縱橫雙向變厚度三維機織物組織設(shè)計*

郭 軍 馬顏雪 胡吉永 張瑞云 李毓陵 胡壽豐 張 建

1. 東華大學紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；2. 產(chǎn)業(yè)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(fā)動機有限責任公司，上海 200241

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縱橫雙向變厚度三維機織物組織設(shè)計*

郭 軍1,2馬顏雪1,2胡吉永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(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；2. 產(chǎn)業(yè)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(fā)動機有限責任公司，上海 200241

闡述縱橫雙向變厚度三維機織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，選用多層接結(jié)組織為基礎(chǔ)，在縱向連續(xù)變厚度結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)上，合理設(shè)計經(jīng)向墊紗的分布方案，完成了縱橫雙向變厚度三維機織物的組織設(shè)計。

經(jīng)向墊紗，多層接結(jié)組織，縱橫雙向變厚度三維機織物

隨著復合材料風扇葉片制造技術(shù)的不斷發(fā)展，中等推力發(fā)動機對更小、更輕的風扇葉片提出了更高的強度要求，Snecma公司采用樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝制造了LEAP發(fā)動機的風扇葉片[1]，如圖1所示。其中在樹脂注入和葉片高壓成型前，將碳纖維制成三維機織結(jié)構(gòu)的預(yù)型件，成為葉片制造技術(shù)得以進一步發(fā)展的新途徑。

圖1 LEAP發(fā)動機及其復合材料風扇葉片

葉片用三維機織結(jié)構(gòu)預(yù)型件的特征是長度方向(縱向)和寬度方向(橫向)的截面厚度都呈連續(xù)變化[2]。王鵬[3]41指出，根據(jù)拓撲原理，可將葉片預(yù)型件展開成如圖2所示的長板形，將其看作一種在長度方向厚度連續(xù)變化的變厚度織物。在變厚度三維機織物的設(shè)計和制作中，選擇基本結(jié)構(gòu)為多層接結(jié)緯紗接結(jié)組織結(jié)構(gòu)，獲得厚度連續(xù)均勻變化的結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計及上機織造過程，在理論上是可行的，并在普通的劍桿織機上織造出縱向變厚度三維機織物。曾文敏[4]35-38在王鵬的研究基礎(chǔ)上，進一步在四綜眼四劍桿織機上，成功織制了縱向大幅度連續(xù)變厚度三維機織物。

圖2 復合材料風扇預(yù)制件拓展圖形

然而，就葉片預(yù)型件的近形制備而言，僅在縱向?qū)崿F(xiàn)織物厚度的連續(xù)變化仍難以滿足要求，需要在縱橫雙向均產(chǎn)生厚度變化。因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)葉片的實際現(xiàn)狀，就采用三維機織物結(jié)構(gòu)在四綜眼四劍桿織機上制備縱橫雙向變厚度織物的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計問題進行探索。

1 縱橫雙向變厚度組織設(shè)計

在縱向連續(xù)變厚度結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)上，選用多層接結(jié)組織，合理設(shè)計經(jīng)向墊紗的分布方案，通過葉片尖端部位的跨層自身接結(jié)組織逐步變化為接結(jié)緯紗接結(jié)組織，再加入襯緯，并引入緯紗的線密度變化，能夠較好地實現(xiàn)如圖3所示的縱向連續(xù)變厚度，以及橫向中間厚、兩邊薄的目標結(jié)構(gòu)。

圖3 縱橫雙向變厚度三維機織物

1.1 經(jīng)向墊紗方案

為實現(xiàn)圖3所示的結(jié)構(gòu)，首先需要合理設(shè)計經(jīng)

向墊紗的分布方案。薛進等[5]和柳寶琴等[6]指出，多眼綜絲織造三維織物需要解決兩個問題：綜眼層內(nèi)組織及綜眼層間接結(jié)。由于經(jīng)向墊紗位于綜眼層內(nèi)組織中，所以本文首先考慮綜眼層內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

通過綜合分析可知，對于經(jīng)紗循環(huán)數(shù)為N的基礎(chǔ)組織，在綜眼層內(nèi)織造時，考慮到若存在經(jīng)向墊紗，則每個綜眼層內(nèi)至少含有3N根經(jīng)紗。如果考慮到墊紗最終也參與織造，則所需的綜框頁數(shù)也為3N。若織造開口條件為X頁綜框、Y眼綜絲，則基礎(chǔ)單元內(nèi)的經(jīng)紗數(shù)M=XY。因此，可將三維織物的一個組織循環(huán)內(nèi)的經(jīng)紗按上下位置平均分為nY組，其中n∈[1，X/3N]或n∈[X/3N，1]。

本文選擇平紋為基礎(chǔ)組織，則N為2；采用X=12頁綜框、Y=4眼綜絲的織造開口條件，則M為48；n∈[1，12/6]，即為1或2。據(jù)此可知，每個綜眼層內(nèi)至少含有6根經(jīng)紗，一個基礎(chǔ)單元內(nèi)的48根經(jīng)紗可分為4組或8組。本文分為8組。 如圖4所示，圖中虛線框為分組位置，實線框為墊紗分布位置，其中：③和④為第1組墊紗；⑨和⑩為第2組墊紗；……依此類推。分組完成后，將8組經(jīng)紗分別穿入由上到下的四個綜眼層中即可[4]27-30。

為了實現(xiàn)織物橫向中間厚、兩邊薄的目標結(jié)構(gòu)，對每組經(jīng)紗中經(jīng)向墊紗的穿綜方式進行如圖5所示的設(shè)計，圖中虛線圓圈為經(jīng)向墊紗空穿位置，即第1和第8組中的墊紗為滿穿，第2 和第7組中的墊紗在兩邊空穿1綜，第3 和第6組中的墊紗在兩邊空穿2綜，第4和第5組中的墊紗在兩邊空穿3綜。如此，因穿綜變化皆在織物結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行，織物中部經(jīng)向墊紗皆為滿穿，兩邊經(jīng)向墊紗逐漸空穿，故織物橫向可實現(xiàn)中間厚、兩邊薄的變化，且織物表面并無厚度的梯度變化。

1.2 縱橫雙向變厚度結(jié)構(gòu)

根據(jù)縱向連續(xù)變厚度結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，以圖5中左側(cè)虛線框內(nèi)經(jīng)紗截面圖為基礎(chǔ)單元，繪制織物組織緯向截面圖，如圖6所示，其中有數(shù)字標號的為經(jīng)紗、曲線為緯紗。

圖4 經(jīng)紗分組和墊紗方案

圖5 縱橫雙向變厚度結(jié)構(gòu)穿綜方式

圖6 8層墊紗縱橫雙向變厚度三維機織物組織設(shè)計

圖6中，(a)～(e)采用逐步對稱增加以自身接結(jié)方式接結(jié)的織物層，以此增加織物整體的厚度：隨著以自身接結(jié)方式接結(jié)的織物層數(shù)增加，如(a)中僅有2層織物層、(b)中含4層織物層、(c)中含8層織物層、(d)中含12層織物層、(e)中含16層織物層，則三維機織物的整體厚度必然逐漸增加。

圖6中，(f)～(l)通過增加單層之間的交織數(shù)來進一步增加織物整體厚度：當織物內(nèi)部均已構(gòu)成多層自身接結(jié)組織后，從中部開始增加單層之間交織的組織結(jié)構(gòu)，形成多層接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)；由于相對于自身接結(jié)結(jié)構(gòu)而言，多層接結(jié)緯接結(jié)結(jié)構(gòu)的厚度更高[3]43-44，因此(f)～(l)繼續(xù)增加織物的整體厚度。

另外，由于上述設(shè)計中織物組織的變化均從整體織物的中間開始，結(jié)合經(jīng)向墊紗向兩邊逐漸留空的穿綜方式，在織物表面不會產(chǎn)生厚度的階梯變化，能夠得到縱向接近連續(xù)變厚度而橫向中間厚、兩邊薄的目標結(jié)構(gòu)。

綜上，縱橫雙向變厚度三維機織物組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是在合理的經(jīng)向墊紗分布方案的設(shè)計基礎(chǔ)上，逐條采用縱向連續(xù)變厚度結(jié)構(gòu)的變化原則，最終得到符合設(shè)計要求的縱向連續(xù)變厚度及橫向中間厚、兩邊薄的目標結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

2 結(jié)語

(1) 縱橫雙向變厚度三維機織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，是在合理的經(jīng)向墊紗分布方案的設(shè)計基礎(chǔ)上，逐條采用縱向連續(xù)變厚度結(jié)構(gòu)的變化原則，最終得到符合設(shè)計要求的縱向連續(xù)變厚度及橫向中間厚、兩邊薄的目標結(jié)構(gòu)。

(2) 由綜合分析可知，對于經(jīng)紗循環(huán)數(shù)為N的基礎(chǔ)組織，在綜眼層內(nèi)織造時，考慮到若存在經(jīng)向墊紗，則每個綜眼層內(nèi)至少含有3N根經(jīng)紗。如果考慮到墊紗最終也參與織造，則所需的綜框頁數(shù)也為3N。若織造開口條件為X頁綜框、Y眼綜絲，則基礎(chǔ)單元內(nèi)的經(jīng)紗數(shù)M=XY。因此，可將三維織物的一個組織循環(huán)內(nèi)的經(jīng)紗按上下位置平均分為nY組，其中n∈[1，X/3N]或n∈[X/3N，1]。

[1] BANNISTER M. Challenges for composites into the next millennium—a reinforcement perspective[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2001, 32(7): 901-910.

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

[3] 王鵬. 變厚度三維機織物的制備與結(jié)構(gòu)分析[D]. 上海: 東華大學, 2012.

[4] 曾文敏. 連續(xù)變厚度平面板狀三維機織物的研制[D]. 上海: 東華大學, 2015.

[5] 薛進, 李毓陵, 陳旭煒, 等. 多眼綜織造的紋板圖設(shè)計[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2013，31(12): 9-12.

[6] 柳寶琴, 李毓陵, 陳旭煒, 等. 多眼綜絲織造的上機圖設(shè)計[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2015，33(2): 5-11.

Structure design of three-dimensional variable-thickness woven fabric in both length and width direction

GuoJun1,2,MaYanxue1,2,HuJiyong1,2,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

The structure design principles of variable thickness in both length and width direction of three-dimensional woven fabrics were presented. A multi-layer stitching structure was used as a basic structure, and the distribution of warp-wise inlay was properly designed to complete the structure design of three-dimensional variable-thickness woven fabrics in both length and width direction.

warp-wise inlay, multi-layer stitching structure, 3D variable-thickness woven fabric

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

2015-11-02

郭軍，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向為三維機織物的設(shè)計與制備

TS105.1

A

1004-7093(2016)06-0008-05