回转体仿型曲面织物的结构优化

王燕芳，郭兴峰

（天津工业大学 纺织学院，天津 300160）

回转体仿型曲面织物的结构优化

王燕芳，郭兴峰

（天津工业大学 纺织学院，天津 300160）

针对回转体仿型织物中经纱不等长，容易造成纬密分布不均匀的问题，分析了影响回转体曲面结构均匀性的因素，通过采用分区等纬密的方法，合理设计了长短两种纬纱与经纱交织的结构优化方法，即长纬与全部经纱相交织，短纬仅与部分区间的经纱交织，并进行了实际织造，实现了经纬纱密度较为均匀的仿型织物.

回转体仿型；曲面织物；结构；优化

仿型织造技术[1]可以按照制品的轮廓形状生产单层机织布[2-3]，生产的织物经（纬）纱不等长，织物可呈曲面结构.因织物初步具有了制品的形状，在复合成型时不需裁剪，将所需层数的这种预成型织物缠绕或层合起来[4-5]，即可成型复合材料制品.仿型织造技术是传统织造技术的发展，容易实现机械化生产，为高性能复合材料的低成本制造实现了新的途径.本文选择这种曲面织物中的椭圆回转体仿型机织物进行研究，以利于椭球状容器织物缠绕成型.首先沿椭球体的侧面展开得到预成型织物的形状，设计经纱沿回转体的圆周方向[7]，纬纱沿母线方向，使预成型织物具有可织性.由于回转体仿型织物中的经纱不等长，本文采用分区等纬密的方法对织物结构进行优化，以满足织物各部分经纬纱分布均匀、密度一致的要求，使用玻璃纤维做经、纬纱，织制出了可缠绕成型椭圆回转体的外凸形单层机织物.

1 曲面织物结构均匀的影响因素

椭圆回转体的曲面织物是在改造的小样织机上进行织造的，改造后的卷取机构采用椭球体形状的卷取辊[8]，如图1所示.

图1 卷取辊形状及其分区Fig.1 Shape of drawing roller and its divided sections

织造的织物会根据卷取辊的形状对其进行包覆，进而形成具有椭圆回转体展开形状的仿型结构.根据卷取辊回转半径的大小，将其分为5个区域，由于对称性，图1中分别用C、B、A、B、C表示5个区域.

1.1 织物组织的影响

织物组织一般根据织物的使用要求进行选择，在织造曲面织物时，大多选择简单组织作为基础组织，例如：平纹、斜纹.这是因为曲面织物要在不同区域引入长度不等的纬纱，使经纬纱交织规律的设计难度显著增加，选择的基础组织越简单，经纬纱交织规律的设计就越容易.另外，纱线在平纹、斜纹组织织物中的交织较频繁，能使织物质地坚牢，曲面织物的剪切变形相对较小.在本次织造过程中，采用平纹组织作为基础组织.

1.2 织口距离的影响

织口距离影响织物在卷取过程中经、纬纱间产生的剪切变形角，最终影响织物的成型.由于卷取辊不同位置处的半径存在差异，所以卷取辊不同位置处的卷取线不一致.若织口距离过大，卷取到卷取辊大、小半径处时纬纱发生的剪切变形角大，在大半径处的织物能够紧密包覆在卷取辊上，而小半径处的织物则不能紧密包覆；若织口距离过小，则织物成型性不好.织造过程中通过调整织口距离，使织物能在卷取辊的各部位都能实现紧密包覆，进而形成椭圆回转体的曲面预成型织物.

1.3 纬纱密度的影响

织造椭圆回转体曲面织物时，由于卷取辊中间半径大，牵引织物前进的速度快，两边半径小，卷取织物的速度慢，使得越接近织物边缘的纬纱，在卷取过程中越落后于织物中间的纬纱，从而使织物产生剪切变形.卷取辊的半径差异越大，造成的剪切变形就越大，结果是织物各处纬纱密度并不均匀一致.这种不均匀性表现在曲面织物上时，即半径小的地方纬纱密度大，半径大的地方纬纱密度小.

2 回转体曲面织物的优化设计

为使回转体曲面织物在不同半径处的纬密均匀，采用了分区等纬密设计方法[9]，将卷取辊分为5个区域，如图2所示.图中两侧相同的B、C区域是回转体的对称结构.在引入的纬纱中，除了与全部经纱交织的长纬（如图2中长纬）外，在纬纱密度较小的区域还引入部分短纬，如短纬与A、B区间的经纱相交织，短纬只与A区间的经纱相交织.这样A区引入的纬纱数最多，B区次之，C区最少.根据各区域所需经纱长度的变化，有梯度地引入这3种不同长度的纬纱，可使形成的回转体织物各处的纬纱密度相对均匀一致.

图2 椭圆体曲面织物结构Fig.2 Structure of ellipsoid surface fabric

2.1 纬纱循环数计算

为了计算纬纱循环中的长纬根数和各种短纬根数，设各区织物的平均纬密为Pw，则卷取辊回转一周在A、B、C 3区所需引入的纬纱根数分别为：

式中：RA、RB、RC分别为卷取辊在A、B、C区域的平均半径.

从公式（1）～（6）可以看出，MA、MB、MC3者间存在比例关系：

即

2.2 长短纬分布规律设计

短纬在长纬间的分布方式影响织物的均匀性[10]，考虑到椭圆回转体的对称性，只分析长短纬在回转体一端的分布对预成型织物结构均匀性的影响.图3（a）、（b）的长短纬根数都相同，只是图3（a）中2种不同长度的短纬集中分布在长纬之间，造成纬纱密度的分布不均匀，织物结构也不均匀.

图3 长短纬分布对织物结构均匀性的影响Fig.3 Effect of long and short wefts distribution patterns on preform structural uniformity

图3（b）是将两种不同长度的短纬以适当的间隔分散在长纬之间，使形成的回转体织物各处的纬纱密度相对均匀一致.

3 回转体曲面织物的织造

以500 tex无碱无捻玻璃长丝作经纬纱，采用平纹组织制织出椭圆回转体曲面预成型织物，如图4所示.为了方便缠绕成型时对经纬纱间角度的控制，沿纬纱方向还加入了12 K的碳纤维作示踪纱.

图4 椭圆体仿型曲面织物实物Fig.4 Ellipsoid surface fabric

设计经纱密度为50根/10 cm，上机幅宽27 cm，A、B、C 3个区域所用经纱根数依次为92根、16根、28根.所用卷取辊的A、B、C 3个区域的平均半径为：RA= 8 cm，RB=6.5 cm，RC=3.2 cm，经计算得W1∶W2∶W3= 2∶4∶4，即纬纱循环数为10，在一个组织循环中3种长度纬纱的根数依次为2根、4根、4根.

为了简化织造，采用一把梭子引纬，在设计引纬顺序时，除了考虑让短纬均匀分布在长纬之间外，还要考虑纬纱与纬纱之间的连续，以避免长浮线的产生.图5给出了实际采用的引纬顺序图.

在织制的预成型织物中，A、B、C区的平均纬密分别为28、26和27根/10 cm.进一步观察每一个区域，都是在回转体直径大的位置纬密小，在直径小的位置纬密大.可见，使用分区等纬密设计方法，织制的织物并不能达到完全的等纬密，只是在一定程度上缓解了纬纱密度的变化梯度.

图5 引纬顺序示意图Fig.5 Sketch map of picking

4 结论

织造椭圆回转体曲面织物时，采用分区等纬密设计方法，使长短纬的根数成比例、短纬在长纬间均匀分布，能够获得纬密较为均匀的回转体仿型织物.所分经纱的区段越多，短纬在长纬间的分布越分散，越有利于形成结构均匀的织物.但织物设计越复杂，对开口机构控制经纱能力的要求也越大.如果采用提花开口机构，只要通过合理设计长短纬的分布，就可以获得纬密分布均匀的仿型织物.

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

[2]彭淑静，郭兴峰.单层曲面机织布的织造技术研究[J].纺织科技进展，2005（2）：18-20.

[3] 郭兴峰，李济群.一种机织物的织造方法：中国专利，02129080.6[P].2005-03-23.

[4] 张福承.机头雷达罩及其缠绕法 [J].纤维复合材料，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.三维纺织复合材料的发展和应用[J].纤维复合材料，2001，18（3）：37-39.

[7] 彭淑静，郭兴峰，陈和春.圆环形机织布的织造与设计[J].天津工业大学学报，2005，24（4）：18-20.

[8]阎贵珠.曲面织物的织造技术研究[J].天津纺织科技，2008（3）：22-27.

[9]郭兴峰，刘春阳，王 瑞，等.圆环形织物的织造原理与设计[J].纺织学报，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，硕士研究生.

郭兴峰（1964—），男，教授，硕士生导师.E-mail：xfguo@tjpu.edu.cn