專利名稱：帶端框的三維桶形織物及其織造方法
技術領域：
本發明涉及一種三維織物技術，具體是一種帶端框的三維桶形織物及其織造方法，國際專利主分類號擬為Int.Cl7D03D 13/00。
背景技術：
三維織物具有獨特的結構(參見圖1)，用其增強的復合材料制件具有高損傷容限、耐沖擊、耐燒蝕、抗分層和抗疲勞等綜合性能。帶端框的桶形織物在三維織物中屬于異型織物。它具有形狀特殊、性能要求高、整體性要求好等特點，在航空航天領域中的應用較為廣泛。帶端框的三維桶形復合材料制件是三維織物復合材料的一個種類。其結構復雜，形狀各異，種類繁多，但絕大多數制件都采用端框與桶身先分別制造，再將二者連接成一個整體的制造技術。這種復合材料制件的端框普遍采用金屬件，而桶身則是二維織物鋪層件或纖維纏繞件，這種成型方法的主要缺點是減重效果差；也有采用直接鋪層方法來制成帶端框的桶形復合材料制件，這種成型方法的主要缺點是織物的層間整體性差，鋪層操作可控性差，制件各部分的纖維體積含量均勻性和一致性較差，影響構件的整體性能，尤其是織物層間的力學性能薄弱，質量難以保證。因此，帶端框的三維桶形復合材料制件的預制件即帶端框的三維桶形織物的成型方法，特別是三維預制件織物的整體性成型方法或織造方法是帶端框的三維桶形復合材料制件的關鍵技術之一。專利文獻《加筋三維織物的編織工藝》(CN200410014863.0)介紹了一種加筋三維織物的編織工藝，解決的是非封閉形織物的整體編織問題，其中的生經法解決的是加筋部分沒有經紗、經紗增長要求一次完成的問題，不適用于本發明帶端框的三維桶形織物及其織造方法。
發明內容
本發明擬解決三維桶形織物的技術問題是，設計一種帶端框的三維桶形織物及其織造方法，該織物特別適用于作帶端框的三維桶形復合材料制件的預制件，并具有減重效果好、織物層間整體性強、制件各部分的纖維體積含量均勻性和一致性好等特點；該織造方法具有操作簡單，效率高，適應性強，方便實際應用等特點。
本發明解決所述織物技術問題的技術方案是設計一種帶端框的三維桶形織物，該織物具有整體結構，即在所有織物表面變化處特別是突變處的經紗和緯紗都是連續的，織物是一次連續織造完成的。
本發明解決所述織造方法技術問題的技術方案是設計一種帶端框的三維桶形織物的織造方法，它依次包括先采用螺旋線形纏繞法引緯，織造織物的端框部分；凡織至織物設計的加經點處進行加經紗操作，爾后繼續采用所述的螺旋線形纏繞法引緯循環織造，直至織物端框部分織造完成；繼而采用模具成型法配合螺旋線形纏繞法織造織物的桶形部分，直至織物整體織造完成。
與現有技術相比，本發明的織造方法將纏繞法、加經法及模具成型法三種織造工藝巧妙結合并運用于帶端框三維桶織物的織造過程中，可實現帶端框的三維桶形復合材料制件的預制件織物的一體化整體織造，解決了端框無法成型，層間力學性能差，鋪層成型可控性差等問題，可同時獲得最大限度地減重和增強織物整體性及確保織物質量的積極效果。本發明所織造出的帶端框三維桶形織物具有整體性好、損傷容限高、耐沖擊、抗分層和抗疲勞等優良性能，可廣泛用于航空、航天、武器和民用等有關領域。
圖1為本發明帶端框的三維桶形織物的組織結構示意圖；
圖2為本發明帶端框的三維桶形織物織造方法所采用的螺旋線形纏繞法引緯的示意圖；圖3為本發明帶端框的三維桶形織物織造方法所采用的螺旋線形纏繞法引緯長短列錠子位移后的局部示意圖；圖4為本發明帶端框的三維桶形織物織造方法所采用的加經法的示意圖；圖5為本發明帶端框的三維桶形織物織造方法所采用的模具成型法的模具三維實體示意圖；圖6為本發明帶端框的三維桶形織物織造方法織造端框所采用的加經法的加經點示意圖；圖7為本發明帶端框的三維桶形織物的帶端框的三維圓柱形織物實施例整體結構形狀實物示意圖；圖8為本發明帶端框的三維桶形織物的帶端框的三維圓錐臺形織物實施例整體結構形狀示意圖；圖9為本發明帶端框的三維桶形織物的帶端框的三維矩形織物實施例整體結構形狀示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及其附圖進一步敘述本發明，但本發明不受實施例的限制本發明所述的帶端框的三維桶形織物是一類帶端框的三維織物的統稱，包括帶端框的三維圓柱形織物(參見圖7)、帶端框的三維圓錐臺形織物(參見圖8)、帶端框的三維非圓截面柱形織物(參見圖9)等。這種帶端框的三維桶形織物也常稱為帶端框的三維異形織物。
不論那種具體形狀，本發明所述的帶端框的三維桶形織物都包括端框和桶形兩部分，其特點是這兩部分織物的結構具有整體性或說具有整體結構，即在所有織物表面變化處特別是突變處的經紗和緯紗都是連續的，織物是一次連續織造完成的。因此，本發明的這種帶端框的三維異形織物與現有技術的端框和桶形兩部分分別織造后，再連接成為一個整體的織物不同，其整體性結構不僅可以大幅提高自身質量和性能，而且可以大幅提高以其為預制件的復合材料制品的各項性能和質量。
本發明所述的帶端框的三維桶形織物的結構是一類層-層正交角聯鎖結構，可以是文獻[參見楊彩云等，復合材料用3D角聯鎖結構預制件的結構設計及新型織造技術[J].東華大學學報，2005，31(5)53-581]中的層-層正交角聯鎖結構、或帶襯經的層-層正交角聯鎖結構、或帶襯緯的層-層正交角聯鎖結構、或帶襯經襯緯的層-層正交角聯鎖結構中的任何一種。實施例給出的織物1是層-層正交角聯鎖結構(參見圖1)，實際使用中可根據制件要求的厚度確定織物層數、紗線粗細、紗線原料等參數。織物1的同一水平面上的九根緯紗3構成一層緯紗，而經紗2不但參與了與第一層緯紗的交織，而且參與了與水平相鄰層緯紗的交織，依靠經紗2參與水平相鄰兩層緯紗3的交織，使得各層經紗2與各層緯紗3構成整體結構的所述織物1。
本發明所述織物的織造方法依次包括先采用螺旋線形纏繞法引緯，織造織物的端框部分；凡織至織物設計的加經點處進行加經紗操作，爾后繼續采用所述的螺旋線形纏繞法引緯循環織造，直至織物端框部分的織造完成；繼而采用模具成型法配合螺旋線形纏繞法織造織物的桶形部分，直至織物整體織造完成。現有技術《加筋三維織物的編織工藝》采用的生經法，與本發明的加經法不同之處在于前者中的生經法解決的是加筋部分沒有經紗、經紗增長要求一次完成的問題，而本發明的加經法解決的是隨著截面尺寸的變大，經紗密度相對變小，逐步增加經紗總數的問題。
本發明所述織物的織造方法可由織物的端框開始，也即先織造織物的端框部分6(參見圖7)，進而接續織造織物的桶形部分7，直至織物整體一次連續織造完成。織物端框部分的織造可由小直徑8開始，采用閉合形織物的織造方法織造。本發明設計的具體織造方法是采用螺旋線形纏繞法引入緯紗，其具體操作如下1.設定織物周向相鄰兩列的經紗為一組，織物的層數與每列經紗中的經紗2根數一致，即織物有幾層，每列經紗中就有幾根經紗2；每根經紗2與織機上的一個錠子4相連(參見圖4)，一列經紗2與一列錠子4相連。把織物外表面能看到的一列列經紗2所連接的錠子列定義為長列，如錠子a，b，c，d，e所在的列(參見圖2、4)，與它周向相鄰的另一列錠子4定義為短列，即內表面能看到的列，如a’，b’，c’，d’，e’所在的列(參見圖2、4)；織物1的結構是通過周向相鄰兩列錠子的相對徑向位移由此帶動與之相連的經紗2相對徑向位動并引入緯紗3來實現經緯紗交織，圖4中的9表示此處不交織。
2.將織物內層第一層開口，以任意一處作為織造起始點引入緯紗3(參見圖2)，圖2中的箭頭方向表示引入緯紗的方向，順時針或逆時針方向纏繞一圈；再將織物內層的第二層開口，繼續以順時針或逆時針方向纏繞第二圈；進而再將織物內層的第三層開口，繼續以順時針或逆時針方向纏繞第三圈，以此類推，由內向外依次纏繞緯紗3至織物1的外表面第一層。
3.將長短列錠子進行相對徑向位移，即長列錠子經紗由織物外表面向織物內表面徑向移動2個錠位，短列錠子經紗由織物內表面向織物外表面徑向移動2個錠位，相對位移距離為4個錠子的間距，位移后的結果如圖3所示；此時，a，b，c，d，e所在的列變為短列，而a’，b’，c’，d’，e’所在的列變為長列；再將織物外層的第一層開口，引入緯紗3，順時針或逆時針纏繞一圈；再將織物外層的第二層開口，引入緯紗3，順時針或逆時針繼續纏繞第二圈；進而將織物外層的第三層開口，引入緯紗，順時針或逆時針繼續纏繞第三圈，以此類推，由外向內依次纏繞緯紗3至織物的內表面第一層(參見圖3)。
4.重復所述的第3步和第4步，循環織造。凡織造至加經點5處即進行加經紗操作(參見圖4、6)。所謂加經點是指織物設計需要增加經紗之處(參見圖4中的51-55)。所謂加經紗操作或加經法是指在既有的經紗中根據織物組織設計要求加入新的經紗，從而增加經紗的總根數，滿足織物制品設計要求的織造工藝操作。圖6中與加經點51相連的經紗2即為新加進去的經紗。加經紗操作可以保證織物直徑變化處的經紗密度與起始處一致，或者說使織物整體的經紗密度均勻一致。
加經法的具體操作方法是(參見圖4)在加經點5對應的原空閑長、短列處，即圖4中的a、b、c、d、e和a’、b’、c’、d’、e’處成組加入經紗2，即在原空閑處的一組長列和短列上引出對應的一組經紗2，包括長列和短列；使新加入的長列上的內一層經紗與新加入的短列上的內一層經紗構成連續的U型，如圖4中的51所示，新加入的長列上的內二層經紗與短列上的內二層經紗構成連續的U型，如圖4中的52所示，新加入的長列上的內三層經紗與短列上的內三層經紗構成連續的U型，如圖4中的53所示，依此類推，至全部經紗加入完畢，如圖4中的54、55所示。
5.加經紗操作完成之后，仍然采用所述的螺旋線形纏繞法引入緯紗3，直到完成織物端框部分6的織造。
6.織造完織物端框部分6后，采用模具成型法配合螺旋線形纏繞法繼續織造織物的桶形部分7，直至整個織物1織造完成。
桶形部分7的織造也屬閉合形織物的織造問題。本發明采用模具成型法配合所述螺旋線形纏繞法進行織造。所謂模具成型法是指將所有經紗直接依附在模具表面上進行織造的工藝方法。顯然，模具成型法的核心內容就是芯模(參見圖5)，織物織成后的形狀同于芯模的外部形狀，因此本發明所述的桶形部分7是一個廣義概念，包括圓柱體形、圓錐體形和矩形體等。本發明的特點是，采用模具成型法將所有經紗2依附在所設計的模具母線上，然后采用所述的螺旋線形纏繞法引入緯紗3，依靠長短列經紗2的相對徑向位移完成經緯紗的交織，可順利織造出所述的桶形部分7，完成織物1的整體織造。
本發明所述的織物由于采用了本發明所述的織造方法，使得其具有良好的整體性，在所有織物表面變化處特別是突變處(如端框和桶形兩部分的結合處)的經紗和緯紗都是連續的，織造是一次連續完成的，織物是一體的，因而具有整體性好、損傷容限高、耐沖擊、抗分層和抗疲勞等優良性能。
本發明的織造方法雖然是針對帶端框的三維桶形織物而設計的，但很明顯，對于不帶端框的三維桶形織物的整體織造也完全適用，因為它的形狀結構相對更簡單，織造會更容易，或者說，它可以不用織造所述織物的端框部分而直接織造織物的桶形部分即可。
本發明未述及之處適用于現有技術。
下面給出本發明的具體實施例。
實施例1織造帶有端框的三維圓柱形織物(參見圖7)。
首先織造端框部分6。端框部分6的織造從小直徑處開始，采用螺旋線形纏繞法引入緯紗3，依靠掛線錠子長、短列的徑向移動，交換長、短列位置，從而完成經、緯紗的交織。隨著織造的進行，緯紗圈的直徑逐漸增大，經紗密度將逐漸變小。采用加經法加入新的經紗，從而保證經紗密度與起始處一致。繼續采用螺旋線形纏繞法引入緯紗，依靠掛線錠子長、短列的徑向移動，交換長、短列位置，從而完成經、緯紗的交織。如此循環往復，直到到達端框規定的寬度。然后，使用圓柱形模具(參見圖5)織造桶形部分7，將所有的經紗依附在模具的母線方向，采用模具成型法配合螺旋線形纏繞法繼續織造織物的圓柱形桶形部分7，直到到達規定的長度，完成帶有端框的三維圓柱形織物。
實施例2織造帶端框的三維圓錐臺形織物(參見圖8)。
圖8中的圓錐臺形織物的母線方向為經紗2，圓周方向為緯紗3。帶端框的三維圓錐臺形織物的織造與實施例1帶端框的三維圓柱形織物的織造相比，端框部分6的織造完全相同，不再贅述。但二者的桶形部分7是不同的。
帶端框的三維圓錐臺形織物的桶形部分7的織造方法是，首先，將所有經紗2依附在圓錐臺形模具的母線方向上，采用所述的模具成型法配合螺旋線形纏繞法織造所述織物的桶形部分。織造從小直徑處開始，隨著織造的進行，所述織物桶形部分的直徑逐漸增大，經紗密度將逐漸變小。采用加經法加入新的經紗2，從而保證經紗密度與織物起始處一致。再采用模具成型法配合螺旋線形纏繞法繼續織造織物的圓錐臺桶形部分，如此循環往復，直到到達所述桶形部分規定的長度，完成帶端框的三維圓錐臺形織物。
實施例3織造帶端框的三維矩形織物(參見圖9)。
帶端框的三維矩形織物的端框部分6與桶形部分7的織造同于實施例1，不同是所述模具成型法使用的模具為矩形體。
權利要求
1.一種帶端框的三維桶形織物，該織物具有整體結構，即在所有織物表面變化處特別是突變處的經紗和緯紗都是連續的，織物是一次連續織造完成的。
2.一種如權利要求1所述帶端框的三維桶形織物的織造方法，它依次包括先采用螺旋線形纏繞法引緯，織造織物的端框部分；凡織至織物設計的加經點處進行加經紗操作，爾后繼續采用所述的螺旋線形纏繞法引緯循環織造，直至織物端框部分織造完成；繼而采用模具成型法配合螺旋線形纏繞法織造織物的桶形部分，直至織物整體織造完成。
全文摘要
本發明涉及一種帶端框的三維桶形織物及其織造方法。該織物具有整體結構，即在所有織物表面變化處特別是突變處的經紗和緯紗都是連續的，織物是一次連續織造完成的。該織造方法依次包括先采用螺旋線形纏繞法引緯，織造織物的端框部分；凡織至織物設計的加經點處進行加經紗操作，爾后繼續采用所述的螺旋線形纏繞法引緯循環織造，直至織物端框部分織造完成；繼而采用模具成型法配合螺旋線形纏繞法織造織物的桶形部分，直至織物整體織造完成。本發明所織造出的帶端框的三維桶形織物具有整體性好、損傷容限高、耐沖擊、抗分層和抗疲勞等優良性能。
文檔編號D03D3/02GK1821466SQ200610013328
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月20日 優先權日2006年3月20日
發明者楊彩云, 李嘉祿 申請人:天津工業大學