r 2 + 2 n r ( 1 5 ) 。 ，。= s 。s e e 见 ( 1 - 6 ) z = ，。+ 乞= 2 s 。2s e e 2d o + 4 r2 - i - 2 7 0 + s 。s e e 绒 ( 1 7 ) 其中，为地组织纱线的半径，d 。针背垫纱与o z y 平面的夹角。 实验结果显示，由该几何模型计算出的线圈长度和送经量与实验值的 偏差在5 以下，从经编土工格栅及密实的增强骨架材料的实际生产中也 充分反映了其正确性和实用性。 2 2 1 3 多轴向增强经编织物的单胞分析模型 19 9 2 年，d u 和k o 根据4 层多轴向增强经编织物( m w k ) 结构提出 了理想化的结构几何单胞【2 5 】：假定衬纱的横截面为跑道形，针织纱的横 截面为圆形；针织纱形成的是最紧密的线圈结构，而且针织纱的弯曲部分 可理想化地看成矩形。单胞大小为x 、y 和z ，分别对应于0 0 轴向、9 0 0 轴向和与0 9 0 0 平面相互垂直的厚度轴向。 从该单胞几何结构和理想化的纱线形状可建立m w k 织物预成型体的 结构模型，推导得出纤维体积含量和斜向衬纱取向角的表达式，以及纱线 尺寸、单胞尺寸、纱线体积、纱线长度等需要的参数。如： 7 东华大学纺织学院新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月第一章绪论 2 0 3 0 4 5 纤维体积比： = + + + 蜘 ：竺：兰兰二! 竺：兰! 兰二室! - i 竺曼兰三生墨生牟生：三曼! 三二生! ( 1 8 ) = ：一 一二二一年：二二二= 一 j u ， x y zx y zx y z k j 2 s 口r 2 + y 2 + 后，( s ，x 2 + y 2 一d 。) 十i 西一 斜向衬纱取向角： 0 = t a n 。1 ( 二1 ( 1 9 ) 、v 经编纱线圈长度： ：2 + 2 三垡；兰+ r ；丽 ( 1 1o ) 这里y 为体积，以为纤维体积含量，下标石、y 、趴口代表单胞结构 中的衬纱方向；k 为纱线与纤维截面积之比；s 为纱线截面积，d 为经编纱 直径，下标f 指衬入纱线，下标s 指经编纱；x y z 为单胞体积。 d u 和k o 在建立模型之后，还考虑了织物生产设计中一个重要的问 题，即织物挤塞条件，概括出了m w k 织物结构极限的边界条件，并引入 一个工艺参数即紧度系数，在工艺变量和织物结构之间建立起重要的联 系。他们还分别讨论了经编一衬纱纱线密度之比和斜向衬纱取向角对纤维 体积比的影响，以及经编一衬纱纱线密度之比对经编纱体积比的影响，为 预测m w k 织物增强复合材料的力学行为奠定了基础。然而到目前为止， 该模型并无实验数据证明，随后的文献中也没有记载它的应用实例。 2 2 1 4 经编多轴向增强结构的三维模型 前面所述的预定向增强经编织物线圈结构模型大都是采用将织物、纱 线及其特征理想化处理的方法建立的。由于采用过于简化的几何假定，不 能够描绘出m w k 织物增强复合材料复杂的内部和外部特征，也无法从得 到真正意义上的三维模拟，呈现的结构缺乏真实性，使计算结果误差较大， 在实际应用中受到了一定限制。 近年来，一些学者开始采用计算机辅助工具来模拟m w k 的结构模型。 如s a d a n u r 和t l i a o 假设织物的几何结构是由纱线的截面以及纱线轴 心线的形态决定的；且纱线轴心线必定连续可微。采用c a g d ( c o m p u t e r 8 东华大学纺织学院新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月第一章绪论 2 0 3 0 4 5 a i dg e o m e t r i cd e s i g n ) 技术，分别由c a g d 中的封闭曲线和轴心线路径 代表纱线的截面圆周和纱线轴心线，封闭曲线所在的平面无论在何处都与 轴心线垂直。通过这种c a g d 的方法和原理，可以将织物的纱线及线圈 形态一一描绘出来，完整地模拟出用于复合材料增强的纱线及织物结构的 三维空间形态，弥补了简化假设模型的缺陷【26 1 。 c a g d 方法不仅适合模拟预定向增强经编织物线圈结构，对其他织物 和结构也同样适用。 2 2 2 纬编预定向增强针织物几何结构模型 2 2 2 1 纬编双轴向多层衬纱增强织物( m b w k ) 的几何结构模型 纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料( m b w k ) 在我国的发展还只 有短短几年时间，m b w k 线圈结构模型的研究还甚少。 天津工业大学张卓从几何学出发，首次建立了纬编双轴向增强多层衬 纱织物的几何结构模型【27 1 。他假设：纱线中的纤维束排列紧密，空隙均 匀；线圈中所有纱线为弧线且光滑连接；线圈所在的上、下两个平面互相 平行，而且上表面线圈和下表面线圈的几何形态一样；纵行方向上相邻两 个线圈的扭结处纱段是一个点；每一段弧形纱线在织物平面的投影为一光 滑圆弧，纱线本身为一空间曲面圆柱。 在这些假设的基础上，张卓将线圈曲线的实际形态做了必要的简化， 由线圈顶部弧线、过渡弧线、直线部分等构成。将线圈的空间结构投影于 织物平面上，得到轴对称的平面曲线，分段求出该平面曲线的方程，再将 之推广到三维空间中，从而得到完整的空间曲线方程。 该几何模型对线圈形态的数学描述更接近于其实际位置，将m b w k 织 物的线圈几何模型的精确性推进了一步，为纬编双轴向多层衬纱织物增强 复合材料层合板的力学性能分析及其成型性研究奠定了较好的数学基础。 2 2 2 2 用n u r b s 方法建立纬编双轴向多层衬纱增强织物( m b w k ) 的几 何结构模型 用几何方法得出的m b w k 线圈结构模型有一些缺点，如：不能反映 曲线顶点的分布特点；当型值点分布不均匀时难以获得与实际状况近似的 曲线等；但是利用n u r b s ( 非均匀有理b 样条) 方法 2 8 1 ，可以求出曲线 的控制点矢量、对应权因子和节点矢量，对线圈结构作出统一的、更接近 9 东华大学纺织学院新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 吕青硕士论文 2 0 0 6 年1 月第一章绪论 2 0 3 0 4 5 于显示曲线形态的数学方程，不仅直接反映线圈纱线在空间的分布及取 向，而且还可以简化m b w k 织物增强复合材料结构的数学描述，从而为 预测m b w k 织物作为增强结构的复合材料的力学性能提供更高要求的理 论保证。n u r b s 方法拟和的线圈形态明显要比几何方法更接近真实形态， 是目前线圈结构模型研究中采用的较新的方法。 2 3 小结 综上所述，预定向增强针织结构模型的研究，从最初简单的几何模型 发展到采用计算机辅助模拟，针织学者们在该领域取得了不断的突破。在 计算机飞速发展的今天，利用计算机这一工具，来描绘复杂的空间线圈， 从线圈受力和几何关系出发，推导线圈的单元长度、给纱量，并由此预测 针织物及其增强复合材料的力学性能，为指导生产实际及新产品开发等打 下基础，应该是织物结构模型研究的一大方向。 第三节本课题的研究意义、内容与方法 3 1 本课题的研究意义 本课题拟研究本章第一节提到的新型双轴向增强纬编间隔织物结构。 它不同于传统的纬编间隔织物和双轴向增强织物，不仅可以实现高模量纤 维双轴向增强，还可以灵活变化厚度方向的尺寸大小。该结构在一种革新 的横机上编织而成，它分别在前、后针床编织的纬平针地组织中衬入经纱 和纬纱，同时通过从纵向喂入一组纱线把前后两片双轴向织物连接起来。 由于连接纱不成圈，因此只需调节针床间距就可以实现织物厚度尺寸的灵 活变化，从而形成真正意义上的三维结构。 这种结构结合了间隔织物和双轴向增强织物的特点，既具有纬编间隔 织物的可成形性、高能量吸收性，又克服了传统纬编间隔织物的缺点，可 以灵活调节织物间隔，做到真正的大间隔；同时作为双轴向增强织物，又 克服了传统纬编针织物强度低、模量低、易损伤的缺点：两者相结合还提 高了材料的力学性能。 鉴于新型双轴向增强纬编间隔织物的各项优异性能，其在复合材料方 面的应用必将日趋广泛专深。目前该新型横机的大规模生产正在准备当 1 0 东华大学纺织学院 2 0 0 6 年1 月 新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 第一章绪论 吕青硕士论文 2 0 3 0 4 5 中，实现新型双轴向增强纬编间隔织物的产业化也是指日可待的事。但在 这之前，还有很多研究工作需要进一步深入，如该新型结构的理论预测模 型的建立、各项力学性能测试分析、生产工艺优化，及基于该新型结构的 新产品设计开发等等。而建立新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模 型又是一项非常重要的基础性工作，对于该结构日后大规模应用于复合材 料生产具有奠基作用，也对其他新型针织物几何结构模型的建立起到借鉴 作用。 3 2 本课题的研究内容与方法 为了给新型双轴向增强纬编间隔针织物建立一个切实可行准确的织 物几何结构模型，从以下几个方面着手研究工作： 1 、选定三种不同类型纱线上机调试编织试样，制定合理的新型双轴向增 强纬编间隔针织物的编织工艺；考察不同纱线、不同工艺参数对编织顺利 与否和织物外观、质量的影响； 2 、测试松弛状态下的织物结构参数； j p j 3 、观察分析不同类型纱线编织的试样，结合测得的织物结构参数，设立 理想假设条件，建立新型双轴向增强纬编间隔针织物的几何结构模型； 4 、利用织物几何结构模型，分析预测影响织物参数的因素，并与实验结 果反复比较，反复修正，直至建立的模型既符合实际情况又具有理论指导 意义，为大规模生产划度、预测该新型结构作为复合材料增强体的力学性 能以及产品设计制作和产业化生产打下扎实的理论和实践基础。 东华大学纺织学院 2 0 0 6 年1 月 新型双轴向增强纬编间隔针织物几何结构模型的研究 第二章新型双轴向增强纬编问隔针织物的编织 吕青硕士论文 2 0 3 0 4 5 第二章新型双轴向增强纬编间隔针织物的编织 正如绪论中所述的那样，基于结合双轴向增强针织物和间隔针织物的 目的，胡红教授等人设计实施了一种新型双轴向增强纬编间隔针织结构 【5 1 ，这种新型结构不仅实现了高模量纤维双轴向增强，还可以灵活变化厚 度方向的尺寸大小。该结构在一种革新的横机上编织而成，其主要原理是： 分别在前、后针床编织的纬平针地组织中衬入经纱和纬纱，同时通过从纵 向喂入一组纱线把前后两片双轴向织物连接起来。由于连接纱不成圈，因 此只需调节针床间距就可以实现织物厚度尺寸的灵活变化，从而形成真正 意义上的三维结构。 本课题的最终目的是为新型双轴向增强纬编间隔