纵横双向变厚度三维机织物组织设计*

郭 军 马颜雪 胡吉永 张瑞云 李毓陵 胡寿丰 张 建

1. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2. 产业用纺织品教育部工程研究中心，东华大学，上海 201620；3. 中航商用航空发动机有限责任公司，上海 200241



纵横双向变厚度三维机织物组织设计*

郭 军1,2马颜雪1,2胡吉永1,2张瑞云1,2李毓陵1,2胡寿丰3张 建3

1. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2. 产业用纺织品教育部工程研究中心，东华大学，上海 201620；3. 中航商用航空发动机有限责任公司，上海 200241

阐述纵横双向变厚度三维机织物的结构设计原理，选用多层接结组织为基础，在纵向连续变厚度结构的设计基础上，合理设计经向垫纱的分布方案，完成了纵横双向变厚度三维机织物的组织设计。

经向垫纱，多层接结组织，纵横双向变厚度三维机织物

随着复合材料风扇叶片制造技术的不断发展，中等推力发动机对更小、更轻的风扇叶片提出了更高的强度要求，Snecma公司采用树脂传递模塑成型(RTM)工艺制造了LEAP发动机的风扇叶片[1]，如图1所示。其中在树脂注入和叶片高压成型前，将碳纤维制成三维机织结构的预型件，成为叶片制造技术得以进一步发展的新途径。

图1 LEAP发动机及其复合材料风扇叶片

叶片用三维机织结构预型件的特征是长度方向(纵向)和宽度方向(横向)的截面厚度都呈连续变化[2]。王鹏[3]41指出，根据拓扑原理，可将叶片预型件展开成如图2所示的长板形，将其看作一种在长度方向厚度连续变化的变厚度织物。在变厚度三维机织物的设计和制作中，选择基本结构为多层接结纬纱接结组织结构，获得厚度连续均匀变化的结构、工艺设计及上机织造过程，在理论上是可行的，并在普通的剑杆织机上织造出纵向变厚度三维机织物。曾文敏[4]35-38在王鹏的研究基础上，进一步在四综眼四剑杆织机上，成功织制了纵向大幅度连续变厚度三维机织物。

图2 复合材料风扇预制件拓展图形

然而，就叶片预型件的近形制备而言，仅在纵向实现织物厚度的连续变化仍难以满足要求，需要在纵横双向均产生厚度变化。因此，本文在上述研究的基础上，根据叶片的实际现状，就采用三维机织物结构在四综眼四剑杆织机上制备纵横双向变厚度织物的组织结构设计问题进行探索。

1 纵横双向变厚度组织设计

在纵向连续变厚度结构的设计基础上，选用多层接结组织，合理设计经向垫纱的分布方案，通过叶片尖端部位的跨层自身接结组织逐步变化为接结纬纱接结组织，再加入衬纬，并引入纬纱的线密度变化，能够较好地实现如图3所示的纵向连续变厚度，以及横向中间厚、两边薄的目标结构。

图3 纵横双向变厚度三维机织物

1.1 经向垫纱方案

为实现图3所示的结构，首先需要合理设计经

向垫纱的分布方案。薛进等[5]和柳宝琴等[6]指出，多眼综丝织造三维织物需要解决两个问题：综眼层内组织及综眼层间接结。由于经向垫纱位于综眼层内组织中，所以本文首先考虑综眼层内的结构设计。

通过综合分析可知，对于经纱循环数为N的基础组织，在综眼层内织造时，考虑到若存在经向垫纱，则每个综眼层内至少含有3N根经纱。如果考虑到垫纱最终也参与织造，则所需的综框页数也为3N。若织造开口条件为X页综框、Y眼综丝，则基础单元内的经纱数M=XY。因此，可将三维织物的一个组织循环内的经纱按上下位置平均分为nY组，其中n∈[1，X/3N]或n∈[X/3N，1]。

本文选择平纹为基础组织，则N为2；采用X=12页综框、Y=4眼综丝的织造开口条件，则M为48；n∈[1，12/6]，即为1或2。据此可知，每个综眼层内至少含有6根经纱，一个基础单元内的48根经纱可分为4组或8组。本文分为8组。 如图4所示，图中虚线框为分组位置，实线框为垫纱分布位置，其中：③和④为第1组垫纱；⑨和⑩为第2组垫纱；……依此类推。分组完成后，将8组经纱分别穿入由上到下的四个综眼层中即可[4]27-30。

为了实现织物横向中间厚、两边薄的目标结构，对每组经纱中经向垫纱的穿综方式进行如图5所示的设计，图中虚线圆圈为经向垫纱空穿位置，即第1和第8组中的垫纱为满穿，第2 和第7组中的垫纱在两边空穿1综，第3 和第6组中的垫纱在两边空穿2综，第4和第5组中的垫纱在两边空穿3综。如此，因穿综变化皆在织物结构内部进行，织物中部经向垫纱皆为满穿，两边经向垫纱逐渐空穿，故织物横向可实现中间厚、两边薄的变化，且织物表面并无厚度的梯度变化。

1.2 纵横双向变厚度结构

根据纵向连续变厚度结构设计原则，以图5中左侧虚线框内经纱截面图为基础单元，绘制织物组织纬向截面图，如图6所示，其中有数字标号的为经纱、曲线为纬纱。

图4 经纱分组和垫纱方案

图5 纵横双向变厚度结构穿综方式

图6 8层垫纱纵横双向变厚度三维机织物组织设计

图6中，(a)～(e)采用逐步对称增加以自身接结方式接结的织物层，以此增加织物整体的厚度：随着以自身接结方式接结的织物层数增加，如(a)中仅有2层织物层、(b)中含4层织物层、(c)中含8层织物层、(d)中含12层织物层、(e)中含16层织物层，则三维机织物的整体厚度必然逐渐增加。

图6中，(f)～(l)通过增加单层之间的交织数来进一步增加织物整体厚度：当织物内部均已构成多层自身接结组织后，从中部开始增加单层之间交织的组织结构，形成多层接结纬接结结构；由于相对于自身接结结构而言，多层接结纬接结结构的厚度更高[3]43-44，因此(f)～(l)继续增加织物的整体厚度。

另外，由于上述设计中织物组织的变化均从整体织物的中间开始，结合经向垫纱向两边逐渐留空的穿综方式，在织物表面不会产生厚度的阶梯变化，能够得到纵向接近连续变厚度而横向中间厚、两边薄的目标结构。

综上，纵横双向变厚度三维机织物组织结构的设计，是在合理的经向垫纱分布方案的设计基础上，逐条采用纵向连续变厚度结构的变化原则，最终得到符合设计要求的纵向连续变厚度及横向中间厚、两边薄的目标结构的设计方法。

2 结语

(1) 纵横双向变厚度三维机织物组织结构设计，是在合理的经向垫纱分布方案的设计基础上，逐条采用纵向连续变厚度结构的变化原则，最终得到符合设计要求的纵向连续变厚度及横向中间厚、两边薄的目标结构。

(2) 由综合分析可知，对于经纱循环数为N的基础组织，在综眼层内织造时，考虑到若存在经向垫纱，则每个综眼层内至少含有3N根经纱。如果考虑到垫纱最终也参与织造，则所需的综框页数也为3N。若织造开口条件为X页综框、Y眼综丝，则基础单元内的经纱数M=XY。因此，可将三维织物的一个组织循环内的经纱按上下位置平均分为nY组，其中n∈[1，X/3N]或n∈[X/3N，1]。

[1] BANNISTER M. Challenges for composites into the next millennium—a reinforcement perspective[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2001, 32(7): 901-910.

[2] 王晓亮, 刘志真, 纪双英, 等. 商用航空发动机先进复合材料风扇叶片研究进展[J]. 新材料产业, 2010(11): 36-41.

[3] 王鹏. 变厚度三维机织物的制备与结构分析[D]. 上海: 东华大学, 2012.

[4] 曾文敏. 连续变厚度平面板状三维机织物的研制[D]. 上海: 东华大学, 2015.

[5] 薛进, 李毓陵, 陈旭炜, 等. 多眼综织造的纹板图设计[J]. 产业用纺织品, 2013，31(12): 9-12.

[6] 柳宝琴, 李毓陵, 陈旭炜, 等. 多眼综丝织造的上机图设计[J]. 产业用纺织品, 2015，33(2): 5-11.

Structure design of three-dimensional variable-thickness woven fabric in both length and width direction

GuoJun1,2,MaYanxue1,2,HuJiyong1,2,ZhangRuiyun1,2,LiYuling1,2,HuShoufeng3,ZhangJian3

1. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China；2. Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China；3. AVIC Commercial Aircraft Engine Co., LTD., Shanghai 200241, China

The structure design principles of variable thickness in both length and width direction of three-dimensional woven fabrics were presented. A multi-layer stitching structure was used as a basic structure, and the distribution of warp-wise inlay was properly designed to complete the structure design of three-dimensional variable-thickness woven fabrics in both length and width direction.

warp-wise inlay, multi-layer stitching structure, 3D variable-thickness woven fabric

*上海市科委2012科技创新行动计划项目(12521102100)；上海市自然基金项目 (14ZR1401000)

2015-11-02

郭军，男，1991年生，在读硕士研究生，研究方向为三维机织物的设计与制备

TS105.1

A

1004-7093(2016)06-0008-05