CN111910319A - 一种平面仿形织物及其成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面仿形织物及其成型工艺，所述工艺包括以下步骤：步骤1：将平面仿形织物沿厚度方向分解成n个单元套的织物，n个单元套厚度分别为d₁、d₂……d_n，平面仿形织物总厚度D＝d₁+d₂+……+d_n；步骤2：将每个单元套的织物进行平面展开与仿形设计，采用多片成型方法织造出n个单元套的织物；步骤3：将n个单元套的织物依次套于芯模外，转变为立体形态从而得到所述平面仿形织物。本发明采用分组并列的经纱排布方式和往复式引纬方式，可以实现大尺寸、大直径织物的仿形织造，解决了设备容量局限性问题，采用立体型面织物展平技术进行设计，以离线方式进行平面仿形织造，借用现有常用纺织设备可以实现机械化生产，具有高效、低成本的优势。

Description

一种平面仿形织物及其成型工艺

技术领域

本发明属于纺织技术领域，具体涉及一种平面仿形织物及其成型工艺。

背景技术

复合材料具有高比强度、高比模量、高的损伤容限和断裂韧性、耐冲击、不易分层和抗疲劳等一系列优点，广泛应用于航空、航天、核工业、船舶等领域。复合材料用纤维增强体是高性能复合材料的关键组分，在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用，在很大程度上决定了复合材料的综合性能。

以美国、俄罗斯、法国、英国等为代表的军事强国都在积极地开展高性能复合材料的研究，复合材料的增强材料多采用连续纤维织物结构形式。我国高性能复合材料紧跟国外发展，已研制了多种形式纤维增强体材料，成功地应用于航空航天多种部件的研制和批产。

国内纤维增强体成型采用多种工艺，其中平面机织仿形成型工艺是一种具备机械化程度较高、成本低、后期复合加工少等优势的纤维增强体织造技术。平面仿形机织物的成型工艺主要采用2D结构或三维机织结构，是一种以平面形式织造立体型面织物的成型方式。平面仿形机织物包含二维平面仿形织物和三维机织平面仿形织物，其中二维平面仿形织物的成型主要采用2D结构，常用结构包含平纹、斜纹和缎纹结构，适用于厚度较低的织物成型；三维机织平面仿形织物的成型主要采用2.5D结构，常用结构包含浅交弯联、浅交直联结构等等。以平面机织仿形成型工艺制备的纤维增强体具备高强度、高模量、高损伤容限、耐冲击、抗分层和抗疲劳等综合性能，显著提升了航空航天用复合材料的性能。

随着航空航天的发展趋势，复合材料的形状、性能等要求日趋提高，而制造成本日趋降低，对纤维增强体的仿形精度、织造成本等方面的要求日趋严峻，因此平面仿形机织物在设计、成型工艺、设备工装等方面均需要不断创新和优化以提高满足航空航天领域发展需求。

专利《二维锥形壳体织物的织造方法》(200610016115.5)介绍了一种二维锥形壳体织物的织造方法。该织造方法以成型模具为中心，采用3台以上均布的织机织造，并以环形引纬法引入纬纱，并随着锥形模具直径变化进行加减纱。该专利在织造过程中需使用成型模具。

专利《三维锥形壳体织物的织造方法及其制品》(200610016116.X)介绍了一种三维锥形壳体织物的织造方法及其制品。该织造方法采用管状织物织造方法预置经纱，通过平面螺旋引纬法引入纬纱，并随着织物平面形状变化在两侧进行加减纱。该专利加减纱的方式较为单一不够灵活。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面仿形织物及其成型工艺以解决现有2.5D机织工艺技术中变幅宽板块及锥体立体织物预制体成型中加减经纱不均匀导致缺陷集中的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种平面仿形织物的成型工艺，所述工艺包括以下步骤：

步骤1：将平面仿形织物沿厚度方向分解成n个单元套的织物，n个单元套厚度分别为d₁、d₂……d_n，平面仿形织物总厚度D＝d₁+d₂+……+d_n；

步骤2：将每个单元套的织物进行平面展开与仿形设计，采用多片成型方法织造出n个单元套的织物；

步骤3：将n个单元套的织物依次套于芯模外，转变为立体形态从而得到所述平面仿形织物。

进一步地，所述步骤1中的n个单元套的织物的厚度相同或不同和/或长度相同或不同。

进一步地，所述步骤2具体包括：

步骤2.1：将单元套的织物折叠为l层片层织物；

步骤2.2：预置排布经纱；

步骤2.3：设计引纬方式，根据设计的引纬方式依次引纬，保证纬纱连续，与预置的经纱交织完成织造；

步骤2.4：根据织物仿形平面的尺寸要求判断在相应位置是否需要进行加减纱、加减层的操作，若需要则进行相应操作；

步骤2.5：重复步骤2.3和步骤2.4直至织造所需长度；

步骤2.6：将织造好的单元套的织物展开，完成织造。

进一步地，所述步骤2.1中将单元套的织物折叠为l层片层织物的片层折叠方式是对称折叠或之字折叠或者两者结合的方式。

进一步地，所述步骤2.2中经纱排布采用分组并列的形式排布经纱，即经纱分为l组，l≥2，l组经纱以上下并列的形式排布，每组经纱层数为m层，m≥1。

进一步地，所述步骤2.3中纬纱引入采用往复式连续引纬方式，按照经纱分组的顺序在每组经纱中逐层往复引入纬纱，引纬方式为先由仿形后单元套的织物的外层向单元套的织物内层引纬，然后从单元套的织物的内层向单元套的织物外层引纬，保证纬纱连续，l层片层织物片层之间的纬纱引入方式为：自最下层片层至最上层片层，然后从最上层片层依次往下回最下层片层形成一个闭环的引纬路径，将所述引纬路径上任一点作为纬纱引入点。

进一步地，所述步骤2.2中多片层织物布纱方式采用矩阵式或梯度式，

矩阵式布纱是指以阵列式进行布纱，阵列的层对应经纱层数，列对应经纱的列数；

梯度式布纱是指在幅宽边缘采用梯度布纱方式，边缘列向部分经纱迁移至相邻内侧的筘齿间隙内。

进一步地，所述步骤2中采用定长织造或连续织造，

定长织造是指经纱设计为一定长度范围内，与张力线连接，以定长织造设备进行织造；

连续织造是指经纱设计较长长度，连续存储于储纱装置，以连续织造设备进行织造。

一种平面仿形织物，所述平面仿形织物采用上述的工艺织造得到。

进一步地，所述平面仿形织物包括轴对称型、左右对称型和非对称异型。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明采用分组并列的经纱排布方式和往复式引纬方式，可以实现大尺寸、大直径织物的仿形织造，解决了设备容量局限性问题；

(2)本发明采用立体型面织物展平技术进行设计，以离线方式进行平面仿形织造，借用现有常用纺织设备可以实现机械化生产，具有高效、低成本的优势；

(3)本发明以现有纺织设备，可满足二维平面仿形机织物和三维平面仿形机织物两类织物的成型要求，可实现织物结构多样化，提高织物结构的可设计性，以更好的满足不同复合材料的需求，设备既可用于定长织造，同时也适用于连续织造。

附图说明

图1是平面仿形织物外形示意图。

图2是平面仿形织物单元套拆分示意图。

图3是对称折叠示意图。

图4是之字折叠示意图。

图5是往复引纬方式示意图。

图6是实施例1经纱布置和纬纱引入部分过程示意图。

图7是实施例1经纱布置和纬纱引入部分过程示意图。

图8是实施例2经纱布置和纬纱引入部分过程示意图。

图9是实施例2经纱布置和纬纱引入部分过程示意图。

图10是实施例2经纱布置和纬纱引入部分过程示意图。

图11是实施例2经纱布置和纬纱引入部分过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

一种平面仿形织物的成型工艺，所述面仿形织物部分外形如图1所示，所述工艺包括以下步骤：

步骤1：如图2所示，将平面仿形织物沿厚度方向分解成n个单元套的织物，n个单元套厚度分别为d₁、d₂……d_n，平面仿形织物总厚度D＝d₁+d₂+……+d_n；

步骤2：将每个单元套的织物进行平面展开与仿形设计，采用多片成型方法织造出n个单元套的织物；

步骤3：将n个单元套的织物依次套于芯模外，转变为立体形态从而得到所述平面仿形织物。

优选地，所述步骤1中的n个单元套的织物的厚度相同或不同和/或长度相同或不同。

优选地，所述步骤2具体包括：

步骤2.1：将单元套的织物折叠为l层片层织物，l为2的倍数；

步骤2.2：预置排布经纱；

步骤2.3：设计引纬方式，根据设计的引纬方式依次引纬，保证纬纱连续，与预置的经纱交织完成织造；

步骤2.4：根据织物仿形平面的尺寸要求判断在相应位置是否需要进行加减纱、加减层的操作，若需要则进行相应操作，依据织物型面变化和工艺设计，采用经纱控制装置，可在幅宽方向任意位置进行经纱加减；

步骤2.5：重复步骤2.3和步骤2.4直至织造所需长度；

步骤2.6：将织造好的单元套的织物展开，完成织造。

优选地，结合图3-4，所述步骤2.1中将单元套的织物折叠为l层片层织物的片层折叠方式是对称折叠或之字折叠或者两者结合的方式。

优选地，所述步骤2.2中经纱排布采用分组并列的形式排布经纱，即经纱分为l组，l≥2，l组经纱以上下并列的形式排布，每组经纱层数为m层，m≥1。

优选地，结合图5，所述步骤2.3中纬纱引入采用往复式连续引纬方式，按照经纱分组的顺序在每组经纱中逐层往复引入纬纱，引纬方式为先由仿形后单元套的织物的外层向单元套的织物内层引纬，然后从单元套的织物的内层向单元套的织物外层引纬，保证纬纱连续，l层片层织物片层之间的纬纱引入方式为：自最下层片层至最上层片层，然后从最上层片层依次往下回最下层片层形成一个闭环的引纬路径，将所述引纬路径上任一点作为纬纱引入点。

优选地，所述步骤2.2中多片层织物布纱方式采用矩阵式或梯度式，

矩阵式布纱是指以阵列式进行布纱，阵列的层对应经纱层数，列对应经纱的列数；

梯度式布纱是指在幅宽边缘采用梯度布纱方式，边缘列向部分经纱迁移至相邻内侧的筘齿间隙内。

优选地，所述步骤2中采用定长织造或连续织造，

定长织造是指经纱设计为一定长度范围内，与张力线连接，以定长织造设备进行织造；

连续织造是指经纱设计较长长度，连续存储于储纱装置，以连续织造设备进行织造。

所述成型工艺适用于二维平面仿形机织物和三维平面仿形机织物两类织物的成型。

二维平面仿形机织物，其特征为采用两维结构组织，主要包含：平纹、斜纹、缎纹；

三维平面仿形机织物，其特征为采用三维立体织物组织，主要包含2.5D结构、正交三向结构和组合结构。其中2.5D结构包含浅交弯联、浅交直联、深交联、斜纹2.5D、缎纹2.5D等等；组合结构包含2.5D结构内2种或2种以上的结构组合，或2.5D内任意一种结构与正交三向的结构组合。

所述成型工艺采用多种连续纤维进行织造，主要包含玻璃纤维、石英纤维、碳纤维、陶瓷纤维，以及有机纤维等等。

一种平面仿形织物，所述平面仿形织物采用上述的工艺织造得到。

优选地，所述平面仿形织物包括轴对称型、左右对称型和非对称异型。

轴对称型主要包含等截面形和变截面回转体，其中等截面形主要是指上下截面形状、尺寸一致，如圆柱形、方柱形等等；变截面回转体主要是指上下截面形状一致、尺寸不一致，圆锥形、方锥形、抛物线形等等；

左右对称型主要包含等截面形和变截面形；等截面形主要是指上下截面形状、尺寸一致，如椭圆柱形、Ω柱形等等；变截面形主要是指上下截面形状、尺寸一致，截面形状可以为椭圆形、Ω形等等；

非对称异型是指既不是轴对称型也不是左右对称型的异型截面。

实施例1

研制的平面仿形织物为圆锥形，半锥角12°，织物高度50mm，大端外径500mm，织物等壁厚、壁厚为10mm。工艺参数设计如表1所示。

表1 织物工艺参数表

具体操作步骤如下：

(1)选取规格为190Tex的石英纤维按照图6所示进行矩阵排列，石英纤维的一端与常用三维机织设备的定长装置连接，或存储于纺织设备常用的的储纱器或盘头中；石英纤维的另一端固定于纱线固定装置。

(2)按照图6所示，经纱布置为4组，分别为Z₁、Z₂、Z₃、Z₄，每组经纱列数为394列。

(3)完成步骤(2)后，将经纱开口装置位置调整为如图6所示，奇数列高于偶数列2个位置，此时可定义为初始位置。

(4)完成步骤(3)后，按照图6所示，由Z₂组第1、2层经纱之间顺时针引入纬纱，依据箭头方向依次引入Z₁组第4’、5’层、Z₄组第1、2层经纱之间、Z₃组第4’、5’层经纱之间……，最后由Z₃组第1、2层经纱之间引出。

(5)完成步骤(4)后，将经纱开口装置位置调整为如图7所示，奇数列低于偶数列2个位置。

(6)完成步骤(5)后，按照图7所示，由Z₂组第4、5层经纱之间顺时针引入纬纱，依据箭头方向依次引入Z₁组第1’、2’层、Z₄组第4、5层经纱之间、Z₃组第1’、2’层经纱之间……，最后由Z₃组第4、5层经纱之间引出。

(7)重复步骤3至步骤6，过程中依照工艺设计进行加减纱，上述操作循环进行，直至第1层织物达到要求长度。

(8)完成步骤(7)后，重复步骤(1)至步骤(7)，经纱布置为4组，分别为Z₁、Z₂、Z₃、Z₄，依照工艺表各层织物对应的经纱列数布置经纱，分别完成另外4层织物。

(9)完成步骤(8)后，将上述5层织物的第5层先套于芯模外，在第5层织物外分别依次套第4、3、2、1层织物，至此完成整个织物的织造与套模定型。

实施例2

研制平面仿形织物为圆筒形，织物高度100mm，织物外径300mm，织物等壁厚、壁厚为6mm。工艺参数设计如表2所示。

表2 织物工艺参数表

具体操作步骤如下：

(1)选取规格为198Tex的碳纤维按照图8所示进行矩阵排列，碳纤维的一端与常用三维机织设备的定长装置连接，或存储于纺织设备常用的的储纱器或盘头中；石英纤维的另一端固定于纱线固定装置。

(2)按照图8所示，经纱布置为4组，分别为Z₁、Z₂、Z₃、Z₄。

(3)完成步骤(2)后，将经纱开口装置位置调整为如图8所示，奇数列高于偶数列2个位置，此时可定义为初始位置。

(4)完成步骤(3)后，按照图8所示，由Z₂组第1、2层经纱之间顺时针引入纬纱，依据箭头方向依次引入Z₁组第4’、5’层、Z₄组第1、2层经纱之间、Z₃组第4’、5’层经纱之间……，最后由Z₃组第1、2层经纱之间引出。

(5)完成步骤(4)后，将经纱开口装置位置调整为如图9所示，奇数列与偶数列平齐，定义为位置二。

(6)完成步骤(5)后，按照图9所示，由Z₂组第4、5层经纱之间顺时针引入纬纱，依据箭头方向依次引入Z₁组第1、2层、Z₄组第4、5层经纱之间、Z₃组第1、2层经纱之间……，最后由Z₃组第4、5层经纱之间引出。

(7)完成步骤(6)后，将经纱开口装置位置调整为如图10所示，奇数列低于偶数列2个位置，定义为位置三。

(8)完成步骤(7)后，按照图10所示，由Z₂组第1’、2’层经纱之间顺时针引入纬纱，依据箭头方向依次引入Z₁组第4、5层、Z₄组第1’、2’层经纱之间、Z₃组第4、5层经纱之间……，最后由Z₄组第4、5层经纱之间引出。

(9)完成步骤(8)后，将经纱开口装置位置调整为如图11所示，恢复初始状态。

(10)重复步骤(4)至步骤(9)，过程中依照工艺设计进行加减纱，上述操作循环进行，直至织物达到要求长度。

(11)完成步骤(10)后，重复步骤(1)至步骤(10)，经纱布置为4组，分别为Z1、Z2、Z3、Z4，依照工艺表各层织物对应的经纱列数布置经纱，分别完成另外2层织物。

完成步骤(11)后，将上述3层织物的第3层先套于芯模外，在第3层织物外分别依次套第2、1层织物，至此完成整个织物的织造与套模定型。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种平面仿形织物的成型工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：

步骤1：将平面仿形织物沿厚度方向分解成n个单元套的织物，n个单元套厚度分别为d₁、d₂……d_n，平面仿形织物总厚度D＝d₁+d₂+……+d_n；

步骤2：将每个单元套的织物进行平面展开与仿形设计，采用多片成型方法织造出n个单元套的织物；

步骤3：将n个单元套的织物依次套于芯模外，转变为立体形态从而得到所述平面仿形织物。

2.根据权利要求1所述的平面仿形织物的成型工艺，其特征在于，所述步骤1中的n个单元套的织物的厚度相同或不同和/或长度相同或不同。

3.根据权利要求1所述的平面仿形织物的成型工艺，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1：将单元套的织物折叠为l层片层织物；

步骤2.2：预置排布经纱；

步骤2.3：设计引纬方式，根据设计的引纬方式依次引纬，保证纬纱连续，与预置的经纱交织完成织造；

步骤2.4：根据织物仿形平面的尺寸要求判断在相应位置是否需要进行加减纱、加减层的操作，若需要则进行相应操作；

步骤2.5：重复步骤2.3和步骤2.4直至织造所需长度；

步骤2.6：将织造好的单元套的织物展开，完成织造。

4.根据权利要求3所述的平面仿形织物的成型工艺，其特征在于，所述步骤2.1中将单元套的织物折叠为l层片层织物的片层折叠方式是对称折叠或之字折叠或者两者结合的方式。

5.根据权利要求4所述的平面仿形织物的成型工艺，其特征在于，所述步骤2.2中经纱排布采用分组并列的形式排布经纱，即经纱分为l组，l≥2，l组经纱以上下并列的形式排布，每组经纱层数为m层，m≥1。

6.根据权利要求5所述的平面仿形织物的成型工艺，其特征在于，所述步骤2.3中纬纱引入采用往复式连续引纬方式，按照经纱分组的顺序在每组经纱中逐层往复引入纬纱，引纬方式为先由仿形后单元套的织物的外层向单元套的织物内层引纬，然后从单元套的织物的内层向单元套的织物外层引纬，保证纬纱连续，l层片层织物片层之间的纬纱引入方式为：自最下层片层至最上层片层，然后从最上层片层依次往下回最下层片层形成一个闭环的引纬路径，将所述引纬路径上任一点作为纬纱引入点。

7.根据权利要求5所述的平面仿形织物的成型工艺，其特征在于，所述步骤2.2中多片层织物布纱方式采用矩阵式或梯度式，

矩阵式布纱是指以阵列式进行布纱，阵列的层对应经纱层数，列对应经纱的列数；

梯度式布纱是指在幅宽边缘采用梯度布纱方式，边缘列向部分经纱迁移至相邻内侧的筘齿间隙内。

8.根据权利要求1所述的平面仿形织物的成型工艺，其特征在于，所述步骤2中采用定长织造或连续织造，

定长织造是指经纱设计为一定长度范围内，与张力线连接，以定长织造设备进行织造；

连续织造是指经纱设计较长长度，连续存储于储纱装置，以连续织造设备进行织造。

9.一种平面仿形织物，其特征在于，所述平面仿形织物采用权利要求1-8任一项所述的工艺织造得到。

10.根据权利要求9所述的平面仿形织物，其特征在于，所述平面仿形织物包括轴对称型、左右对称型和非对称异型。

Images