王燕芳，郭興峰

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300160）

回轉(zhuǎn)體仿型曲面織物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王燕芳，郭興峰

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300160）

針對(duì)回轉(zhuǎn)體仿型織物中經(jīng)紗不等長(zhǎng)，容易造成緯密分布不均勻的問題，分析了影響回轉(zhuǎn)體曲面結(jié)構(gòu)均勻性的因素，通過采用分區(qū)等緯密的方法，合理設(shè)計(jì)了長(zhǎng)短兩種緯紗與經(jīng)紗交織的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，即長(zhǎng)緯與全部經(jīng)紗相交織，短緯僅與部分區(qū)間的經(jīng)紗交織，并進(jìn)行了實(shí)際織造，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)緯紗密度較為均勻的仿型織物.

回轉(zhuǎn)體仿型；曲面織物；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

仿型織造技術(shù)[1]可以按照制品的輪廓形狀生產(chǎn)單層機(jī)織布[2-3]，生產(chǎn)的織物經(jīng)（緯）紗不等長(zhǎng)，織物可呈曲面結(jié)構(gòu).因織物初步具有了制品的形狀，在復(fù)合成型時(shí)不需裁剪，將所需層數(shù)的這種預(yù)成型織物纏繞或?qū)雍掀饋韀4-5]，即可成型復(fù)合材料制品.仿型織造技術(shù)是傳統(tǒng)織造技術(shù)的發(fā)展，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，為高性能復(fù)合材料的低成本制造實(shí)現(xiàn)了新的途徑.本文選擇這種曲面織物中的橢圓回轉(zhuǎn)體仿型機(jī)織物進(jìn)行研究，以利于橢球狀容器織物纏繞成型.首先沿橢球體的側(cè)面展開得到預(yù)成型織物的形狀，設(shè)計(jì)經(jīng)紗沿回轉(zhuǎn)體的圓周方向[7]，緯紗沿母線方向，使預(yù)成型織物具有可織性.由于回轉(zhuǎn)體仿型織物中的經(jīng)紗不等長(zhǎng)，本文采用分區(qū)等緯密的方法對(duì)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足織物各部分經(jīng)緯紗分布均勻、密度一致的要求，使用玻璃纖維做經(jīng)、緯紗，織制出了可纏繞成型橢圓回轉(zhuǎn)體的外凸形單層機(jī)織物.

1 曲面織物結(jié)構(gòu)均勻的影響因素

橢圓回轉(zhuǎn)體的曲面織物是在改造的小樣織機(jī)上進(jìn)行織造的，改造后的卷取機(jī)構(gòu)采用橢球體形狀的卷取輥[8]，如圖1所示.

圖1 卷取輥形狀及其分區(qū)Fig.1 Shape of drawing roller and its divided sections

織造的織物會(huì)根據(jù)卷取輥的形狀對(duì)其進(jìn)行包覆，進(jìn)而形成具有橢圓回轉(zhuǎn)體展開形狀的仿型結(jié)構(gòu).根據(jù)卷取輥回轉(zhuǎn)半徑的大小，將其分為5個(gè)區(qū)域，由于對(duì)稱性，圖1中分別用C、B、A、B、C表示5個(gè)區(qū)域.

1.1 織物組織的影響

織物組織一般根據(jù)織物的使用要求進(jìn)行選擇，在織造曲面織物時(shí)，大多選擇簡(jiǎn)單組織作為基礎(chǔ)組織，例如：平紋、斜紋.這是因?yàn)榍婵椢镆诓煌瑓^(qū)域引入長(zhǎng)度不等的緯紗，使經(jīng)緯紗交織規(guī)律的設(shè)計(jì)難度顯著增加，選擇的基礎(chǔ)組織越簡(jiǎn)單，經(jīng)緯紗交織規(guī)律的設(shè)計(jì)就越容易.另外，紗線在平紋、斜紋組織織物中的交織較頻繁，能使織物質(zhì)地堅(jiān)牢，曲面織物的剪切變形相對(duì)較小.在本次織造過程中，采用平紋組織作為基礎(chǔ)組織.

1.2 織口距離的影響

織口距離影響織物在卷取過程中經(jīng)、緯紗間產(chǎn)生的剪切變形角，最終影響織物的成型.由于卷取輥不同位置處的半徑存在差異，所以卷取輥不同位置處的卷取線不一致.若織口距離過大，卷取到卷取輥大、小半徑處時(shí)緯紗發(fā)生的剪切變形角大，在大半徑處的織物能夠緊密包覆在卷取輥上，而小半徑處的織物則不能緊密包覆；若織口距離過小，則織物成型性不好.織造過程中通過調(diào)整織口距離，使織物能在卷取輥的各部位都能實(shí)現(xiàn)緊密包覆，進(jìn)而形成橢圓回轉(zhuǎn)體的曲面預(yù)成型織物.

1.3 緯紗密度的影響

織造橢圓回轉(zhuǎn)體曲面織物時(shí)，由于卷取輥中間半徑大，牽引織物前進(jìn)的速度快，兩邊半徑小，卷取織物的速度慢，使得越接近織物邊緣的緯紗，在卷取過程中越落后于織物中間的緯紗，從而使織物產(chǎn)生剪切變形.卷取輥的半徑差異越大，造成的剪切變形就越大，結(jié)果是織物各處緯紗密度并不均勻一致.這種不均勻性表現(xiàn)在曲面織物上時(shí)，即半徑小的地方緯紗密度大，半徑大的地方緯紗密度小.

2 回轉(zhuǎn)體曲面織物的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使回轉(zhuǎn)體曲面織物在不同半徑處的緯密均勻，采用了分區(qū)等緯密設(shè)計(jì)方法[9]，將卷取輥分為5個(gè)區(qū)域，如圖2所示.圖中兩側(cè)相同的B、C區(qū)域是回轉(zhuǎn)體的對(duì)稱結(jié)構(gòu).在引入的緯紗中，除了與全部經(jīng)紗交織的長(zhǎng)緯（如圖2中長(zhǎng)緯）外，在緯紗密度較小的區(qū)域還引入部分短緯，如短緯與A、B區(qū)間的經(jīng)紗相交織，短緯只與A區(qū)間的經(jīng)紗相交織.這樣A區(qū)引入的緯紗數(shù)最多，B區(qū)次之，C區(qū)最少.根據(jù)各區(qū)域所需經(jīng)紗長(zhǎng)度的變化，有梯度地引入這3種不同長(zhǎng)度的緯紗，可使形成的回轉(zhuǎn)體織物各處的緯紗密度相對(duì)均勻一致.

圖2 橢圓體曲面織物結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ellipsoid surface fabric

2.1 緯紗循環(huán)數(shù)計(jì)算

為了計(jì)算緯紗循環(huán)中的長(zhǎng)緯根數(shù)和各種短緯根數(shù)，設(shè)各區(qū)織物的平均緯密為Pw，則卷取輥回轉(zhuǎn)一周在A、B、C 3區(qū)所需引入的緯紗根數(shù)分別為：

式中：RA、RB、RC分別為卷取輥在A、B、C區(qū)域的平均半徑.

從公式（1）～（6）可以看出，MA、MB、MC3者間存在比例關(guān)系：

即

2.2 長(zhǎng)短緯分布規(guī)律設(shè)計(jì)

短緯在長(zhǎng)緯間的分布方式影響織物的均勻性[10]，考慮到橢圓回轉(zhuǎn)體的對(duì)稱性，只分析長(zhǎng)短緯在回轉(zhuǎn)體一端的分布對(duì)預(yù)成型織物結(jié)構(gòu)均勻性的影響.圖3（a）、（b）的長(zhǎng)短緯根數(shù)都相同，只是圖3（a）中2種不同長(zhǎng)度的短緯集中分布在長(zhǎng)緯之間，造成緯紗密度的分布不均勻，織物結(jié)構(gòu)也不均勻.

圖3 長(zhǎng)短緯分布對(duì)織物結(jié)構(gòu)均勻性的影響Fig.3 Effect of long and short wefts distribution patterns on preform structural uniformity

圖3（b）是將兩種不同長(zhǎng)度的短緯以適當(dāng)?shù)拈g隔分散在長(zhǎng)緯之間，使形成的回轉(zhuǎn)體織物各處的緯紗密度相對(duì)均勻一致.

3 回轉(zhuǎn)體曲面織物的織造

以500 tex無堿無捻玻璃長(zhǎng)絲作經(jīng)緯紗，采用平紋組織制織出橢圓回轉(zhuǎn)體曲面預(yù)成型織物，如圖4所示.為了方便纏繞成型時(shí)對(duì)經(jīng)緯紗間角度的控制，沿緯紗方向還加入了12 K的碳纖維作示蹤紗.

圖4 橢圓體仿型曲面織物實(shí)物Fig.4 Ellipsoid surface fabric

設(shè)計(jì)經(jīng)紗密度為50根/10 cm，上機(jī)幅寬27 cm，A、B、C 3個(gè)區(qū)域所用經(jīng)紗根數(shù)依次為92根、16根、28根.所用卷取輥的A、B、C 3個(gè)區(qū)域的平均半徑為：RA= 8 cm，RB=6.5 cm，RC=3.2 cm，經(jīng)計(jì)算得W1∶W2∶W3= 2∶4∶4，即緯紗循環(huán)數(shù)為10，在一個(gè)組織循環(huán)中3種長(zhǎng)度緯紗的根數(shù)依次為2根、4根、4根.

為了簡(jiǎn)化織造，采用一把梭子引緯，在設(shè)計(jì)引緯順序時(shí)，除了考慮讓短緯均勻分布在長(zhǎng)緯之間外，還要考慮緯紗與緯紗之間的連續(xù)，以避免長(zhǎng)浮線的產(chǎn)生.圖5給出了實(shí)際采用的引緯順序圖.

在織制的預(yù)成型織物中，A、B、C區(qū)的平均緯密分別為28、26和27根/10 cm.進(jìn)一步觀察每一個(gè)區(qū)域，都是在回轉(zhuǎn)體直徑大的位置緯密小，在直徑小的位置緯密大.可見，使用分區(qū)等緯密設(shè)計(jì)方法，織制的織物并不能達(dá)到完全的等緯密，只是在一定程度上緩解了緯紗密度的變化梯度.

圖5 引緯順序示意圖Fig.5 Sketch map of picking

4 結(jié)論

織造橢圓回轉(zhuǎn)體曲面織物時(shí)，采用分區(qū)等緯密設(shè)計(jì)方法，使長(zhǎng)短緯的根數(shù)成比例、短緯在長(zhǎng)緯間均勻分布，能夠獲得緯密較為均勻的回轉(zhuǎn)體仿型織物.所分經(jīng)紗的區(qū)段越多，短緯在長(zhǎng)緯間的分布越分散，越有利于形成結(jié)構(gòu)均勻的織物.但織物設(shè)計(jì)越復(fù)雜，對(duì)開口機(jī)構(gòu)控制經(jīng)紗能力的要求也越大.如果采用提花開口機(jī)構(gòu)，只要通過合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)短緯的分布，就可以獲得緯密分布均勻的仿型織物.

[1]FLEURY Gilles A，LAVALLEE Robert L，OHNSTAD Thomas S.Apparatus for weaving spheriodially contoured fabric：US，4825912[P].1989-05-02.

[2]彭淑靜，郭興峰.單層曲面機(jī)織布的織造技術(shù)研究[J].紡織科技進(jìn)展，2005（2）：18-20.

[3] 郭興峰，李濟(jì)群.一種機(jī)織物的織造方法：中國(guó)專利，02129080.6[P].2005-03-23.

[4] 張福承.機(jī)頭雷達(dá)罩及其纏繞法 [J].纖維復(fù)合材料，2000，17（1）：30-32.

[5]ROBERT G，JAMES H，MICHAEL H.Composite overwrapped pressure vessels for space applications[J].Sample Journal，2003，39（2）：44-50.

[6]董孚允，王春敏，董 娟.三維紡織復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2001，18（3）：37-39.

[7] 彭淑靜，郭興峰，陳和春.圓環(huán)形機(jī)織布的織造與設(shè)計(jì)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（4）：18-20.

[8]閻貴珠.曲面織物的織造技術(shù)研究[J].天津紡織科技，2008（3）：22-27.

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

[10]AUCAGNE Jean，MARTINET Laurent.Spiral-shaped textile structure：US，5242745[P].1993-09-07.

Structural optimization of woven fabric with curved surface

WANG Yan-fang，GUO Xing-feng
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

As the length of warps of the revolving body is different，it easily leads to uneven density of weft distribution. To solve the problem，the influence factors of the ellipsoid surface fabric are studied.By using of the method of sectional even weft density，the stractural optimization method is designed，which long length wefts interlace with all warp yarns and short length wefts only interlace with the warp yarns in some sections.Consequently，the winding fabric with more uniform desity of weft and warp yarns are obtained in actual weaving.

woven fabric；curved surfaces；structure；optimal method

book=3,ebook=117

TS105.11

A

1671－024X（2010）03－0034－03

2010-01-19

王燕芳（1985—），女，碩士研究生.

郭興峰（1964—），男，教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail：xfguo@tjpu.edu.cn