三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)

單晶晶， 唐予遠(yuǎn)， 馬 菲， 許 鶴， 靳雯雯

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)

單晶晶， 唐予遠(yuǎn)， 馬 菲， 許 鶴， 靳雯雯

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

闡述了三維斜交角聯(lián)鎖織物的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出三維斜交角聯(lián)鎖織物組織中經(jīng)緯紗交織所遵循的規(guī)律，從而得出經(jīng)緯紗循環(huán)的計(jì)算方法。最后通過(guò)CAD繪圖，使上述設(shè)計(jì)過(guò)程得到簡(jiǎn)化。

角聯(lián)鎖；經(jīng)紗循環(huán)；緯紗循環(huán)；快速設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著社會(huì)發(fā)展，紡織復(fù)合材料的應(yīng)用不斷拓展，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、飛機(jī)、航天器等領(lǐng)域[1]。人們對(duì)起增強(qiáng)作用的紡織品的研究也不斷深入，從零維、一維、二維發(fā)展到現(xiàn)在的三維。與二維紡織復(fù)合材料相比，三維紡織復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比模量大、特殊力學(xué)耦合性好[2-3]。三維織物組織結(jié)構(gòu)有多種形式，大部分三維組織必須在專(zhuān)用織機(jī)上進(jìn)行織造，而多重緯角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)可以直接在普通織機(jī)上進(jìn)行制織，因此許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)多重緯角聯(lián)鎖織物組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[4-7]。楊小俠[4]論述了正則角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)和空口角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)三維組織織物的上機(jī)要點(diǎn)；顧平[5]得出了多重緯角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)經(jīng)緯紗之間的關(guān)系 ；易洪雷等[6]給出了三維斜交角聯(lián)鎖織物在不同經(jīng)向斷面上的紗線幾何結(jié)構(gòu)。然而，目前人們對(duì)三維斜交角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)變化規(guī)律還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

本文對(duì)三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，闡述了三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的特征，發(fā)現(xiàn)了其經(jīng)緯紗交織所遵循的規(guī)律，進(jìn)而得到了任意n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用CAD繪圖，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了任意三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使三維紡織復(fù)合材料預(yù)成型件的設(shè)計(jì)更加快捷方便，為三維紡織復(fù)合材料的研究提供了一定的理論依據(jù)。

1 三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)特征與設(shè)計(jì)

三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)中，經(jīng)紗在不同層緯紗間從左至右逐層斜交(斜交過(guò)程中不出現(xiàn)跨越層斜交的現(xiàn)象)，到一定層數(shù)后改變交織方向，形成織物，如圖1所示。

圖1中曲線表示經(jīng)紗，圓表示緯紗，本文所有織物結(jié)構(gòu)圖均作此規(guī)定。圖1(a)為5層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)；圖1(b)為5層3層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)；圖1(c)為5層4層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)；圖1(d)為5層5層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)；圖1(e)為3層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)；圖1(f)為4層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)。圖1(a)中共有5層緯紗，其經(jīng)紗逐層斜交最多連接2層緯紗(如經(jīng)紗(1))；圖1(b)中共有5層緯紗，其經(jīng)紗逐層斜交，最多連接3層緯紗(如經(jīng)紗(2))；圖1(c)、圖1(d)也均符合此特點(diǎn)。由此可知：n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)(m≤n)共有n層緯紗，其經(jīng)紗逐層斜交，最多連接m層緯紗。

為便于對(duì)織物結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，現(xiàn)對(duì)圖1中的幾個(gè)名詞進(jìn)行說(shuō)明：

(1)拐點(diǎn)，是指經(jīng)紗在與緯紗交織的過(guò)程中改變交織方向的點(diǎn)，如圖1(a)、圖1(b)中所示。

(2)扇形包圍，是指經(jīng)紗在與緯紗交織的過(guò)程中形成扇形織口，包圍緯紗，即該織口對(duì)緯紗呈扇形包圍，如圖1(b)所示。

(3)圓角包圍，是指經(jīng)紗在與緯紗交織的過(guò)程中形成圓角織口，包圍緯紗，即該織口對(duì)緯紗呈圓角包圍，如圖1(b)所示。

(a) 5層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu) (b) 5層3層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)

(c) 5層4層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu) (d) 5層5層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)

(e) 3層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu) (f) 4層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)

圖1 三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)

(4)菱形包圍，是指經(jīng)紗在與緯紗交織的過(guò)程中形成菱形織口，包圍緯紗，即該織口對(duì)緯紗呈菱形包圍，如圖1(b)所示。

對(duì)圖1(a)-圖1(d)4種斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在圖1(a)所示的斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)組織循環(huán)中，共有緯紗5層2×2列，且所有經(jīng)紗從左至右在與不同層緯紗進(jìn)行斜交的過(guò)程中，拐點(diǎn)除了出現(xiàn)在第1層緯紗的上方和第5層緯紗的下方以外，還均出現(xiàn)在第2列和第2×2列緯紗的上下方；圖1(b)所示的斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)組織循環(huán)中，共有緯紗5層3×2列，同上，拐點(diǎn)除了出現(xiàn)在第1層緯紗的上方和第5層緯紗的下方以外，還均出現(xiàn)在第3列和第3×2列緯紗的上下方；圖1(c)和圖1(d)所示的斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)組織循環(huán)中拐點(diǎn)也均符合此種規(guī)律。由此可得出規(guī)律一：在n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)組織循環(huán)中，共有緯紗n層2m列，所有經(jīng)紗從左至右在與不同層緯紗進(jìn)行斜交的過(guò)程中，除了在第1層緯紗的上方和第n層緯紗的下方出現(xiàn)拐點(diǎn)以外，在第m列和第2m列緯紗的上下方也均出現(xiàn)經(jīng)紗的拐點(diǎn)，且其緯紗循環(huán)Rw=2mn。

對(duì)圖1(a)-圖1(f)6種斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，5層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)(圖1(a))的一個(gè)組織循環(huán)中，共有經(jīng)紗2×4+2=10根，即經(jīng)紗循環(huán)Rj=10；同理，5層3層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)(圖1(b))、5層4層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)(圖1(c))與5層5層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)(圖1(d))的經(jīng)紗循環(huán)Rj=2×4+2=10；3層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)(圖1(e))的一個(gè)組織循環(huán)中，共有經(jīng)紗2×2+2=6根，即經(jīng)紗循環(huán)Rj=6； 4層2層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)(圖1(f))的一個(gè)組織循環(huán)中，共有經(jīng)紗2×3+2=8根，即經(jīng)紗循環(huán)Rj=8。由此可得到規(guī)律二：在n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)組織循環(huán)中，共有經(jīng)紗2×(n-1)+2=2n根，即n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的經(jīng)紗循環(huán)Rj與m無(wú)關(guān)，與n呈正比例關(guān)系，Rj=2n。

根據(jù)規(guī)律一、規(guī)律二即可設(shè)計(jì)出任意n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)。

在利用CAD繪圖的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)結(jié)合CAD，可以更加簡(jiǎn)便快捷地設(shè)計(jì)出任意n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)。

2 三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)圖繪制方法

根據(jù)斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及所遵循的規(guī)律一、規(guī)律二，分析n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)圖中的一個(gè)組織循環(huán)(經(jīng)紗循環(huán)Rj為2n，緯紗循環(huán)Rw為2mn)，發(fā)現(xiàn)第m列和第2m列中的緯紗上下方被經(jīng)紗呈圓角包圍；第1層中的緯紗(除了第m列和第2m列中被經(jīng)紗呈圓角包圍的緯紗之外)被經(jīng)紗呈圓弧朝上的扇形包圍；第n層中的緯紗(除了第m列和第2m列中被經(jīng)紗呈圓角包圍的緯紗之外)被經(jīng)紗呈圓弧朝下的扇形包圍；其余緯紗均被經(jīng)紗呈菱形包圍。

以6層3層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合CAD軟件，快速設(shè)計(jì)其織物結(jié)構(gòu)圖的具體方法如下：

(1) 計(jì)算Rj、Rw。Rj=2n=12，Rw=2mn=36。

(2) 繪制緯紗循環(huán)。根據(jù)織物層數(shù)n=6與緯紗循環(huán)Rw=36，利用CAD繪制出6行6列的一個(gè)緯紗循環(huán)，如圖2所示。

圖2 6層3層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)緯紗循環(huán)

(3) 繪制經(jīng)紗。將所有緯紗外部用經(jīng)紗呈菱形包圍(繪制過(guò)程中只需將其中一根緯紗外部用菱形包圍，然后復(fù)制至其余緯紗外部即可)，如圖3所示。

圖3 用菱形包圍所有緯紗的截面圖

(4) 倒圓角。由規(guī)律一可知，6層3層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)組織循環(huán)中，共有緯紗6層6列，所有經(jīng)紗從左至右在與不同層緯紗進(jìn)行斜交的過(guò)程中，除了在第1層緯紗的上方和第6層緯紗的下方出現(xiàn)拐點(diǎn)以外，在第3列和第6列緯紗的上下方也均有經(jīng)紗的拐點(diǎn)。因此，將第1層緯紗上方與第6層緯紗下方菱形的一個(gè)角進(jìn)行倒圓角，同時(shí)將第3列與第6列緯紗上下方的經(jīng)紗交織點(diǎn)均倒圓角后，即可得到6層3層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 6層3層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)幾種三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)了n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)經(jīng)緯紗交織的規(guī)律。利用CAD繪圖，可以簡(jiǎn)便快捷地設(shè)計(jì)出任意n層m層斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)，豐富了三維機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。三維機(jī)織復(fù)合材料因其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)和力學(xué)性能而成為當(dāng)今最具吸引力的新材料之一，三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也成為這一科研領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)。本文提出的三維斜交角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法將會(huì)為這一課題的研究和發(fā)展提供一些幫助。

[1] 許鶴，唐予遠(yuǎn)，馬菲，等．空口角連鎖織物組織結(jié)構(gòu)探討[J]．上海紡織科技，2015，43(9)：27-28．

[2] 夏曉明，宋之聰．功能助劑[M] . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004．

[3] 劉淑萍，劉讓同．三維織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．紡織科技進(jìn)展，2006，29(6)：42-46．

[4] 楊小俠．角連鎖結(jié)構(gòu)三維織物的設(shè)計(jì)[J]．棉紡織技術(shù)，2011(9)：4-7．

[5] 顧平.多重緯角聯(lián)鎖三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].上海紡織科技，2002，30(4)：24-26．

[6] 易洪雷，丁辛.三維板狀機(jī)織預(yù)成型件的設(shè)計(jì)與試織[J]. 棉紡織技術(shù)，2003，31(5)：23-25.

[7] 馬菲，張琦，唐予遠(yuǎn)，等.不同縫接方式對(duì)角聯(lián)鎖織物復(fù)合材料彎曲性能影響的探討[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，26(3)：44-46.

(責(zé)任編輯：姜海芹)

Fast Design of 3D Oblique Angle-interlock Fabric Structure

SHAN Jing-jing, TANG Yu-yuan, MA Fei, XU He, JIN Wen-wen

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

The characteristics of 3D oblique angle-interlock fabrics were elaborated. From analyzing its organization structure, we found laws that weft and warp yarns in 3D oblique angle-interlock fabrics follows. At the same time, ways to calculate repeat of weft and warp were reached. At last, drawing by CAD simplified the design.

angle-interlock fabric; weft repeat; warp repeat; design

2015-07-28

單晶晶(1988-)，女，河南鶴壁人， 碩士生，主要研究方向?yàn)榧徔棽牧吓c紡織品設(shè)計(jì)。

1671-6906(2015)06-0041-04

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.009