三维机织物的结构设计

三维机织物的结构设计

随着纺织材料的广泛应用和性能等要求的提高，人们对具有改进效果的纺织材料的研究日益深入。这主要体现在对零维、二维和3d材料结构的深刻理解上。目前先进复合材料主要是指以三维纺织品作为增强相的复合材料,三维纺织增强复合材料具有二维纺织复合材料无可比拟的优势,如比强度高、比模量大、特殊力学耦合性好,可设计性好,生产成本低,易于实现等,同时克服了层状结构复合材料层间强度低、易冲击损伤等缺点。三维纺织品作为一个新兴领域,为传统纺织业提供了良好的机遇和广阔的拓展空间。三维织物与一般织物最大不同在于它的厚度有多层,且可制成多种形式,加工方法也有多种。目前用于复合材料的三维纺织品主要有机织物、针织物、编织物和非织造织物。三维纺织品已能根据实际需要生产出各种三维纺织预型件。其中三维针织物主要是经编织物,生产方法主要有二步法和四步法,但受生产设备限制只能加工薄型织物,应用不多。三维编织物可生产各种形式的预型件,但生产效率较低,不能适应大规模生产,应用也不多。而三维机织物由于可在专用设备、稍加改造的普通设备及普通设备上生产,且生产效率较高,因此是所有三维纺织品中应用最广泛的。本文就三维机织物的结构设计作一介绍。1维机织结构模型三维机织物具有良好的结构设计性,有限的变形性,织物结构紧密,结构断开困难等优点。当它与基质复合后,具有纤维多方向取向、整体连续分布及纤维体积含量高等特点,提高了材料的整体性和强度稳定性。同时三维机织具有网络结构,可用于承受载荷的主结构体系中,且可制成复杂几何形状的整体构件,减少复合材料加工过程中的材料消耗、零件加工和连接等。三维机织物按其结构特征及成形方法可分为3大类,即平板状,实柱状和中空状。其结构设计原理是通过接结经纱将多层纬纱连接在一起,从而在厚度方向引入纤维,提高层间剪切强度。正交接结和角联锁接结是它的两种基本结构。由于三维机织预型件结构中要求织物厚度较厚,故需较多的经、纬纱层数。一般可根据织物的厚度要求预选经纬纱层数,画出三维机织结构断面图,以三维机织结构断面图为设计依据,确定各层经纬纱的交织规律。因为三维机织结构断面图能够较为直观地给出经纬纱之间的交织关系。画出织物结构示意图,根据结构示意图将其量化为预型件结构特征参数,即通过计算获得一个组织循环中各系统纱线的根数,在此基础上绘制出相应的织物经向结构断面图,据此画出纹板图,最后得上机图。在确定经纬纱层数目时,应尽可能用较少的经纱层交织更多的纬纱层。这样可使织造时使用的综片数减少,织造更加顺利。按上述设计原理可根据需要设计出各种形状的三维纺织预制件,如工字形,T字形,箱形等。2一些典型的三维机械单元的结构设计2.1a3区纬纱层数和穿综方式工字形织物主要是用做工程构件中的工型梁,其特点是质轻,加工方法简单。图1为工字形纬向截面织物示意图,经向结构见图2。A1A3区的H1、H3为两层纬纱,各3页综框;A2区9层纬纱,用10页综框,各区都采用角联锁结构,这种结构在纬纱层数一定时最省综。穿综:A1H1为1、2、3;A1H3为4、5、6;A3H1为3、2、1;A3H3为6、5、4,穿筘6入/筘。A2区顺穿,穿7～16页综,穿筘5入/筘,纹板图见图3。为织好布边采用多梭箱织机,H1、H2、H3各用1把梭子。2.2t织物结构设计T型织物主要用于与树脂复合制作T型梁。T型梁是一种典型的工程构件,可用作加固材料。2.2.1工艺经向结构图这类织物主要用于需要加强的覆盖材料上。图4为经向T型截面织物示意图,图5为其经向结构图,图6为其纹板图,因H1有n1层纬纱,H2有n2层纬纱,所以共用综框n1+n2+1页。每筘8入,采用双轴织造,图5中经纱1、2、3与4、5、6、7、8分别绕在两只织轴上。2.2.2a尺寸设计这类织物主要用作加固材料,在织物设计时H尺寸应在综框页数的范围内设计,其值一般较小,A尺寸可任意设计。A1区穿1页5页综框,采用顺穿,以使边经穿在前综,A2区借用1、4页综框,另加6～10页综框,采用照图穿法。对A1、A3区5入/筘,A2区10入/筘。图7为纬向T型截面织物示意图,图8为纬向T型截面经向结构图,纹板图见图9。2.3s12e层纱这类织物属中空织物,重量较轻、性能好,尤其是损伤容限高,可作输送管道、填充材料、保温材料等。如图10所示,A1、A3为4层纬纱,A2H1、A2H3各1层纬纱。A1区穿1～5页综,A3区穿6～10页综,A2H1穿11、12页综,A2H3穿13、14页综,A1、A35入/筘,A24入/筘。其经向结构见图11,纹板图见图12。一个引纬循环的引纬顺序:H1第1纬用第1把梭,A1H2为第2、3纬用第2把梭,A3H2为第4、5纬用第3把梭,H3第6纬和H3第7纬用第4把梭,A3H2第8、9纬用第3把梭,A1H2第10、11纬用第2把梭,H1第12纬用第1把梭。2.4织物组织工艺预留孔织物可按要求预先留好孔的位置,免去应用时打孔的麻烦,保持了结构的完整性,并避免了后加工对纤维的损伤。如图13所示,织物经向分B1、B2、B3区,纬向分A1、A2、A3,其中A2B2为预留孔,H为厚度有4层纬纱。穿综采用顺穿,A1区穿1～5页综,A3区穿6～10页,A2区穿11～15页,每筘穿入数均为5入。织制B3区时按多层织物织造,A1、A2、A3区同时与纬纱交织。织制B2区时,先织A1区,从上到下4纬,用第2把梭子,此时A2A3区经纱全降在下方,不参与交织;再织A3区,从上到下4纬,再从下到上4纬,用第3把梭子,此时A1A2区经纱全降在下方,不参与交织;接着织A1区,从下到上4纬,用第2把梭子,此时A2A3区经纱全降在下方不参与交织,如此循环直至织完B2区。B1区与B3区相同,根据B3区长度,1～8纬重复若干次;根据B2区长度,9～24纬重复若干次。该型织物的纹板图见图14。织造过程中最好采用双轴,A2区经纱绕一只织轴,A1A3区经纱绕一只织轴。2.5织物结构设计在实际应用中,材料所承受的外部载荷和材料内部各处所承受的负荷大多是非均匀的,许多构件和产品在使用过程中都要承受弯曲应力的作用。在弯曲应力作用下材料的上下表面要承受较大的应力,应力由材料的上下表面到中间层逐渐减小。因此,根据材料的这一受力情况,设计织物时可在受力较大的上、下两层织物至中间层之间进行梯度结构设计。即通过改变各层织物的结构,如原料性能、纱线特性、经纬密度等因素,使织物每一层的弹性模量不同,同时又保证了织物的整体性,取得以最少的材料和最合理的结构发挥增强材料最大效能的效果。现以5层经纱织物说明其织物结构设计。该织物经纱密度比为4∶3∶2∶3∶4,纬纱密度比为4∶3∶2∶2∶3∶4,图15为其纬向截面图,图中圆圈代表经纱,垂直线a1、a2代表垂纱;经向截面图如图16所示,圆圈代表纬纱,a1、a2代表垂纱。根据经向截面图确定引纬次序,如图17所示,图中有框的序号3、5、10、15、20、22为空纬或基体纱。穿综时,由于垂纱的交织次数较多,宜穿入前综,如上机图18所示,垂纱分别穿入了第1、2页综。经纱依据纱线在织物内的上下位置,按从上到下的次序依次穿入从前到后的各页综内,即第1至第5层经纱依次穿入第3至第7页综内。穿筘时,垂纱单独穿入一筘,与之相邻的一筘穿入同一纵列的经纱。2.6垂纱的垂直切变分析该织物适用于某些特殊场合,它的使用避免了对构件的后期加工,最大限度地保持了纤维的机械性能。现以管壁厚为3层经纱的织物说明其结构设计。图19(a)和(b)分别是其纬向截面图和经向截面图,图20(a)和(b)分别为由外层逐步过渡到内层和垂纱引入后由内层逐步过渡到外层的引纬次序。由于垂纱的升降动程较大,宜穿入前综,所以垂纱a1、a2穿入第1、2页综内。同1层经纱穿入同1页综内;各层经纱按从上到下的顺序依次穿入后面的各页综内,其上机图见图21。穿筘时为防止垂纱与经纱的纠缠,可将垂纱与经纱分别穿入相邻的筘内。2.7组织图和机体横向变截面立体机织物的形成原理是根据立体织物结构的不同将不同层数的经纱按照截面的变化进行排列,同时引入纬纱的引纬路线,依据这一纬向截面图和各种立体机织结构的组织规律即可设计其组织图和上机图。图22为横向变截面正交立体机织结构图,图中横向截面分成三段,各段的纬纱层数分别为6层、4层和3层,相应的经纱则分别为5层、3层和2层,a和b为两根垂线。图23为各区段的纵向截面图,图24为各区段的组织规律和上机图,图25为横向变截面正交立体结构上机图。该织物的穿综采用分区穿法,由于横向变截面正交立体机织结构在不同区段经纬纱的层数是不同的,所以各区段内经纱的每筘穿入数不同。2.8单根立柱-非织造布的基本结构这类织物可以作为复合材料的增强构件单独使用,它具有重量轻、韧性好,抗剪切强度高、整体性好的特点。它的组织属于复杂组织中的多层接结组织。图26为机织箱框结构织物的纵截面示意图,该织物层数为4层,两个长方形为一个完全组织循环,在第Ⅰ个长方形处,上、下面板分别为1、2两层的并层和3、4两层的并层,右边立柱为独立的2、3层;在第Ⅱ个长方形处,上、下面板分别为1、3两层的并层和2、4两层的并层,右边立柱为独立的3、2层,上下独立的面板由于2、3层交替参与它们的交织,且2、3层又独立在上下面板之间交织而使其呈长方形空芯整体结构。其基础组织一般选择平纹,接结组织当相邻层经纱按1∶1排列时,一般选用纬重平组织。这种织物的完全组织经纱数和纬纱数受上(或下)层面板的纬纱根数h,单根立柱的纬纱根数v两个因素的制约,其计算方法是:完全组经纱数Rj=8;完全组织纬纱数Rw=(h+v)×4。该织物其h=4,v=4,由完全组织经、纬纱数的计算公式可得Rj=8,Rw=32。4层经纱按照1∶1∶1∶1排列,采用1∶1的投纬比。在图27的上机图中组织图范围的边部的标注是各层经、纬纱的序号,横向的数字序号代表所对应的这根经纱所形成的织物层数序号,如1和1’这两个数字对应的经纱将形成第1层织物;纵向的英文小写字母表明各层的纬纱,如a、b、c、d分别代表第1至第4层的纬纱。2.9接结纱穿越织物的结构正交结构的织物中三个方向的纱线以正交状态配置,纱线在理想状态下呈伸直状态,有利于充分利用纱线的固有特性,提高构件在外力作用下的尺寸稳定性。根据接结纱穿越织物厚度的不同可分为正交分层接结和正交贯穿接结,但这两种结构的织物与树脂复合后在刚度、强度及断裂应变等力学性能上没有明显的差异。图28(a)和(b)分别为正交分层接结和正交贯穿接结织物的结构示意图,图29(a)和(b)分别为正交分层接结和正交贯穿接结织物的上机图。正交贯穿接结织物中共有3层地经D1,D2,D3,F1,F2为缝经。2.10刚性复合材料接结纱角联锁结构织物多用于板材,由于纱线有屈曲,所以其预型件有较好的柔曲性能,变形能力较强,较适合用来加工柔性复合材料或用于形成具有复杂曲面形状的刚性复合材料等。根据接结纱穿越织物厚度的不同可分为角联锁分层接结和角联锁贯穿接结。图30中(a)和(b)是角联锁分层接结和多重纬角贯穿接结织物的经向断面示意图,图31中(a)和(b)是角联锁分层接结和多重纬角贯穿接结织物的上机图。在进行多重纬结构设计时,为了使经线角连锁时两经线形成织口中均能织入且只能织入一根纬线,则纬重数与角连锁经线循环数、纬线循环数之间的关系是:Rj=n+1,Rw=n×Rj。2.11织物结构参数该类织物通过层间纱线连接,结构紧密、整体性好,易实现自动化,生产效率高,且边部结构紧密平整,有利于预制件的复合固化。图32所示为多层平纹双经接结织物上机图,该双经接结织物为6层,使用6根剑杆引纬,图中组织图的横向数字1～10代表每个组织循环中经纱序号,纵向数字1～12代表织物中纬纱的序号,每个序号代表两根纬纱(织物为双纬引入),纵向数字Ⅰ、Ⅱ表示引纬序号,在穿综图中纵向数字1～5代表综眼自上而下的序号,数字Ⅰ、Ⅱ表示综片序号。图中,经纱1、2、3、4、5由上到下依次穿入同一根综丝,而经纱6