管狀三維復合材料增強體結構設計研究

閔爾君，宋路平，芮章俊，朱求是，王 旭

管狀三維復合材料增強體結構設計研究

閔爾君1，宋路平1，芮章俊2，朱求是2，王 旭*1

（1.安徽工程大學 紡織服裝學院，安徽 蕪湖 241000；2.蕪湖航飛科技股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

近年來，三維機織復合材料增強體結構設計得到了快速的發展，本文以平織機織造為基礎，結合管狀組織和三維組織提出一種管狀三維復合材料增強體結構的設計方法。分別以貫穿角聯鎖組織和貫穿正交組織為表組織，運用底片翻轉法獲取里組織，并將表里組織按照1:1嵌入，得到管狀三維組織上機圖。通過小樣試織，結果表明本文提出的管狀三維組織設計方法可行，為開發管狀三維復合材料增強體提供了參考。

管狀三維機織物；結構設計；角聯鎖組織；貫穿正交組織

三維圓管狀復合材料是采用樹脂基體增強三維圓管狀機織復合材料，具有質量輕、比剛度和比強度高、耐疲勞性能優異、耐高溫耐腐蝕性好等優點，被廣泛應用于衛星、導彈、建筑、管道修復、船舶、航空航天等重要領域[1]。

目前已有眾多學者針對管狀三維復合材料及其應用進行研究：朱黎明等[2]介紹了三維管狀復合材料預制件的制備方式、特點和研究現狀，以及三維管狀復合材料的有限元模擬分析方法，突出三維機織管狀復合材料制備的工藝優勢。周申華等[3]介紹一種新的立體管狀織物成型方法：三維圓織法。采用該方法，通過一定規律的開口及引緯動作, 可實現立體管狀織物的規格化、連續化生產，產品適應性好，可以有較高的生產效率。冉丹等[4]基于對典型三維織物織造方法以及二維圓織成型方法的分析提出兩種織造管狀三維織物的方法，即經向垂紗法和緯向垂紗法，并具體闡述了兩種方法的成型原理和成型方法，為管狀三維織物的組織結構設計及圓織設備的研發奠定基礎。針對管狀三維組織幾何模型和力學分析方面，管狀三維織物的研究更多在建立細觀幾何模型、以及分析其力學性能上。黃曉梅[5，6]介紹了管狀三維織物的組織機構，分析了其織造技術，給出了管狀三維織物的組織機構設計過程，繪制了上機圖，同時說明相較傳統織造工藝相管狀三維織物織造的特殊性，還探討了幾種三維管狀預制件如：經向多排管織物、緯向雙（多）排管織物、90o交叉雙層管織物的設計與上機。朱紅等[7]介紹了三維多邊形、多排孔管狀結構的形成原理與工藝設計，設計與研制了典型的三維孔管狀織物結構件，并對多邊形孔管尺寸進行了參數分析。王黎黎等[8, 9]將角聯鎖組織作為管壁組織與雙層結構相結合，以1500D芳綸長絲為原料，結合雙層織物的織造工藝，對經角聯鎖管狀三維織物進行了結構設計及小樣試織，并且使用環氧樹脂等材料與其進行復合，通過拉伸試驗，發現在相同厚度的條件下，制得的經角聯鎖管狀三維復合材料的力學性能明顯優于平紋織物復合材料力學性能的簡單疊加。

受上述研究者的啟發，本文擬采用貫穿正交和角聯鎖組織為基礎，運用管狀組織的設計方法，實現管狀三維機織物的組織設計。

1 管狀三維預型件結構設計

在設計管狀三維預型件時，先確定管壁組織，再由管壁組織的結構示意圖，得到表組織的組織圖，然后將表組織運用“底片反轉”法得出里組織，最后根據表里經、緯排列比獲得上機圖。

1.1 管壁組織設計

1.1.1 貫穿正交組織設計

圖1所示為以緯紗貫穿型三層正交組織為基礎組織的管狀三維機織物示意圖，其中圓圈①～⑥代表經紗，折線1、4代表貫穿緯紗，水平線2、3、5、6代表地緯紗。

圖1 三層貫穿正交組織結構示意圖

由圖1分析可知，三層貫穿型正交組織地緯層數比經紗層數少一層。假設經紗層數為N，則地緯紗層數為N-1。那么完全組織經紗數Rj=2N，完全組織緯紗數Rw=2N。根據結構示意圖畫出組織圖，圖2為三層貫穿正交組織圖，一個完全組織由6根經紗和6根緯紗構成，其中經紗用序號①～⑥，緯紗用序號1～6表示，后圖中序號表示含義一致。

圖2 三層貫穿正交組織的組織圖

對于三層貫穿正交組織，織第一緯時經紗④、⑤、⑥提升，織第二緯時經紗①、④提升，織第三緯時經紗①、②、④、⑤提升，織第四緯時經紗①、②、③提升，織第五緯時經紗①、④提升，織第六緯時經紗①、②、④、⑤提升。

1.1.2 角聯鎖組織設計

圖3 四層角聯鎖結構示意圖

如圖3所示，以四層角連鎖組織為例，圖中圓圈為緯紗，圓圈內為緯紗的序號。線條為經紗，其左側為經紗序號。由于其交織結構的規律性，管壁角聯鎖組織的完全組織循環經紗數Rj、緯紗數Rw、經紗飛數Sj等織物組織參數與緯紗層數N具有如下關系：Rj＝N+1；Rw＝N(N+1)；Sj=N。

1.2 管狀三維組織設計

1.2.1 貫穿正交管狀三維組織

貫穿正交管狀三維組織是選用貫穿正交組織作為管壁組織的管狀三維組織。圖4(a)為表組織，其中下方序號①～⑥代表經紗，左側序號1～6代表緯紗。圖4(b)為通過“底片翻轉”法得到的里組織圖，其中經紗用序號I～VI表示，緯紗用序號(I)～(VI)表示，后圖中序號表示含義一致。

圖4 三層貫穿正交管狀三維組織的表組織、里組織

圖5為貫穿正交管狀三維機織物組織圖，首先按照管狀組織確定表里經、表里緯的排列比，例如表經:里經=1:1，表緯:里緯=1:1，則穿綜時，將表經依次穿入奇數綜框，里經依次穿入偶數綜框。在奇數列（從左向右）和奇數行（從下向上）填繪表組織，在偶數列（從左向右）和偶數行（從下向上）填繪里組織。圖5中經緯紗序號同圖4一致。為區別，用“■”表示表組織經組織點，用“?”表示里組織經組織點，用“□”表示表、里組織的緯組織點。同時注意到織里緯時表經需要全部提升，用“○”表示。

圖5 貫穿正交管狀三維機織物組織圖

1.2.2 角聯鎖管狀三維組織設計

選用四層角聯鎖組織作為管壁組織，那么表組織圖如圖6(a)所示，運用“底片翻轉”法里組織圖如圖6(b)所示。

圖6 四層角聯鎖管狀組織表組織、里組織

管狀組織一般采用分層織造，織上層時，表經分成上下兩層與表緯相互交織，里經全部降到下面。織下層時，表經提起，里經分成兩層與里緯相互交織。當表里經排列比選取1:1，則穿綜時，將表經依次穿入奇數綜框，里經依次穿入偶數綜框。圖7所示即為角聯鎖管狀三維機織物組織圖。

圖7 角聯鎖管狀三維機織物組織圖

2 管狀三維織物的試織

管狀三維機織物的織造與普通二維織物的織造過程一樣，主要是通過計算總經根數、選擇合適的筘號以及具體的穿筘、穿綜方法，最后通過紋板圖來控制綜框運動進行織造，因此要進行實驗參數的合理選擇[10]。為保證連續性，總經根數為完全組織經紗數的倍數。

2.1 實驗材料

本實驗采用的滌綸長絲由中石化儀征公司生產，規格為1111dtex/192F，即線密度為1111dtex，由192根滌綸單絲組成。為了驗證本文提出的管狀三維組織設計方法的有效性，采用了SGA598型半自動小樣織機進行了樣品試織。

2.2 上機圖設計

本實驗選用四層角聯鎖組織，作為管壁表組織，其表、里組織，如上圖6(a)、圖6(b)所示。表里經、表里緯均1:1，采用分層織造。穿綜方法選用順穿法，四層角聯鎖管狀組織上機圖如圖8所示。

圖8 四層角聯鎖管狀組織上機圖

2.3 樣品織造

小樣織造過程分為織造工藝設計、穿綜、整經、打緯織造。

（1）織造工藝設計：為使管狀織物表、里結合處連續，總經根數必須是基礎組織的組織循環倍數。以四層角聯鎖管狀組織為例，其完全組織經紗數為10根，根據管徑要求擬采用15個完全組織，即總經根數150根。緯紗為雙向連續引緯，故制備紆管一只即可。

（2）穿綜、穿筘：穿綜方式為順穿，筘號120，每筘穿入兩根經紗。以四層角聯鎖管狀組織為例，一個完全組織循環需要10片綜框，穿綜順序為1-2-3-4-5-6-7-8-9-10，其中奇數綜框、偶數綜框分別完成上、下層組織的織制，依次完成全部經紗穿綜、過筘。

（3）整經：為保證順利織造及下機樣品張力均勻，經紗穿好后正式織造前，要盡量保持每根經紗張力均勻。

（4）打緯織造：啟動小樣機輸入紋版圖后，依次開口、引緯、打緯，注意在整個打緯過程，盡可能保持張力均勻，如織造過程開口因靜電不清晰，可適當噴濕消除靜電影響。試樣達到預定長度時，下機整理即可。圖9(a)、9(b)為下機后的實物圖片。

圖9 四層角連鎖管狀三維織物預型件

3 結語

結合管狀織物和平面三維組織的特點，分別以貫穿正交組織、角聯鎖組織為表組織，并運用底片翻轉法獲取里組織，再按照表里經、表里緯排列比1:1，按照分層織制的方法，設計出管狀三維機織物的組織圖。小樣實驗試織結果表明，本文提出的設計方法可行、有效，為進一步開發管狀三維復合材料增強體結構提供了有價值的參考。

[1] 呂麗華, 呂婷婷, 王晶晶. 異形三維圓管狀機織復合材料的壓縮性能分析[J]. 棉紡織技術, 2020, 48(11):1-4.

[2] 朱黎明, 呂麗華. 三維管狀復合材料的研究與發展[J]. 產業用紡織品, 2020, 38(10): 6-10+54.

[3] 周申華, 單鴻波, 孫志宏, 等. 立體管狀織物的三維圓織法成型[J]. 紡織學報, 2011, 32(07):44-48.

[4] 冉丹, 劉家強, 周申華, 等. 管狀三維機織物的交織方法分析[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2012, 38(04): 386-389+434.

[5] 黃曉梅. 管狀三維織物的組織結構與織造工藝[J]. 紡織學報, 2002, (04): 51-52+3.

[6] 黃曉梅. 幾種三維管狀預成形件的設計與織造[J]. 棉紡織技術, 2002, (12): 44-46.

[7] 朱紅, 韓慧敏. 三維孔管狀織物結構件的設計與研制[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2010, 36(06): 633-638 +654.

[8] 王黎黎, 徐安長, 張尚勇. 三維管狀復合材料的拉伸性能研究[J]. 武漢紡織大學學報, 2017, 30(03):12-16.

[9] 王黎黎, 徐安長. 芳綸長絲三維管狀織物設計[J]. 紡織科技進展, 2016, (10): 19-21.

[10] 黃耀麗, 呂麗華. 工字形三維機織物設計與織造[J]. 大連工業大學學報, 2019, 38(03): 201-204.

Design of Reinforced Structure on 3D Tubular Composites

MIN Er-jun1, SONG Lu-ping1, RUI Zhang-jun2, ZHU Qiu-shi2, WANG Xu1

（1.College of Textile and Clothing, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China；2. Wuhu Hangfei Science and Technology Company Limited, Wuhu Anhui 241000, China)

In recent years, three-dimensional woven composite reinforcement structure has been developed rapidly. Based on normal shuttle loom, combined with tubular tissue and three-dimensional tissue, a design method of tubular three-dimensional composite reinforcement structure is proposed in this paper. By taking the through angle interlocking organization and through orthogonal organization as the surface organization respectively, the inner organization is obtained by the negative turnover method, and the surface and inner organization is embedded according to 1:1 to obtain the computer drawing of tubular three-dimensional organization. Through the trial weaving of small samples, the research result shows that the tubular three-dimensional structure design method proposed in this paper is feasible, which provides a reference for the development of tubular three-dimensional composite reinforcement.

tubular 3D woven fabric; structural design; angle interlock; through-thickness orthogonal weave

王旭（1973-），男，副教授，博士，研究方向：紡織復合材料增強體結構設計.

航空用特種電纜附件材料技術研發合作項目（HX-2020-11-002）；安徽省高校省級教學示范課程“織造學”（2020SJJXSFK）.

TS101.92+2

A

2095－414X(2022)02－0008－04