連續變厚度三維機織物的組織設計

連續變厚度三維機織物的組織設計*

曾文敏1,2李毓陵1,2馬顏雪1,2胡壽豐3張建3

(1. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620；

2. 東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620；

3. 中航商用航空發動機有限責任公司，上海，200241)

摘要：采用多層接結組織結構，通過逐步對稱增加交織層層數、逐步對稱改變接結組織結構、逐步增加緯向墊紗數的方法，進行連續變厚度三維機織物的組織設計，并在四劍桿四綜眼劍桿織機上進行試織，驗證了設計的合理性和可行性。

關鍵詞：三維機織物，連續變厚度，組織設計，多層接結

中圖分類號：TS105.1文獻標志碼：A

收稿日期：2014-10-16

作者簡介：曾文敏，女，1990年生，在讀碩士研究生。研究方向為三維機織物的開發。

隨著業界對航空發動機燃油效率和碳排放要求的不斷提高，航空發動機設計采用的涵道比不斷增大，風扇部件尺寸隨之加大，這使得風扇段的質量占發動機總質量的比例也不斷增大。采用復合材料可以減輕風扇及發動機質量，提高比剛度、疲勞性能、損傷和缺陷容限等，發動機風扇部件采用先進復合材料是同時實現更高涵道比和減重的唯一途徑[1-2]。

使用三維織物作為復合材料風扇葉片預制件是當今研究的熱點。三維紡織品已能根據實際需要生產出各種復合材料預制件。其中三維針織物主要是經編織物，但受生產設備限制只能加工薄型織物，應用不多。三維編織物可生產各種形式的預型件，但生產效率較低，不能適應大規模生產，應用也不多。而三維機織物由于可在專用設備、稍加改造的普通設備及普通設備上生產，且生產效率較高，因此是所有三維紡織品中應用最廣泛的一種織物[3]。

復合材料風扇葉片的基本形狀如圖1(a)所示，為寬弦復合材料風扇葉片且葉尖向葉根逐漸變厚，根部榫頭是葉片和底盤的連接部分，本文暫不研究榫頭設計。根據拓撲原理，可以將其預制件展開成如圖1(b)所示的長板形，可以認為這是一種在長度方向厚度連續變化的變厚度織物。本文就采用三維機織物結構制備這種織物時的組織結構設計問題進行深入探索。

*上海市科學技術委員會2012科技創新行動計劃項目(12521102100)

(a)復合材料風扇葉片

(b)預制件拓展圖形 圖1　風扇葉片基本形狀

1三維機織物組織

根據交織規律的不同，三維機織物大致可分為正交組織、角聯鎖組織和多層接結組織三種基本組織結構。其中正交組織結構可分為整體正交和層間正交兩種，如圖2所示；角聯鎖組織可分為整體角聯鎖和層間角聯鎖兩種，如圖3所示；多層接結組織可分為自身接結和接結紗接結兩種，如圖4所示。三種基本組織結構可有多種變化結構。

綜合考慮織物整體穩定性好、不同部位結構保持大致相同、結構變化方便以及厚度變化范圍大等因素，本文選擇以平紋為基礎組織的多層接結組織作為三維機織物的組織結構。為達到厚度變化范圍大的目的，設計經紗循環為32，可以實現多達16層的多層接結織物。

(a)整體正交

(b)層間正交 圖2　正交組織

(a)整體角聯鎖

(b)層間角聯鎖 圖3　角聯鎖組織

2組織設計

(a)自身接結

(b)接結紗接結 圖4　接結組織

如圖1(b)所示，可以看出復合材料風扇葉片預制件的厚度為從尖部到根部連續變化。

2.1　尖部組織設計

風扇葉片尖部的厚度相對較小，因此在組織結構設計時采用了多層跨接的方式，如圖5(a)所示(緯向截面圖，其中有數字標號的為經紗，曲線為緯紗)，即部分經紗間隔形成織物層、部分經紗保持伸直狀態，通過接結緯將間隔形成的織物層連接成整體。由于三維機織物只有2層平紋織物，伸直經紗作為經向墊紗墊在其中，因此整體織物可以比較薄，以滿足葉片尖部的要求。

2.2　連續變厚度組織設計

圖5(b)是將三維機織物平紋層對稱增加到4層，確保其穩定性。經紗1與經紗16通過接結緯紗連接，中間所夾經紗不交織；根據對稱要求經紗17與經紗32采用接結緯接結。為使織物連接為一體，經紗15與經紗18通過自身接結方式接結。由于經紗15、16、17和18由兩層紗線成為了兩層自身接結結構織物，因此圖5(b)的整體厚度相比圖5(a)有所增加；又由于所構成的兩層自身接結結構位于整體結構的中間，因此在織物的表面不會產生厚度的階梯變化，而是形成一種近似連續的變化。同理，圖5(c)～圖5(g)逐步對稱增加以自身接結方式接結的織物層，以使織物厚度連續增加。

圖5　連續變厚度三維機織物組織設計

當織物整體都形成多層自身接結組織之后，從中間開始，如圖5(h)所示，對稱逐步用多層接結緯組織結構替換多層自身接結組織結構。顯然，接結緯結構多層組織的厚度明顯大于自身接結結構[4]，因此圖5(i)、5(j)、6(k)、5(l)、5(m)和圖5(n)繼續連續增加織物厚度。

當織物整體形成多層接結緯接結組織之后，也從中間開始，如圖5(o)所示，對稱逐步增加緯向墊紗，使厚度繼續連續增加，見圖5(p)～圖5(v)。增加緯向墊紗后，接結緯結構多層組織的厚度明顯大于無緯向墊紗的組織結構[4]。最終得到織物整體厚度連續增加，織物表面沒有明顯梯度變化的連續變厚度三維機織物。

3上機試織

將上述設計的連續變厚度三維機織物的組織結構在四劍桿四綜眼劍桿織機上進行試織[5-6]。試樣的基本參數和上機參數見表1，部分結構的上機圖見圖6，分別選取了圖5(g)、圖5(n)和圖5(v)三個作為典型結構。最終織出的試樣截面和表面照片見圖7。

表1　織物上機參數

用游標卡尺測量試織樣品的厚度數據，圖5中各截面所對應的厚度數據如表2所示。

表3為相鄰截面厚度之間的差，由表3可知：

圖6　圖5(g)、圖5(n)和圖5(v)的紋板圖與選緯圖

(1)截面a到g之間對應的是自身接結組織層數逐漸增加的變化，但每次變化所增加的厚度最大為0.74 mm，最小為0.42 mm，增加的幅度不大，各幅度之間的差距也不大，因此可以認為厚度變化是連續的。

(a)經向截面

(b)表面 圖7　試織樣品照片

截面(自身接結)厚度/mm截面(接結緯)厚度/mm截面(加襯緯)厚度/mma5.02h10.48o13.32b5.52i10.70p13.50c6.18j10.96q13.72d6.92k11.24r13.94e7.52l11.50s14.12f7.94m11.72t14.36g8.52n11.94u14.52v14.64

表3　相鄰截面之間厚度差

(2)同理，截面h到n之間對應的是接結緯接結組織層數逐漸增加的變化；截面o到v之間對應的是襯緯數逐漸增加的變化，增加的幅度都不大，各幅度之間的差距也都不大，因此也可以認為厚度變化是連續的。

(3)截面h與截面g之間的厚度差值為1.96 mm，相對較大，說明自身接結圖5(h)變化為接結緯接結圖5(g)后引起的厚度變化較大。

(4)同理，截面o與截面n之間的厚度差值為1.38 mm，說明接結緯圖5(n)變化為加襯緯圖5(o)后引起的厚度變化較大。

為解決由于結構變化而引起的厚度顯著增加，需要作進一步研究。

4結語

(1)采用多層接結組織作為三維機織物的組織結構，通過逐步對稱增加交織層層數、逐步對稱改變接結組織結構以及逐步增加緯向墊紗數，可以實現三維機織物厚度的連續變化。

(2)采用四劍桿四綜眼劍桿織機對設計的三維機織物試織的結果表明，所設計的組織可以實現三維機織物厚度的連續變化。

參考文獻

[1]王曉亮,劉志真,紀雙英，等.商用航空發動機先進復合材料風扇葉片研究進展[J].新材料產業,2010(11):36-41.

[2]CHRIS R. Aviation outlook: Composites in commercial aircraft jet engines[J]. High Performance Composites,2008(9).

[3]易洪雷,丁辛.三維紡織預型件織物[J].高科技纖維與應用,2001,26(3):32-34.

[4]王鵬.變厚度三維機織物的制備與結構分析[D].上海:東華大學,2012:42-47.

[5]薛進.多眼綜多劍桿織機的特性及織造模擬[D].上海:東華大學,2013:24-30.

[6]柳寶琴.基于多劍桿織機的三維織物織造工藝研究[D].上海:東華大學,2014:17-22.

Structure design of continuous variable thickness

three-dimensional woven fabric

ZengWenmin1,2,LiYuling1,2,MaYanxue1,2,HuShoufeng3,ZhangJian3

(1. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University;

2. Engineering Research Center of Technical Textile, Ministry of Education, Donghua University;

3. AVIC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd.)

Abstract:Using multi-layer stitching organizational structure and methods, which gradually increases the number of layers of interwoven symmetrically, changes stitching structure and increases the number of lapping yarns gradually, a continuous variable thickness three-dimensional woven fabric structure was designed.A trial weaving on four-eye heddle and four-rapier loom had been made and the rationality and feasibility of the design had also been verified.

Keywords:three-dimensional fabric, continuous variable thickness, fabric structure, multi-stitching