三維正交織機雙向開口機構的設計*

趙 梅 王益軒 路 超 韓斌斌

(西安工程大學機電工程學院，西安，710048)

與傳統的二維紡織復合材料相比，三維正交紡織復合材料由于其優異的整體力學性能而得到了廣泛的應用。然而隨著對紡織復合材料機械性能要求的提高，三維正交非交織紡織復合材料已不能滿足人們的要求。為了提高三維正交紡織復合材料的機械性能，人們研發了三維正交交織紡織復合材料。

三維正交交織織物又稱為網格狀織造的三維織物，它是由多層經紗和兩組正交的緯紗相互交織而成的。要織出這種網格狀織物結構，織造過程中的開口機構必須采用雙向開口方式。Fukuta等提出了使織物的多層經紗與兩組正交緯紗充分交織的三維織造技術，該技術不但可以形成織物寬度方向的橫向開口，而且可以形成織物厚度方向的縱向開口，當橫、縱向開口形成后引入緯紗，這樣交替進行可以織出完全交織的三維織物［1］。在此基礎上提出了三維正交織機采用雙向開口方式。

本文主要介紹三維正交織機采用雙向開口方式的開口機構，根據織物組織結構設計了雙向平紋開口機構的功能模型，介紹了基本工作原理，并根據傳統綜框的標準，選定合適的尺寸，在Pro/E中建立雙向綜框的幾何模型，利用 ANSYS/Workbench14.5對雙向綜框進行了動態特性分析，計算出了碳纖維復合材料綜框與鋁合金綜框的固有頻率和振型并作了比較，為雙向綜框的設計提供了理論依據和參考。

1 三維正交織機雙向開口機構織造法

三維正交織機的開口機構采用了雙向開口的方式，其用于織造完全交織的三維織物，即多層經紗的縱向和橫向分別形成開口，使多層經紗與兩組正交緯紗相互交織。多層經紗基本上是直線的，而其余一些與兩組正交緯紗交織的紗線是螺旋狀的，這樣得到的織物是網格狀的結構，見圖1。

圖2為一個雙向開口形成過程的示意圖。多層經紗最初處于水平位置［圖2(a)］，在列方向的開口同時形成［圖2(b)］，垂直開口中引入縱向緯紗Y后與多層經紗Z形成交織［圖2(c)、圖2(d)］，多層經紗在行方向的開口形成后引入橫向緯紗 X與多層經紗 Z形成交織［圖2(f)、圖2(g)、圖2(h)］。這樣重復進行就可以織成完全交織的三維織物［圖2(i)］。

圖1 三維正交交織織物的結構示意圖

圖2 雙向開口形成過程

采用這種織造法可以織造出高度整合的織物塊，任何所需形狀的預制坯都能從其上切割下來。由于這種織物塊是完全交織的，所以切割下來的預制坯不需要在外表面進行任何接結操作來提高織物的整體性。雙向開口機構織造法較傳統織造法更有利于簡化和加速織物的生產。

2 三維正交織機開口機構中雙向綜框的設計

根據織物的組織結構和織物形成過程，構造經紗雙向開口機構，通過在三維正交織機的開口機構中采用雙向開口可以織造出這種織物。本文僅研究雙向平紋開口機構，其余復雜組織的雙向開口機構可參考本文的方法設計。和普通的2D織機開口機構一樣，雙向平紋開口機構也有幾種形式，如機械式(連桿機構、凸輪機構)、電子式(伺服電機傳動)。本文構造的雙向開口機構的基本原理如圖3所示。

圖3 三維正交織機開口機構原理圖

綜框10和綜框11在兩個平行的平面上，它們采用相同的連桿機構來驅動。驅動力矩傳遞給小齒輪1，通過小齒輪1和大齒輪2的嚙合，驅使與大齒輪同軸固定的曲柄3(即偏心盤)作整周轉動;曲柄3通過連桿4帶動三臂擺桿擺動;通過綜框連桿9帶動綜框10作上下往復運動。另一平面的機構與驅動上下運動綜框的機構完全相同，只是綜框11作水平往復運動。兩個方向運動的綜框可以有幾十頁，該機構能控制各頁綜框，使之按所需要的開口規律運動，從而織造出各種不同結構的織物，如斜紋、緞紋等。除了水平和垂直兩個方向的綜框運動要相互配合外，單向開口機構的設計與傳統2D織機的開口機構設計完全相同，這里不再介紹，本文僅論述特殊綜框的結構設計問題。

圖4所示為水平運動的綜框2和垂直運動的綜框1以及其上的綜眼。雙向綜框的運動使得在織物厚度和寬度方向分別形成了開口，這也是三維正交織機織造交織織物的關鍵環節。

圖4 雙向綜框

在圖4中，綜框1和綜框2放在兩個平行的平面內，綜片上有特別設計的綜眼，6a稱為積極經紗，積極經紗穿過的綜眼是綜框1的綜眼(4ne)、綜框2的綜眼(4ne)或綜框1和綜框2綜眼的疊加綜眼(4se);6p稱為消極經紗，消極經紗穿過的綜眼是綜框1和綜框2疊加的長槽狀開放空間(5e)。在連桿機構的帶動下，綜框1作豎直直線運動，綜框2作水平直線運動，由于兩個方向的綜框運動，使得經紗在兩個方向上分別形成了開口。綜框的橫向經紗編號為1～9行，縱向經紗編號為一～九列。奇數行的消極經紗(6p)穿過長槽狀開放空間的綜眼(5e)，靜止不動;奇數行的積極經紗(6a)穿過綜框2的綜眼(4ne)，由綜框2帶動作水平往復運動。綜框1中的偶數行積極經紗(6a)穿過綜框1的綜眼(4ne)，由綜框1帶動作垂直往復運動;而綜框2中的偶數行積極經紗(6a)，先穿過綜框2的豎直綜眼，后穿過綜框1的水平綜眼，即綜眼4se，隨相應綜框運動。在縱列(二、四、六、八列)中，一些積極經紗(6a)穿過綜框2的綜眼(4ne)，而該列的其余積極經紗(6a)穿過綜眼(4se);在縱列(一、三、五、七、九列)中，所有的積極經紗穿過綜框1的綜眼(4ne)。

當綜框1作垂直運動時，穿過綜框1綜眼(4ne)和重疊綜眼(4se)的積極經紗(6a)隨綜框1一起上下移動;綜框2的豎直綜眼有足夠的長度使得穿過綜眼(4se)的積極經紗(6a)能夠豎直移動一定的距離。然而穿過綜框2綜眼(4ne)的積極經紗(6a)和消極經紗(6p)不移動，這樣就與穿過綜框1豎直移動的積極經紗(6a)配合形成了水平方向的開口(參見圖2)。同理，由綜框2的水平運動帶動穿過綜框2綜眼(4ne)和重疊綜眼(4se)的積極經紗(6a)作水平運動，與穿過綜框1的積極經紗(6a)和消極經紗(6p)形成了豎直方向的開口(參見圖2)。在每次開口形成時引入緯紗，這樣就實現了經紗和緯紗的完全交織。

根據傳統綜框的標準，在Pro/E中建立了長1 800 mm，寬1 000 mm的雙向綜框三維模型，如圖5所示。

圖5 雙向綜框三維模型

3 雙向綜框的動力學特性分析

綜框的工作性能與其動態性能密切相關。在處理結構振動問題時，必須對其動態特性有全面的了解。在建模過程中對綜框結構進行簡化，保留了主要發生振動的側擋和橫梁，這樣可以提高計算效率［2］。在此去掉了綜片，利用 ANSYS與 Pro/E的無縫連接，在ANSYS Workbench中進行網格劃分，如圖6所示。

圖6 綜框的有限元模型

在模態分析時，分別選取了鋁合金和碳纖維復合材料進行計算，最后得到了兩組綜框的固有頻率和模態振型并進行了比較。表1為碳纖維復合材料的主要參數，其中ρ為密度，E為彈性模量，G為剪切模量，P為泊松比。鋁合金的密度為2 770 kg/m3，彈性模量為 71 GPa，泊松比為 0.33。

表1 碳纖維復合材料性能參數

使綜框處于自由狀態下進行模態計算，因為自由模態分析可以得到所有結構振型，便于我們設計時參考。這樣綜框就有6個剛體模態，在模態分析后的前6階固有頻率幾乎全為零。表2為綜框的前10階固有頻率。

表2 綜框前10階固有頻率 (單位：Hz)

鋁合金綜框的質量為10.421 kg，碳纖維復合材料綜框的質量為5.462 kg，綜合比較，碳纖維復合材料綜框可有效地減小慣性載荷，適應高速。由表2可知，兩種綜框的固有頻率差別不大。其中較典型的振型如圖7～圖10所示。

圖7 1階振型

圖8 4階振型

圖9 6階綜型

圖10 9階振型

由圖7～圖10可以看出：鋁合金綜框較碳纖維綜框變形程度更大;第1階振型沿綜框平面法線方向發生彎曲變形;鋁合金綜框的第4階振型主要表現為綜框的彎曲變形，橫梁的左側向前彎曲，右側向后彎曲，綜框的中心部位靜止不動，最大變形區出現在綜框的兩端，同時兩邊的側擋上也發生了一定程度的彎曲變形，而碳纖維綜框的振型主要表現為側擋和橫梁向一側彎曲;碳纖維綜框和鋁合金綜框的第9階振型都是發生彎曲變形，只是鋁合金綜框的彎曲程度更大。總之，對于同樣規格的綜框，碳纖維復合材料綜框相對于鋁合金綜框有較好的動態特性。

4 結語

三維正交織機采用了雙向開口機構即雙向綜框，可以織出完全交織的織物，這種織物可以大大提高其力學性能，滿足工程織物的需求。本文主要介紹了雙向綜框的作用及工作原理，并根據傳統的綜框在 Pro/E中建立了雙向綜框的模型，利用ANSYS/Workbench14.5進行模態分析。選取碳纖維復合材料和鋁合金為綜框材料，得到了相應的固有頻率和振型，對前10階振型進行了分析，得出了綜框主要以彎曲和彎扭曲變形為主，最大變形區域集中在側擋、側擋和橫梁的連接處、橫梁的中間位置、距離橫梁中間位置1/4處及端部。本文的研究結果為雙向綜框的設計提供了理論參考。

［1］王美紅.三維機織預型件的織造技術［J］.產業用紡織品，2013，31(4)：1-9.

［2］朱伯芳.有限單元法原理與應用［M］.北京：中國水利水電出版社：知識產權出版社，2009.

［3］楊彩云，李嘉祿.復合材料用3D角聯鎖結構預制件的結構設計及新型織造技術J］.東華大學學報：自然科學版，2005，31(5)：53-58.

［4］比蒂姆股份公司.網格狀織造的3D織物材料：中國，97181940.8［P］.1997-03-03.

［5］邱海飛，王益軒，劉欣.綜框模態頻率優化設計［J］.機械設計，2012，29(5)：35-38.

［6］祝章琛.綜框模態特性對綜框運動的影響［J］.中國紡織大學學報，1999，23(3)：89-95.

［7］KHOKAR Nandan.Woven 3D fabric material：US 6338367 B1［P］.2002-06-15.

［8］MOHAMED Mansour H，BILISIK A Kadi.Multi-layer three-dimensional fabric and method for producing：US 5465760［P］.1995-11-14.

［9］QIU Haifei，WANG Yixuan，WU Songlin.The study on dynamic characteristics for heald frame designed by new type composite of carbon-fibre［J］.Advanced Materials Research，2013，804：353-357.