CN1821466B - 带端框的三维桶形织物及其织造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带端框的三维桶形织物及其织造方法。该织物具有整体结构，即在所有织物表面变化处特别是突变处的经纱和纬纱都是连续的，织物是一次连续织造完成的。该织造方法依次包括：先采用螺旋线形缠绕法引纬，织造织物的端框部分；凡织至织物设计的加经点处进行加经纱操作，尔后继续采用所述的螺旋线形缠绕法引纬循环织造，直至织物端框部分织造完成；继而采用模具成型法配合螺旋线形缠绕法织造织物的桶形部分，直至织物整体织造完成。本发明所织造出的带端框的三维桶形织物具有整体性好、损伤容限高、耐冲击、抗分层和抗疲劳等优良性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维织物技术，具体是一种带端框的三维桶形织物及其织造方法，国际专利主分类号拟为Int.C17 D03D 13/00。
背景技术
三维织物具有独特的结构(参见图1)，用其增强的复合材料制件具有高损伤容限、耐冲击、耐烧蚀、抗分层和抗疲劳等综合性能。带端框的桶形织物在三维织物中属于异型织物。它具有形状特殊、性能要求高、整体性要求好等特点，在航空航天领域中的应用较为广泛。带端框的三维桶形复合材料制件是三维织物复合材料的一个种类。其结构复杂，形状各异，种类繁多，但绝大多数制件都采用端框与桶身先分别制造，再将二者连接成一个整体的制造技术。这种复合材料制件的端框普遍采用金属件，而桶身则是二维织物铺层件或纤维缠绕件，这种成型方法的主要缺点是：减重效果差；也有采用直接铺层方法来制成带端框的桶形复合材料制件，这种成型方法的主要缺点是：织物的层间整体性差，铺层操作可控性差，制件各部分的纤维体积含量均匀性和一致性较差，影响构件的整体性能，尤其是织物层间的力学性能薄弱，质量难以保证。因此，带端框的三维桶形复合材料制件的预制件即带端框的三维桶形织物的成型方法，特别是三维预制件织物的整体性成型方法或织造方法是带端框的三维桶形复合材料制件的关键技术之一。专利文献《加筋三维织物的编织工艺》(CN200410014863.0)介绍了一种加筋三维织物的编织工艺，解决的是非封闭形织物的整体编织问题，其中的生经法解决的是加筋部分没有经纱、经纱增长要求一次完成的问题，不适用于本发明带端框的三维桶形织物及其织造方法。
发明内容
本发明拟解决三维桶形织物的技术问题是，设计一种带端框的三维桶形织物及其织造方法，该织物特别适用于作带端框的三维桶形复合材料制件的预制件，并具有减重效果好、织物层间整体性强、制件各部分的纤维体积含量均匀性和一致性好等特点；该织造方法具有操作简单，效率高，适应性强，方便实际应用等特点。
本发明解决所述织物技术问题的技术方案是：设计一种带端框的三维桶形织物，该织物具有整体结构，即在所有织物表面变化处特别是突变处的经纱和纬纱都是连续的，织物是一次连续织造完成的。
本发明解决所述织造方法技术问题的技术方案是：设计一种带端框的三维桶形织物的织造方法，它依次包括：先采用螺旋线形缠绕法引纬，织造织物的端框部分；凡织至织物设计的加经点处进行加经纱操作，尔后继续采用所述的螺旋线形缠绕法引纬循环织造，直至织物端框部分织造完成；继而采用模具成型法配合螺旋线形缠绕法织造织物的桶形部分，直至织物整体织造完成。
与现有技术相比，本发明的织造方法将缠绕法、加经法及模具成型法三种织造工艺巧妙结合并运用于带端框三维桶织物的织造过程中，可实现带端框的三维桶形复合材料制件的预制件织物的一体化整体织造，解决了端框无法成型，层间力学性能差，铺层成型可控性差等问题，可同时获得最大限度地减重和增强织物整体性及确保织物质量的积极效果。本发明所织造出的带端框三维桶形织物具有整体性好、损伤容限高、耐冲击、抗分层和抗疲劳等优良性能，可广泛用于航空、航天、武器和民用等有关领域。
附图说明
图1为本发明带端框的三维桶形织物的组织结构示意图；
图2为本发明带端框的三维桶形织物织造方法所采用的螺旋线形缠绕法引纬的示意图；
图3为本发明带端框的三维桶形织物织造方法所采用的螺旋线形缠绕法引纬长短列锭子位移后的局部示意图；
图4为本发明带端框的三维桶形织物织造方法所采用的加经法的示意图；
图5为本发明带端框的三维桶形织物织造方法所采用的模具成型法的模具三维实体示意图；
图6为本发明带端框的三维桶形织物织造方法织造端框所采用的加经法的加经点示意图；
图7为本发明带端框的三维桶形织物的带端框的三维圆柱形织物实施例整体结构形状实物示意图；
图8为本发明带端框的三维桶形织物的带端框的三维圆锥台形织物实施例整体结构形状示意图；
图9为本发明带端框的三维桶形织物的带端框的三维矩形织物实施例整体结构形状示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但本发明不受实施例的限制：
本发明所述的带端框的三维桶形织物是一类带端框的三维织物的统称，包括带端框的三维圆柱形织物(参见图7)、带端框的三维圆锥台形织物(参见图8)、带端框的三维非圆截面柱形织物(参见图9)等。这种带端框的三维桶形织物也常称为带端框的三维异形织物。
不论那种具体形状，本发明所述的带端框的三维桶形织物都包括端框和桶形两部分，其特点是这两部分织物的结构具有整体性或说具有整体结构，即在所有织物表面变化处特别是突变处的经纱和纬纱都是连续的，织物是一次连续织造完成的。因此，本发明的这种带端框的三维异形织物与现有技术的端框和桶形两部分分别织造后，再连接成为一个整体的织物不同，其整体性结构不仅可以大幅提高自身质量和性能，而且可以大幅提高以其为预制件的复合材料制品的各项性能和质量。
本发明所述的带端框的三维桶形织物的结构是一类层-层正交角联锁结构，可以是文献[参见杨彩云等，复合材料用3D角联锁结构预制件的结构设计及新型织造技术[J].东华大学学报，2005，31(5)：53-581]中的层-层正交角联锁结构、或带衬经的层-层正交角联锁结构、或带衬纬的层-层正交角联锁结构、或带衬经衬纬的层-层正交角联锁结构中的任何一种。实施例给出的织物1是层-层正交角联锁结构(参见图1)，实际使用中可根据制件要求的厚度确定织物层数、纱线粗细、纱线原料等参数。织物1的同一水平面上的九根纬纱3构成一层纬纱，而经纱2不但参与了与第一层纬纱的交织，而且参与了与水平相邻层纬纱的交织，依靠经纱2参与水平相邻两层纬纱3的交织，使得各层经纱2与各层纬纱3构成整体结构的所述织物1。
本发明所述织物的织造方法依次包括：先采用螺旋线形缠绕法引纬，织造织物的端框部分；凡织至织物设计的加经点处进行加经纱操作，尔后继续采用所述的螺旋线形缠绕法引纬循环织造，直至织物端框部分的织造完成；继而采用模具成型法配合螺旋线形缠绕法织造织物的桶形部分，直至织物整体织造完成。现有技术《加筋三维织物的编织工艺》采用的生经法，与本发明的加经法不同之处在于前者中的生经法解决的是加筋部分没有经纱、经纱增长要求一次完成的问题，而本发明的加经法解决的是随着截面尺寸的变大，经纱密度相对变小，逐步增加经纱总数的问题。
本发明所述织物的织造方法可由织物的端框开始，也即先织造织物的端框部分6(参见图7)，进而接续织造织物的桶形部分7，直至织物整体一次连续织造完成。织物端框部分的织造可由小直径8开始，采用闭合形织物的织造方法织造。本发明设计的具体织造方法是采用螺旋线形缠绕法引入纬纱，其具体操作如下：
1.设定织物周向相邻两列的经纱为一组，织物的层数与每列经纱中的经纱2根数一致，即织物有几层，每列经纱中就有几根经纱2；每根经纱2与织机上的一个锭子4相连(参见图4)，一列经纱2与一列锭子4相连。把织物外表面能看到的一列列经纱2所连接的锭子列定义为长列，如锭子a，b，c，d，e所在的列(参见图2、4)，与它周向相邻的另一列锭子4定义为短列，即内表面能看到的列，如a’，b’，c’，d’，e’所在的列(参见图2、4)；织物1的结构是通过周向相邻两列锭子的相对径向位移由此带动与之相连的经纱2相对径向位动并引入纬纱3来实现经纬纱交织，图4中的9表示此处不交织。
2.将织物内层第一层开口，以任意一处作为织造起始点引入纬纱3(参见图2)，图2中的箭头方向表示引入纬纱的方向，顺时针或逆时针方向缠绕一圈；再将织物内层的第二层开口，继续以顺时针或逆时针方向缠绕第二圈；进而再将织物内层的第三层开口，继续以顺时针或逆时针方向缠绕第三圈，以此类推，由内向外依次缠绕纬纱3至织物1的外表面第一层。
3.将长短列锭子进行相对径向位移，即长列锭子经纱由织物外表面向织物内表面径向移动2个锭位，短列锭子经纱由织物内表面向织物外表面径向移动2个锭位，相对位移距离为4个锭子的间距，位移后的结果如图3所示；此时，a，b，c，d，e所在的列变为短列，而a’，b’，c’，d’，e’所在的列变为长列；再将织物外层的第一层开口，引入纬纱3，顺时针或逆时针缠绕一圈；再将织物外层的第二层开口，引入纬纱3，顺时针或逆时针继续缠绕第二圈；进而将织物外层的第三层开口，引入纬纱，顺时针或逆时针继续缠绕第三圈，以此类推，由外向内依次缠绕纬纱3至织物的内表面第一层(参见图3)。
4.重复所述的第3步和第4步，循环织造。凡织造至加经点5处即进行加经纱操作(参见图4、6)。所谓加经点是指织物设计需要增加经纱之处(参见图4中的51-55)。所谓加经纱操作或加经法是指在既有的经纱中根据织物组织设计要求加入新的经纱，从而增加经纱的总根数，满足织物制品设计要求的织造工艺操作。图6中与加经点51相连的经纱2即为新加进去的经纱。加经纱操作可以保证织物直径变化处的经纱密度与起始处一致，或者说使织物整体的经纱密度均匀一致。
加经法的具体操作方法是(参见图4)：在加经点5对应的原空闲长、短列处，即图4中的a、b、c、d、e和a’、b’、c’、d’、e’处成组加入经纱2，即在原空闲处的一组长列和短列上引出对应的一组经纱2，包括长列和短列；使新加入的长列上的内一层经纱与新加入的短列上的内一层经纱构成连续的U型，如图4中的51所示，新加入的长列上的内二层经纱与短列上的内二层经纱构成连续的U型，如图4中的52所示，新加入的长列上的内三层经纱与短列上的内三层经纱构成连续的U型，如图4中的53所示，依此类推，至全部经纱加入完毕，如图4中的54、55所示。
5.加经纱操作完成之后，仍然采用所述的螺旋线形缠绕法引入纬纱3，直到完成织物端框部分6的织造。
6.织造完织物端框部分6后，采用模具成型法配合螺旋线形缠绕法继续织造织物的桶形部分7，直至整个织物1织造完成。
桶形部分7的织造也属闭合形织物的织造问题。本发明采用模具成型法配合所述螺旋线形缠绕法进行织造。所谓模具成型法是指将所有经纱直接依附在模具表面上进行织造的工艺方法。显然，模具成型法的核心内容就是芯模(参见图5)，织物织成后的形状同于芯模的外部形状，因此本发明所述的桶形部分7是一个广义概念，包括圆柱体形、圆锥体形和矩形体等。本发明的特点是，采用模具成型法将所有经纱2依附在所设计的模具母线上，然后采用所述的螺旋线形缠绕法引入纬纱3，依靠长短列经纱2的相对径向位移完成经纬纱的交织，可顺利织造出所述的桶形部分7，完成织物1的整体织造。
本发明所述的织物由于采用了本发明所述的织造方法，使得其具有良好的整体性，在所有织物表面变化处特别是突变处(如端框和桶形两部分的结合处)的经纱和纬纱都是连续的，织造是一次连续完成的，织物是一体的，因而具有整体性好、损伤容限高、耐冲击、抗分层和抗疲劳等优良性能。
本发明的织造方法虽然是针对带端框的三维桶形织物而设计的，但很明显，对于不带端框的三维桶形织物的整体织造也完全适用，因为它的形状结构相对更简单，织造会更容易，或者说，它可以不用织造所述织物的端框部分而直接织造织物的桶形部分即可。
本发明未述及之处适用于现有技术。
下面给出本发明的具体实施例。
实施例1
织造带有端框的三维圆柱形织物(参见图7)。
首先织造端框部分6。端框部分6的织造从小直径处开始，采用螺旋线形缠绕法引入纬纱3，依靠挂线锭子长、短列的径向移动，交换长、短列位置，从而完成经、纬纱的交织。随着织造的进行，纬纱圈的直径逐渐增大，经纱密度将逐渐变小。采用加经法加入新的经纱，从而保证经纱密度与起始处一致。继续采用螺旋线形缠绕法引入纬纱，依靠挂线锭子长、短列的径向移动，交换长、短列位置，从而完成经、纬纱的交织。如此循环往复，直到到达端框规定的宽度。然后，使用圆柱形模具(参见图5)织造桶形部分7，将所有的经纱依附在模具的母线方向，采用模具成型法配合螺旋线形缠绕法继续织造织物的圆柱形桶形部分7，直到到达规定的长度，完成带有端框的三维圆柱形织物。
实施例2
织造带端框的三维圆锥台形织物(参见图8)。
图8中的圆锥台形织物的母线方向为经纱2，圆周方向为纬纱3。带端框的三维圆锥台形织物的织造与实施例1带端框的三维圆柱形织物的织造相比，端框部分6的织造完全相同，不再赘述。但二者的桶形部分7是不同的。
带端框的三维圆锥台形织物的桶形部分7的织造方法是，首先，将所有经纱2依附在圆锥台形模具的母线方向上，采用所述的模具成型法配合螺旋线形缠绕法织造所述织物的桶形部分。织造从小直径处开始，随着织造的进行，所述织物桶形部分的直径逐渐增大，经纱密度将逐渐变小。采用加经法加入新的经纱2，从而保证经纱密度与织物起始处一致。再采用模具成型法配合螺旋线形缠绕法继续织造织物的圆锥台桶形部分，如此循环往复，直到到达所述桶形部分规定的长度，完成带端框的三维圆锥台形织物。
实施例3
织造带端框的三维矩形织物(参见图9)。
带端框的三维矩形织物的端框部分6与桶形部分7的织造同于实施例1，不同是所述模具成型法使用的模具为矩形体。
Claims (3)
1.一种带端框的三维桶形织物，该织物具有整体结构，即在所有织物表面变化处的经纱和纬纱都是连续的，织物是一次连续织造完成的。
2.根据权利要求1所述的带端框的三维桶形织物，其特征在于在所有织物表面突变处的经纱和纬纱都是连续的。
3.一种如权利要求1或2所述带端框的三维桶形织物的织造方法，它依次包括：先采用螺旋线形缠绕法引纬，织造织物的端框部分；凡织至织物设计的加经点处进行加经纱操作，尔后继续采用所述的螺旋线形缠绕法引纬循环织造，直至织物端框部分织造完成；继而采用模具成型法配合螺旋线形缠绕法织造织物的桶形部分，直至织物整体织造完成。
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