新型圓軌道法的經紗上機設計*

宮慶雙 胡吉永 馬顏雪 張瑞云 李毓陵 胡壽豐 張 建

1. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；2. 產業用紡織品教育部工程研究中心，東華大學，上海 201620；3. 中航商用航空發動機有限責任公司，上海 200241

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新型圓軌道法的經紗上機設計*

宮慶雙1,2胡吉永1,2馬顏雪1,2張瑞云1,2李毓陵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. 產業用紡織品教育部工程研究中心，東華大學，上海 201620；3. 中航商用航空發動機有限責任公司，上海 200241

圓軌道法是三維筒狀織物的新型成型方法。分析三維機織物的三種基本組織在構成三維筒狀機織物時的特點，并以一種多層接結組織為例，詳細介紹采用圓軌道法進行織造時不同的經紗上機方式，分析其各自的特點，以豐富和完善新型織造方法的應用。

圓軌道法，三維筒狀織物，多層接結組織，經紗上機

三維紡織復合材料以三維紡織預型件為增強相。該預型件賦予復合材料極佳的層間剪切強度、極好的抗沖擊損傷性、適宜的韌性，以及較高的比強度和比模量。同時，復合材料還具有輕質高強、耐腐蝕、抗高溫等優點，在航空航天、國防軍工、交通運輸、汽車工業、船舶制造、能源等眾多領域都有廣泛的應用[1]。

筒狀結構件是一種應用廣泛的基本構件，隨著輕質高強復合材料的不斷發展，三維筒狀織物已成為重要的研究方向。三維筒狀織物的成型方法有多種，楊婷婷[2]提出的新型圓軌道法如圖1所示，采用周向開口、徑向引緯和軸向打緯的方式進行連續性織造，可實現產品的規模化生產。

1～3—軌道 4—經紗 5—引緯裝置 6—織物

1 三維組織分析

三維筒狀織物是指外形輪廓為圓筒狀、內部為中空、具有一定壁厚的復雜多層三維織物，也可稱為無縫管狀織物。其組織屬于三維機織組織，基本組織主要有三種[3]：正交組織、角聯鎖組織和多層接結組織。但在織造三維筒狀織物時，由于開口方式和引緯方式的不同，以及紗線數量的差異，特別是紗線的取向變化(即經紗上機方式)，從而顯著影響織造的過程和最終的織物結構。因此，首先需對三種基本組織在圓軌道法織造條件下的特點進行分析。

1.1 正交組織

正交組織由三個系統的紗線呈正交狀態配置而組成一個整體[4]。在圓軌道法中，三個系統的紗線恰好分別對應軸向紗、徑向紗和周向紗(圖2)。因此，無論哪個系統的紗線用于哪個方向，三維筒狀織物的總體結構和織造過程都是一樣的。

(a) 正交組織 (b) 三維圓筒結構

(c) 圓筒單元結構

1.2 角聯鎖組織

角聯鎖組織[5]由2～4個紗線系統構成，即緯紗系統、經紗(接結經紗)系統、襯經系統和襯緯系統，前兩個系統是構成三維角聯鎖結構必不可少的，而后兩個系統是可選擇的。在圓軌道法中，利用圖3(a)所示的結構織制三維筒狀織物，兩個系統可分別對應軸向紗或周向紗。而哪個系統對應軸向紗、哪個系統對應周向紗，即軸向紗(經紗)的上機方式不同，三維筒狀織物的結構和織造過程顯然是不同的，如圖3(b)、(c)所示。

(a) 結構示意

(b) 三維筒狀結構1

(c) 三維筒狀結構2

1.3 多層接結組織

多層接結組織由兩個系統紗線交織而成，沿織物厚度方向，紗線交織在一起，即一般概念的“層”之間是連接在一起的，因此提高了織物“層”之間的抗剪切能力[6-7]。圖4所示是一種基礎組織為平紋組織的接結線整體接結三層組織。

(a) 結構示意

(b) 三維筒狀結構1

(c) 三維筒狀結構2

利用圖4(a)所示的結構織制三維筒狀織物，也會遇到與角聯鎖組織相同的問題，即不同的經紗上機方法會導致最終的織物結構和織造過程不同。

2 經紗上機方式

經紗上機是織造過程中必備的工序，結合圓軌道法中經紗豎直向下并沿圓軌道分布的特點，以圖4(a)所示的結構為例，對不同的經紗上機方式做詳細分析。

2.1 上機方式1

將圖4(a)所示的結構中的A、B、C、D、E和F作為經紗進行上機，得到圖4(b)所示的三維筒狀結構，可以看出：沿直徑方向，都是3根經紗構成一排，每兩排經紗構成一個經紗循環，因此需要3層軌道，相當于每層織物1層軌道；而沿圓周方向，顯然需要8根紗線才能形成完整的單元結構。但由于所織的是圓筒結構，為保證結構的連續性，在經紗總排數和所需的圓周引緯紗線數上，需要做特別的考慮[8]。

(1) 如果引緯紗線根數為1，則基礎組織的緯向飛數是常數的單層管狀織物的總經紗數Mj為：

Mj=RjZ±Sw

(1)

式中：Rj表示基礎組織的經紗循環數；Z表示基礎組織的循環個數；Sw表示基礎組織的緯向飛數。

此條件下，一根紗線必須依次走完一個組織循環的所有緯紗，每一緯有不同的經紗開口。

若按照圖4(b)所示的筒狀結構進行經紗上機，由于圖4(a)所示是一種三層接結組織結構，且每層的組織及接結組織的Rw都為2。因此，如果引緯紗線根數為4，則圖4(a)所示結構的織物的總經根數M為：

M=(RjZ±Sw)N

(2)

式中：N表示軌道層數，此處為3。

此時，4根引緯紗線必須依次走完對應循環中的2根緯紗，每根引緯紗線對應2種經紗開口，共有8種不同的經紗開口。顯然，手工織造時容易出現開口差錯，但緯紗之間不容易弄混。

(2) 如果引緯紗線根數為基礎組織的緯紗循環數Rw，則單層管狀織物的總經紗數為：

Mj=RjZ

(3)

此條件下，Rw根紗線同時進行引緯，每根紗線各自的經紗開口保持不變。

同樣，若按照圖4(b)所示的筒狀結構進行經紗上機，如果引緯紗線根數為8，則三維多層筒狀織物的總經根數為：

M=RjZN

(4)

此時，8根引緯紗線分別對應8種不同的經紗開口，每根引緯紗線對應的經紗開口保持不變。顯然，手工織造時不容易出現開口差錯，但容易發生緯紗弄混問題。

由此可見：

1) 在本經紗上機方式下，織出的三維多層筒狀織物的軸向紗少、周向紗多。軸向紗少，意味著所需的軌道層數少，有利于在不增加設備復雜程度的條件下，織出厚度比較厚且徑向力學性能較好的三維多層筒狀織物；周向紗多，意味著織造效率會比較低。

2) 在本經紗上機方式下，引緯紗線數不同，總經根數的計算方法也不同。引緯紗線根數少，手工織造時容易出現開口差錯，但緯紗之間不容易弄混；引緯紗線根數多，手工織造時不容易出現開口差錯，但容易發生緯紗弄混問題。

2.2 上機方式2

將圖4(a)所示結構中的1、2、3、4、5、6、7和8作為經紗進行上機，所得三維筒狀結構如圖4(c)所示，可以看出：沿直徑方向，8根經紗構成一排，每一排經紗構成一個經紗循環，因此需要8層軌道；而沿圓周方向，6或3根引緯紗線都可以采用，會遇到與上機方式1類似的問題，但總經根數均為：

M=RjZ

(5)

顯然，與上機方式1對比，在本上機方式下，軸向紗多、周向紗少。軸向紗多，需要的軌道層數多，不利于織出厚度比較厚的三維多層筒狀織物；周向紗少，織造效率高，手工操作時不容易出差錯，但三維筒狀織物的徑向力學性能不高。

3 總結

(1) 采用圓軌道法，三種基本組織的三維筒狀機織物都能夠織造出來。

(2) 對于一種多層接結組織，有兩種經紗上機方式。在上機方式1下，軸向紗少、周向紗多：軸向紗少，所需軌道層數少，有利于織出厚度更厚的三維筒狀機織物；周向紗多，有利于得到徑向力學性能更好的三維筒狀機織物，但織造效率低，手工操作時容易出差錯。在上機方式2下，軸向紗多、周向紗少：軸向紗多，所需軌道層數多，不利于織出厚度更厚的三維筒狀機織物；周向紗少，織造效率高，但三維筒狀機織物的徑向力學性能不高。

(3) 采用任何一種經紗上機方式，周向紗的引緯紗線數不同，總經根數的計算方法也有所不同；引緯紗線數少，手工操作時紗線不容易弄混，但引緯過程容易出現開口錯誤；引緯紗線數多，手工操作時紗線容易弄混，但引緯過程不容易出現開口錯誤。

[1] 車劍飛，黃潔雯，楊娟．復合材料及其工程應用[M]．北京：機械工業出版社，2006：138-195．

[2] 楊婷婷．三維筒狀織物的織造技術研究[D]．上海：東華大學，2015．

[3] 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．

[4] 郭興峰．三維正交機織物結構的研究[D]．天津：天津工業大學，2003．

[5] 蔡陛霞．織物結構與設計[M]．北京：中國紡織出版社，2008：10-19．

[6] HUANG Gu， ZHONG Zhili. Tensile behavior of 3D woven composites by using different fabric structures[J]．Materials and Design， 2002,23(7)：671-674．

[7] 劉亞芳，楊旭紅．多層接結三維機織物的結構設計和織造工藝探討[J]．國外絲綢，2009(3)：38-40．

[8] 白燕．管狀織物新設計方法[J]．上海紡織科技，2004，32(3)：28-29．

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Warp looming design of the new circular orbit weaving method

GongQingshuang1,2，HuJiyong1,2，MaYanxue1,2，ZhangRuiyun1,2，LiYuling1,2，HuShoufeng3，ZhangJian3

1. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China；2. Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China；3. AVIC Commercial Aircraft Engine Co., LTD., Shanghai 200241, China

Circular orbit weaving method is a new shaping-method to weave three-dimensional (3D) woven tubular fabrics. The characteristics of three basic 3D woven fabric weaves in forming 3D tubular fabrics were analyzed, and taking a multi-layer stitching weave as an example, different warp looming ways and their respective characteristics when using the circular orbit weaving method were described, to enrich and improve the application of the new weaving method.

circular orbit weaving method， three-dimensional tubular fabric， multi-layer stitching structure， warp looming

*上海市科委2012科技創新行動計劃項目(12521102100);上海市自然基金項目 (14ZR1401000)

2015-11-05

宮慶雙，男，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向為三維圓筒形機織物的設計與制備

TS105.1

A

1004-7093(2016)06-0013-04