回轉體仿型曲面織物的結構優化

王燕芳，郭興峰

（天津工業大學 紡織學院，天津 300160）

回轉體仿型曲面織物的結構優化

王燕芳，郭興峰

（天津工業大學 紡織學院，天津 300160）

針對回轉體仿型織物中經紗不等長，容易造成緯密分布不均勻的問題，分析了影響回轉體曲面結構均勻性的因素，通過采用分區等緯密的方法，合理設計了長短兩種緯紗與經紗交織的結構優化方法，即長緯與全部經紗相交織，短緯僅與部分區間的經紗交織，并進行了實際織造，實現了經緯紗密度較為均勻的仿型織物.

回轉體仿型；曲面織物；結構；優化

仿型織造技術[1]可以按照制品的輪廓形狀生產單層機織布[2-3]，生產的織物經（緯）紗不等長，織物可呈曲面結構.因織物初步具有了制品的形狀，在復合成型時不需裁剪，將所需層數的這種預成型織物纏繞或層合起來[4-5]，即可成型復合材料制品.仿型織造技術是傳統織造技術的發展，容易實現機械化生產，為高性能復合材料的低成本制造實現了新的途徑.本文選擇這種曲面織物中的橢圓回轉體仿型機織物進行研究，以利于橢球狀容器織物纏繞成型.首先沿橢球體的側面展開得到預成型織物的形狀，設計經紗沿回轉體的圓周方向[7]，緯紗沿母線方向，使預成型織物具有可織性.由于回轉體仿型織物中的經紗不等長，本文采用分區等緯密的方法對織物結構進行優化，以滿足織物各部分經緯紗分布均勻、密度一致的要求，使用玻璃纖維做經、緯紗，織制出了可纏繞成型橢圓回轉體的外凸形單層機織物.

1 曲面織物結構均勻的影響因素

橢圓回轉體的曲面織物是在改造的小樣織機上進行織造的，改造后的卷取機構采用橢球體形狀的卷取輥[8]，如圖1所示.

圖1 卷取輥形狀及其分區Fig.1 Shape of drawing roller and its divided sections

織造的織物會根據卷取輥的形狀對其進行包覆，進而形成具有橢圓回轉體展開形狀的仿型結構.根據卷取輥回轉半徑的大小，將其分為5個區域，由于對稱性，圖1中分別用C、B、A、B、C表示5個區域.

1.1 織物組織的影響

織物組織一般根據織物的使用要求進行選擇，在織造曲面織物時，大多選擇簡單組織作為基礎組織，例如：平紋、斜紋.這是因為曲面織物要在不同區域引入長度不等的緯紗，使經緯紗交織規律的設計難度顯著增加，選擇的基礎組織越簡單，經緯紗交織規律的設計就越容易.另外，紗線在平紋、斜紋組織織物中的交織較頻繁，能使織物質地堅牢，曲面織物的剪切變形相對較小.在本次織造過程中，采用平紋組織作為基礎組織.

1.2 織口距離的影響

織口距離影響織物在卷取過程中經、緯紗間產生的剪切變形角，最終影響織物的成型.由于卷取輥不同位置處的半徑存在差異，所以卷取輥不同位置處的卷取線不一致.若織口距離過大，卷取到卷取輥大、小半徑處時緯紗發生的剪切變形角大，在大半徑處的織物能夠緊密包覆在卷取輥上，而小半徑處的織物則不能緊密包覆；若織口距離過小，則織物成型性不好.織造過程中通過調整織口距離，使織物能在卷取輥的各部位都能實現緊密包覆，進而形成橢圓回轉體的曲面預成型織物.

1.3 緯紗密度的影響

織造橢圓回轉體曲面織物時，由于卷取輥中間半徑大，牽引織物前進的速度快，兩邊半徑小，卷取織物的速度慢，使得越接近織物邊緣的緯紗，在卷取過程中越落后于織物中間的緯紗，從而使織物產生剪切變形.卷取輥的半徑差異越大，造成的剪切變形就越大，結果是織物各處緯紗密度并不均勻一致.這種不均勻性表現在曲面織物上時，即半徑小的地方緯紗密度大，半徑大的地方緯紗密度小.

2 回轉體曲面織物的優化設計

為使回轉體曲面織物在不同半徑處的緯密均勻，采用了分區等緯密設計方法[9]，將卷取輥分為5個區域，如圖2所示.圖中兩側相同的B、C區域是回轉體的對稱結構.在引入的緯紗中，除了與全部經紗交織的長緯（如圖2中長緯）外，在緯紗密度較小的區域還引入部分短緯，如短緯與A、B區間的經紗相交織，短緯只與A區間的經紗相交織.這樣A區引入的緯紗數最多，B區次之，C區最少.根據各區域所需經紗長度的變化，有梯度地引入這3種不同長度的緯紗，可使形成的回轉體織物各處的緯紗密度相對均勻一致.

圖2 橢圓體曲面織物結構Fig.2 Structure of ellipsoid surface fabric

2.1 緯紗循環數計算

為了計算緯紗循環中的長緯根數和各種短緯根數，設各區織物的平均緯密為Pw，則卷取輥回轉一周在A、B、C 3區所需引入的緯紗根數分別為：

式中：RA、RB、RC分別為卷取輥在A、B、C區域的平均半徑.

從公式（1）～（6）可以看出，MA、MB、MC3者間存在比例關系：

即

2.2 長短緯分布規律設計

短緯在長緯間的分布方式影響織物的均勻性[10]，考慮到橢圓回轉體的對稱性，只分析長短緯在回轉體一端的分布對預成型織物結構均勻性的影響.圖3（a）、（b）的長短緯根數都相同，只是圖3（a）中2種不同長度的短緯集中分布在長緯之間，造成緯紗密度的分布不均勻，織物結構也不均勻.

圖3 長短緯分布對織物結構均勻性的影響Fig.3 Effect of long and short wefts distribution patterns on preform structural uniformity

圖3（b）是將兩種不同長度的短緯以適當的間隔分散在長緯之間，使形成的回轉體織物各處的緯紗密度相對均勻一致.

3 回轉體曲面織物的織造

以500 tex無堿無捻玻璃長絲作經緯紗，采用平紋組織制織出橢圓回轉體曲面預成型織物，如圖4所示.為了方便纏繞成型時對經緯紗間角度的控制，沿緯紗方向還加入了12 K的碳纖維作示蹤紗.

圖4 橢圓體仿型曲面織物實物Fig.4 Ellipsoid surface fabric

設計經紗密度為50根/10 cm，上機幅寬27 cm，A、B、C 3個區域所用經紗根數依次為92根、16根、28根.所用卷取輥的A、B、C 3個區域的平均半徑為：RA= 8 cm，RB=6.5 cm，RC=3.2 cm，經計算得W1∶W2∶W3= 2∶4∶4，即緯紗循環數為10，在一個組織循環中3種長度緯紗的根數依次為2根、4根、4根.

為了簡化織造，采用一把梭子引緯，在設計引緯順序時，除了考慮讓短緯均勻分布在長緯之間外，還要考慮緯紗與緯紗之間的連續，以避免長浮線的產生.圖5給出了實際采用的引緯順序圖.

在織制的預成型織物中，A、B、C區的平均緯密分別為28、26和27根/10 cm.進一步觀察每一個區域，都是在回轉體直徑大的位置緯密小，在直徑小的位置緯密大.可見，使用分區等緯密設計方法，織制的織物并不能達到完全的等緯密，只是在一定程度上緩解了緯紗密度的變化梯度.

圖5 引緯順序示意圖Fig.5 Sketch map of picking

4 結論

織造橢圓回轉體曲面織物時，采用分區等緯密設計方法，使長短緯的根數成比例、短緯在長緯間均勻分布，能夠獲得緯密較為均勻的回轉體仿型織物.所分經紗的區段越多，短緯在長緯間的分布越分散，越有利于形成結構均勻的織物.但織物設計越復雜，對開口機構控制經紗能力的要求也越大.如果采用提花開口機構，只要通過合理設計長短緯的分布，就可以獲得緯密分布均勻的仿型織物.

[1]FLEURY Gilles A，LAVALLEE Robert L，OHNSTAD Thomas S.Apparatus for weaving spheriodially contoured fabric：US，4825912[P].1989-05-02.

[2]彭淑靜，郭興峰.單層曲面機織布的織造技術研究[J].紡織科技進展，2005（2）：18-20.

[3] 郭興峰，李濟群.一種機織物的織造方法：中國專利，02129080.6[P].2005-03-23.

[4] 張福承.機頭雷達罩及其纏繞法 [J].纖維復合材料，2000，17（1）：30-32.

[5]ROBERT G，JAMES H，MICHAEL H.Composite overwrapped pressure vessels for space applications[J].Sample Journal，2003，39（2）：44-50.

[6]董孚允，王春敏，董 娟.三維紡織復合材料的發展和應用[J].纖維復合材料，2001，18（3）：37-39.

[7] 彭淑靜，郭興峰，陳和春.圓環形機織布的織造與設計[J].天津工業大學學報，2005，24（4）：18-20.

[8]閻貴珠.曲面織物的織造技術研究[J].天津紡織科技，2008（3）：22-27.

[9]郭興峰，劉春陽，王 瑞，等.圓環形織物的織造原理與設計[J].紡織學報，2006，27（1）：12-15.

[10]AUCAGNE Jean，MARTINET Laurent.Spiral-shaped textile structure：US，5242745[P].1993-09-07.

Structural optimization of woven fabric with curved surface

WANG Yan-fang，GUO Xing-feng
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

As the length of warps of the revolving body is different，it easily leads to uneven density of weft distribution. To solve the problem，the influence factors of the ellipsoid surface fabric are studied.By using of the method of sectional even weft density，the stractural optimization method is designed，which long length wefts interlace with all warp yarns and short length wefts only interlace with the warp yarns in some sections.Consequently，the winding fabric with more uniform desity of weft and warp yarns are obtained in actual weaving.

woven fabric；curved surfaces；structure；optimal method

book=3,ebook=117

TS105.11

A

1671－024X（2010）03－0034－03

2010-01-19

王燕芳（1985—），女，碩士研究生.

郭興峰（1964—），男，教授，碩士生導師.E-mail：xfguo@tjpu.edu.cn