影響圓環(huán)形仿形機(jī)織物剪切變形的因素

陳和春

1. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡染工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2. 江蘇省先進(jìn)紡織工程技術(shù)中心，江蘇 南通 226007；3. 南通市新型纖維材料重點實驗室，江蘇 南通 226007

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影響圓環(huán)形仿形機(jī)織物剪切變形的因素

陳和春1,2,3

1. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡染工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2. 江蘇省先進(jìn)紡織工程技術(shù)中心，江蘇 南通 226007；3. 南通市新型纖維材料重點實驗室，江蘇 南通 226007

在普通織機(jī)上織造圓環(huán)形仿形機(jī)織物，采用的不是圓柱形卷取輥，而是圓錐臺形的異形輥。由于卷取輥母線上各點距離卷取輥中心軸線的距離不同，導(dǎo)致各點的線速度不同，使經(jīng)紗在卷取時速度有差異；并且織口與卷取起始線間有一定距離，使織物緯向產(chǎn)生了剪切變形。通過選擇不同在機(jī)織造參數(shù)，計算織物的剪切變形角和仿形織物設(shè)計尺寸與最后結(jié)果間的差異。結(jié)果表明：在圓環(huán)形仿形織物織造過程中，織口與卷取輥上的織物卷取起始線距離越大，織物產(chǎn)生的剪切變形越大，仿形織物下機(jī)消除剪切變形后形成的圓環(huán)尺寸與設(shè)計尺寸間的偏差越大；圓錐臺形卷取輥的底部角越小，所織制仿形織物的剪切變形越大，形成的圓環(huán)尺寸與設(shè)計尺寸間的偏差也越大。

仿形機(jī)織物，剪切變形，剪切角，消除剪切

在回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中，常使用高性能纖維制成的二維、三維織物作增強(qiáng)材料，一般分為二維平面織物和三維立體織物兩大類。常用的制造方法有五種：纖維纏繞法、二維平面織物剪貼法、立體織造(編織)法、平面織造法和仿形織造法。仿形織造法加工的織物在復(fù)合材料內(nèi)纖維的連續(xù)性、材料整體性能的均勻性等方面要優(yōu)于其他幾種方法。

仿形織造技術(shù)[1]是根據(jù)復(fù)合材料制品的幾何形狀，在普通織機(jī)上進(jìn)行部分機(jī)構(gòu)的改進(jìn)來生產(chǎn)單層仿形機(jī)織物的技術(shù)[2]。仿形織造技術(shù)所生產(chǎn)的織物一般都是以回轉(zhuǎn)體外形來設(shè)計織物，織制的織物以經(jīng)緯紗不等長[3]為特點，具有空間曲面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用時只需將織物進(jìn)行多層卷繞即可獲得所設(shè)計的回轉(zhuǎn)體形的復(fù)合材料制品形狀[4]。在圓環(huán)形仿形織物的織造過程中，采用的是非圓柱形的異形卷取輥，導(dǎo)致最后的成品與設(shè)計之間存在很大的差異。本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討不同的在機(jī)織造參數(shù)對仿形織物剪切變形的影響。

1 仿形織物在機(jī)剪切模型及公式

圓環(huán)形仿形機(jī)織物是在普通織機(jī)上將原圓柱形卷取輥改成圓錐臺形卷取輥進(jìn)行織造的。圓錐臺形卷取輥在卷取時，其母線上的各點線速度不同，越靠近直徑大端卷取線速度越大，越靠近直徑小端卷取線速度越小。并且在織造過程中，織物的織口與卷取起始線存在一定的距離，從而導(dǎo)致了圓環(huán)形仿形織物在織造過程中經(jīng)緯紗發(fā)生剪切變形現(xiàn)象[1-2]，如圖1、圖2所示。

圖1 圓環(huán)形仿形織物在機(jī)剪切變形示意圖

圖2 仿形織物平面展開示意圖

在圖1、圖2中，β為圓錐臺的底部角，R為圓錐臺底部圓半徑(45 mm)，r1為頂部圓半徑，r2為仿形織物卷繞后在卷取輥上部織物邊緣形成的圓的半徑，θ為仿形織物的緯向剪切變形角，γ為緯向變形所對應(yīng)的中心圓角。

根據(jù)織物在機(jī)的剪切變形，建立剪切變形模型，并推導(dǎo)出剪切變形方程組[5]，如式(1)所示。

(1)

式中，L為仿形織物的織口到卷取起始線的距離，L≥R，0<β<π/2。

2 織造參數(shù)對仿形織物尺寸的影響

2.1 設(shè)定織口到卷取起始線距離L=R

將參數(shù)L=R=45 mm，β=π/4，r1=15 mm，代入式(1)求解得[6]：

(2)

γ為0.66，求得其所對應(yīng)的織物在機(jī)緯向剪切角θ為29.67°。

織物下機(jī)后，必須將緯向剪切變形消除，即使得織物中的緯紗與經(jīng)紗成90°角。其過程如圖3所示。

圖3 仿形織物消除剪切變形前后示意圖

在織造過程中，緯向發(fā)生剪切變形形成剪切角θ，如圖3所示。下機(jī)后將緯向剪切變形通過向上逆向旋轉(zhuǎn)矯正方法消除，緯向剪切變形消除前后的幾何結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。消除剪切變形后卷繞的形狀將由AEFD變?yōu)锳GHD，形成的圓錐臺底部角為β1。利用式(2)結(jié)果，計算得出在L=R條件下β1為60.65°。

圖4 仿形織物剪切角消除前后幾何結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 設(shè)定織口到卷取起始線距離L=3R/2

將參數(shù)L=3R/2=67.5 mm，β=π/4，r1=15mm代入式(1)，求解得：

(3)

求得該參數(shù)條件下織物的緯向剪切角θ為37.48°， 所織的圓環(huán)形仿形織物卷繞形成的圓錐臺的底部角β1為66.38°。將此仿形織物展開后形成圓環(huán)的外徑為2.50R。

2.3 設(shè)定織口到卷取起始線距離L=2R

將參數(shù)L=2R=90 mm，β=π/4，r1=15 mm代入式(1)，求解得：

(4)

求得該參數(shù)條件下織物的緯向剪切角θ為46.00°， 所織的圓環(huán)形仿形織物卷繞形成的圓錐臺的底部角β1為72.71°。將此仿形織物展開后形成圓環(huán)的外徑為3.36R。

2.4 設(shè)定圓錐臺形卷取輥底部角β=π/3

將參數(shù) L=R=45mm，β=π/3，r1=15 mm代入式(1)，求解得：

(5)

求得該參數(shù)條件下織物的緯向剪切角θ為23.51°， 所織的圓環(huán)形仿形織物卷繞形成的圓錐臺的底部角β1為66.53°，形成的圓環(huán)外徑為2.51R。

3 結(jié)論

將各參數(shù)條件下所對應(yīng)的仿形機(jī)織物剪切變形及仿形織物形成的圓環(huán)與設(shè)計尺寸的差異匯總?cè)绫?所示。

表1 參數(shù)條件與圓環(huán)形仿形織物剪切變形的關(guān)系

由表1可知：

(1) 當(dāng)織口到卷取起始線距離L=R時，圓環(huán)形仿形織物在機(jī)發(fā)生緯向剪切角θ為29.67°， 消除剪切變形后仿形織物形成的圓環(huán)外徑D2與設(shè)計的圓環(huán)外徑D1的比值為1.45；當(dāng)織口到卷取起始線距離L增大至3R/2和2R時，仿形織物在機(jī)的剪切角θ分別為37.48°和46.00°，D2/D1分別為1.77和2.38。 表明在仿形織物的織造過程中，織口到卷取起始線距離L是影響織物緯向剪切變形的一個非常重要的因素，織口至卷取起始線距離越大，織物的緯向剪切變形越明顯，消除剪切變形后的圓環(huán)形仿形織物尺寸與設(shè)計尺寸之間的偏差越大。

(2) 卷取輥的幾何結(jié)構(gòu)也是影響織物剪切變形的一個重要因素。在L=R條件下，選取底部角β=π/4和β=π/3兩種圓錐臺卷取輥，織物在機(jī)發(fā)生的緯向剪切角分別為29.67°和23.51°，D2/D1分別為1.45和1.25。表明圓錐臺卷取輥的底部角越小，用其所織的仿形織物發(fā)生的緯向剪切變形就越大，消除剪切變形后的圓環(huán)形仿形織物尺寸與設(shè)計尺寸之間的偏差也越大。

[1] 郭興峰, 李濟(jì)群. 一種機(jī)織物的織造方法: CN02129080. 6[P].2005-03-12.

[2] 郭興峰, 劉春陽, 王瑞，等. 圓環(huán)形織物的織造原理與設(shè)計[J]. 紡織學(xué)報, 2006，27(1)：12-15.

[3] 彭淑靜, 郭興峰, 陳和春. 圓環(huán)形機(jī)織布的織造與設(shè)計[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，22(4)：18-20.

[4] CHEN H C, GUO X F. Weave structures effect on the shear deformation of annular shaped woven fabrics[J]. Advanced Materials Research, 2011, 331： 198-201.

[5] 陳和春，陳桂香. 圓環(huán)形仿形機(jī)織物的剪切變形[J]. 紡織學(xué)報，2013，34(4): 53-57.

[6] 卓金武，李必文，魏永生, 等. MATLAB在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用 [M]. 2版. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2014：60-71.

Factors affecting the shearing deformation of annular shaped woven fabrics

ChenHechun1, 2, 3

1. School of Textile and Dyeing, Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 226007, China;2. Jiangsu Advanced Textile Engineering Technology Center, Nantong 226007, China;3. Nantong New Fiber Materials Key Laboratory, Nantong 226007, China

The shaped fabrics were woven on ordinary looms with truncated conical shaped rollers, instead of cylindrical rollers. Due to the different distance of each point on generatrix of the take-up roller from the central axis of the take-up roller, the linear speed of each point was different, which made each warp drawn at different speeds. And the distance from cloth-fell to the initial taking-up line led to the shearing deformation. The fabric shearing deformation angle was calculated and the size difference between final annular woven fabric and design fabric was studied by selecting different weaving parameters. The results showed that the greater the distance from the cloth-fell to the initial taking-up line was, the greater the shearing angle of weft yarn in the shaped woven fabric, and the bigger the difference between the final size of the shaped fabric and design fabric. The smaller the bottom angle of truncated conical shaped roller, the bigger the shearing deformation, and the bigger the difference between the final size of the shaped fabric and design fabric.

shaped woven fabric, shearing deformation, shearing angle, shearing elimination

2015-06-05

陳和春，男，1979年生，講師，研究方向為編織、仿形機(jī)織物及功能紡織材料

TS101.1

A

1004-7093(2016)04-0017-03