連續(xù)變厚度三維機(jī)織物的組織設(shè)計(jì)*

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(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620；

2. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620；

3. 中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海，200241)

摘要：采用多層接結(jié)組織結(jié)構(gòu)，通過逐步對(duì)稱增加交織層層數(shù)、逐步對(duì)稱改變接結(jié)組織結(jié)構(gòu)、逐步增加緯向墊紗數(shù)的方法，進(jìn)行連續(xù)變厚度三維機(jī)織物的組織設(shè)計(jì)，并在四劍桿四綜眼劍桿織機(jī)上進(jìn)行試織，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

關(guān)鍵詞：三維機(jī)織物，連續(xù)變厚度，組織設(shè)計(jì)，多層接結(jié)

中圖分類號(hào)：TS105.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-10-16

作者簡(jiǎn)介：曾文敏，女，1990年生，在讀碩士研究生。研究方向?yàn)槿S機(jī)織物的開發(fā)。

隨著業(yè)界對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率和碳排放要求的不斷提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)采用的涵道比不斷增大，風(fēng)扇部件尺寸隨之加大，這使得風(fēng)扇段的質(zhì)量占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的比例也不斷增大。采用復(fù)合材料可以減輕風(fēng)扇及發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高比剛度、疲勞性能、損傷和缺陷容限等，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件采用先進(jìn)復(fù)合材料是同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高涵道比和減重的唯一途徑[1-2]。

使用三維織物作為復(fù)合材料風(fēng)扇葉片預(yù)制件是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。三維紡織品已能根據(jù)實(shí)際需要生產(chǎn)出各種復(fù)合材料預(yù)制件。其中三維針織物主要是經(jīng)編織物，但受生產(chǎn)設(shè)備限制只能加工薄型織物，應(yīng)用不多。三維編織物可生產(chǎn)各種形式的預(yù)型件，但生產(chǎn)效率較低，不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)，應(yīng)用也不多。而三維機(jī)織物由于可在專用設(shè)備、稍加改造的普通設(shè)備及普通設(shè)備上生產(chǎn)，且生產(chǎn)效率較高，因此是所有三維紡織品中應(yīng)用最廣泛的一種織物[3]。

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的基本形狀如圖1(a)所示，為寬弦復(fù)合材料風(fēng)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(shè)計(jì)。根據(jù)拓?fù)湓?，可以將其預(yù)制件展開成如圖1(b)所示的長(zhǎng)板形，可以認(rèn)為這是一種在長(zhǎng)度方向厚度連續(xù)變化的變厚度織物。本文就采用三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)制備這種織物時(shí)的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行深入探索。

*上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)2012科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(12521102100)

(a)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

(b)預(yù)制件拓展圖形 圖1　風(fēng)扇葉片基本形狀

1三維機(jī)織物組織

根據(jù)交織規(guī)律的不同，三維機(jī)織物大致可分為正交組織、角聯(lián)鎖組織和多層接結(jié)組織三種基本組織結(jié)構(gòu)。其中正交組織結(jié)構(gòu)可分為整體正交和層間正交兩種，如圖2所示；角聯(lián)鎖組織可分為整體角聯(lián)鎖和層間角聯(lián)鎖兩種，如圖3所示；多層接結(jié)組織可分為自身接結(jié)和接結(jié)紗接結(jié)兩種，如圖4所示。三種基本組織結(jié)構(gòu)可有多種變化結(jié)構(gòu)。

綜合考慮織物整體穩(wěn)定性好、不同部位結(jié)構(gòu)保持大致相同、結(jié)構(gòu)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(chǔ)組織的多層接結(jié)組織作為三維機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)。為達(dá)到厚度變化范圍大的目的，設(shè)計(jì)經(jīng)紗循環(huán)為32，可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)16層的多層接結(jié)織物。

(a)整體正交

(b)層間正交 圖2　正交組織

(a)整體角聯(lián)鎖

(b)層間角聯(lián)鎖 圖3　角聯(lián)鎖組織

2組織設(shè)計(jì)

(a)自身接結(jié)

(b)接結(jié)紗接結(jié) 圖4　接結(jié)組織

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

2.1　尖部組織設(shè)計(jì)

風(fēng)扇葉片尖部的厚度相對(duì)較小，因此在組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(shù)字標(biāo)號(hào)的為經(jīng)紗，曲線為緯紗)，即部分經(jīng)紗間隔形成織物層、部分經(jīng)紗保持伸直狀態(tài)，通過接結(jié)緯將間隔形成的織物層連接成整體。由于三維機(jī)織物只有2層平紋織物，伸直經(jīng)紗作為經(jīng)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(xù)變厚度組織設(shè)計(jì)

圖5(b)是將三維機(jī)織物平紋層對(duì)稱增加到4層，確保其穩(wěn)定性。經(jīng)紗1與經(jīng)紗16通過接結(jié)緯紗連接，中間所夾經(jīng)紗不交織；根據(jù)對(duì)稱要求經(jīng)紗17與經(jīng)紗32采用接結(jié)緯接結(jié)。為使織物連接為一體，經(jīng)紗15與經(jīng)紗18通過自身接結(jié)方式接結(jié)。由于經(jīng)紗15、16、17和18由兩層紗線成為了兩層自身接結(jié)結(jié)構(gòu)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(gòu)成的兩層自身接結(jié)結(jié)構(gòu)位于整體結(jié)構(gòu)的中間，因此在織物的表面不會(huì)產(chǎn)生厚度的階梯變化，而是形成一種近似連續(xù)的變化。同理，圖5(c)～圖5(g)逐步對(duì)稱增加以自身接結(jié)方式接結(jié)的織物層，以使織物厚度連續(xù)增加。

圖5　連續(xù)變厚度三維機(jī)織物組織設(shè)計(jì)

當(dāng)織物整體都形成多層自身接結(jié)組織之后，從中間開始，如圖5(h)所示，對(duì)稱逐步用多層接結(jié)緯組織結(jié)構(gòu)替換多層自身接結(jié)組織結(jié)構(gòu)。顯然，接結(jié)緯結(jié)構(gòu)多層組織的厚度明顯大于自身接結(jié)結(jié)構(gòu)[4]，因此圖5(i)、5(j)、6(k)、5(l)、5(m)和圖5(n)繼續(xù)連續(xù)增加織物厚度。

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

3上機(jī)試織

將上述設(shè)計(jì)的連續(xù)變厚度三維機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)在四劍桿四綜眼劍桿織機(jī)上進(jìn)行試織[5-6]。試樣的基本參數(shù)和上機(jī)參數(shù)見表1，部分結(jié)構(gòu)的上機(jī)圖見圖6，分別選取了圖5(g)、圖5(n)和圖5(v)三個(gè)作為典型結(jié)構(gòu)。最終織出的試樣截面和表面照片見圖7。

表1　織物上機(jī)參數(shù)

用游標(biāo)卡尺測(cè)量試織樣品的厚度數(shù)據(jù)，圖5中各截面所對(duì)應(yīng)的厚度數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)的是自身接結(jié)組織層數(shù)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(rèn)為厚度變化是連續(xù)的。

(a)經(jīng)向截面

(b)表面 圖7　試織樣品照片

截面(自身接結(jié))厚度/mm截面(接結(jié)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(duì)應(yīng)的是接結(jié)緯接結(jié)組織層數(shù)逐漸增加的變化；截面o到v之間對(duì)應(yīng)的是襯緯數(shù)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(rèn)為厚度變化是連續(xù)的。

(3)截面h與截面g之間的厚度差值為1.96 mm，相對(duì)較大，說明自身接結(jié)圖5(h)變化為接結(jié)緯接結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)變化而引起的厚度顯著增加，需要作進(jìn)一步研究。

4結(jié)語

(1)采用多層接結(jié)組織作為三維機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)，通過逐步對(duì)稱增加交織層層數(shù)、逐步對(duì)稱改變接結(jié)組織結(jié)構(gòu)以及逐步增加緯向墊紗數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)三維機(jī)織物厚度的連續(xù)變化。

(2)采用四劍桿四綜眼劍桿織機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的三維機(jī)織物試織的結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的組織可以實(shí)現(xiàn)三維機(jī)織物厚度的連續(xù)變化。

參考文獻(xiàn)

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[6]柳寶琴.基于多劍桿織機(jī)的三維織物織造工藝研究[D].上海:東華大學(xué),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