新型圆轨道法的经纱上机设计*

宫庆双 胡吉永 马颜雪 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



新型圆轨道法的经纱上机设计*

宫庆双1,2胡吉永1,2马颜雪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

圆轨道法是三维筒状织物的新型成型方法。分析三维机织物的三种基本组织在构成三维筒状机织物时的特点，并以一种多层接结组织为例，详细介绍采用圆轨道法进行织造时不同的经纱上机方式，分析其各自的特点，以丰富和完善新型织造方法的应用。

圆轨道法，三维筒状织物，多层接结组织，经纱上机

三维纺织复合材料以三维纺织预型件为增强相。该预型件赋予复合材料极佳的层间剪切强度、极好的抗冲击损伤性、适宜的韧性，以及较高的比强度和比模量。同时，复合材料还具有轻质高强、耐腐蚀、抗高温等优点，在航空航天、国防军工、交通运输、汽车工业、船舶制造、能源等众多领域都有广泛的应用[1]。

筒状结构件是一种应用广泛的基本构件，随着轻质高强复合材料的不断发展，三维筒状织物已成为重要的研究方向。三维筒状织物的成型方法有多种，杨婷婷[2]提出的新型圆轨道法如图1所示，采用周向开口、径向引纬和轴向打纬的方式进行连续性织造，可实现产品的规模化生产。

1～3—轨道 4—经纱 5—引纬装置 6—织物

1 三维组织分析

三维筒状织物是指外形轮廓为圆筒状、内部为中空、具有一定壁厚的复杂多层三维织物，也可称为无缝管状织物。其组织属于三维机织组织，基本组织主要有三种[3]：正交组织、角联锁组织和多层接结组织。但在织造三维筒状织物时，由于开口方式和引纬方式的不同，以及纱线数量的差异，特别是纱线的取向变化(即经纱上机方式)，从而显著影响织造的过程和最终的织物结构。因此，首先需对三种基本组织在圆轨道法织造条件下的特点进行分析。

1.1 正交组织

正交组织由三个系统的纱线呈正交状态配置而组成一个整体[4]。在圆轨道法中，三个系统的纱线恰好分别对应轴向纱、径向纱和周向纱(图2)。因此，无论哪个系统的纱线用于哪个方向，三维筒状织物的总体结构和织造过程都是一样的。

(a) 正交组织 (b) 三维圆筒结构

(c) 圆筒单元结构

1.2 角联锁组织

角联锁组织[5]由2～4个纱线系统构成，即纬纱系统、经纱(接结经纱)系统、衬经系统和衬纬系统，前两个系统是构成三维角联锁结构必不可少的，而后两个系统是可选择的。在圆轨道法中，利用图3(a)所示的结构织制三维筒状织物，两个系统可分别对应轴向纱或周向纱。而哪个系统对应轴向纱、哪个系统对应周向纱，即轴向纱(经纱)的上机方式不同，三维筒状织物的结构和织造过程显然是不同的，如图3(b)、(c)所示。

(a) 结构示意

(b) 三维筒状结构1

(c) 三维筒状结构2

1.3 多层接结组织

多层接结组织由两个系统纱线交织而成，沿织物厚度方向，纱线交织在一起，即一般概念的“层”之间是连接在一起的，因此提高了织物“层”之间的抗剪切能力[6-7]。图4所示是一种基础组织为平纹组织的接结线整体接结三层组织。

(a) 结构示意

(b) 三维筒状结构1

(c) 三维筒状结构2

利用图4(a)所示的结构织制三维筒状织物，也会遇到与角联锁组织相同的问题，即不同的经纱上机方法会导致最终的织物结构和织造过程不同。

2 经纱上机方式

经纱上机是织造过程中必备的工序，结合圆轨道法中经纱竖直向下并沿圆轨道分布的特点，以图4(a)所示的结构为例，对不同的经纱上机方式做详细分析。

2.1 上机方式1

将图4(a)所示的结构中的A、B、C、D、E和F作为经纱进行上机，得到图4(b)所示的三维筒状结构，可以看出：沿直径方向，都是3根经纱构成一排，每两排经纱构成一个经纱循环，因此需要3层轨道，相当于每层织物1层轨道；而沿圆周方向，显然需要8根纱线才能形成完整的单元结构。但由于所织的是圆筒结构，为保证结构的连续性，在经纱总排数和所需的圆周引纬纱线数上，需要做特别的考虑[8]。

(1) 如果引纬纱线根数为1，则基础组织的纬向飞数是常数的单层管状织物的总经纱数Mj为：

Mj=RjZ±Sw

(1)

式中：Rj表示基础组织的经纱循环数；Z表示基础组织的循环个数；Sw表示基础组织的纬向飞数。

此条件下，一根纱线必须依次走完一个组织循环的所有纬纱，每一纬有不同的经纱开口。

若按照图4(b)所示的筒状结构进行经纱上机，由于图4(a)所示是一种三层接结组织结构，且每层的组织及接结组织的Rw都为2。因此，如果引纬纱线根数为4，则图4(a)所示结构的织物的总经根数M为：

M=(RjZ±Sw)N

(2)

式中：N表示轨道层数，此处为3。

此时，4根引纬纱线必须依次走完对应循环中的2根纬纱，每根引纬纱线对应2种经纱开口，共有8种不同的经纱开口。显然，手工织造时容易出现开口差错，但纬纱之间不容易弄混。

(2) 如果引纬纱线根数为基础组织的纬纱循环数Rw，则单层管状织物的总经纱数为：

Mj=RjZ

(3)

此条件下，Rw根纱线同时进行引纬，每根纱线各自的经纱开口保持不变。

同样，若按照图4(b)所示的筒状结构进行经纱上机，如果引纬纱线根数为8，则三维多层筒状织物的总经根数为：

M=RjZN

(4)

此时，8根引纬纱线分别对应8种不同的经纱开口，每根引纬纱线对应的经纱开口保持不变。显然，手工织造时不容易出现开口差错，但容易发生纬纱弄混问题。

由此可见：

1) 在本经纱上机方式下，织出的三维多层筒状织物的轴向纱少、周向纱多。轴向纱少，意味着所需的轨道层数少，有利于在不增加设备复杂程度的条件下，织出厚度比较厚且径向力学性能较好的三维多层筒状织物；周向纱多，意味着织造效率会比较低。

2) 在本经纱上机方式下，引纬纱线数不同，总经根数的计算方法也不同。引纬纱线根数少，手工织造时容易出现开口差错，但纬纱之间不容易弄混；引纬纱线根数多，手工织造时不容易出现开口差错，但容易发生纬纱弄混问题。

2.2 上机方式2

将图4(a)所示结构中的1、2、3、4、5、6、7和8作为经纱进行上机，所得三维筒状结构如图4(c)所示，可以看出：沿直径方向，8根经纱构成一排，每一排经纱构成一个经纱循环，因此需要8层轨道；而沿圆周方向，6或3根引纬纱线都可以采用，会遇到与上机方式1类似的问题，但总经根数均为：

M=RjZ

(5)

显然，与上机方式1对比，在本上机方式下，轴向纱多、周向纱少。轴向纱多，需要的轨道层数多，不利于织出厚度比较厚的三维多层筒状织物；周向纱少，织造效率高，手工操作时不容易出差错，但三维筒状织物的径向力学性能不高。

3 总结

(1) 采用圆轨道法，三种基本组织的三维筒状机织物都能够织造出来。

(2) 对于一种多层接结组织，有两种经纱上机方式。在上机方式1下，轴向纱少、周向纱多：轴向纱少，所需轨道层数少，有利于织出厚度更厚的三维筒状机织物；周向纱多，有利于得到径向力学性能更好的三维筒状机织物，但织造效率低，手工操作时容易出差错。在上机方式2下，轴向纱多、周向纱少：轴向纱多，所需轨道层数多，不利于织出厚度更厚的三维筒状机织物；周向纱少，织造效率高，但三维筒状机织物的径向力学性能不高。

(3) 采用任何一种经纱上机方式，周向纱的引纬纱线数不同，总经根数的计算方法也有所不同；引纬纱线数少，手工操作时纱线不容易弄混，但引纬过程容易出现开口错误；引纬纱线数多，手工操作时纱线容易弄混，但引纬过程不容易出现开口错误。

[1] 车剑飞，黄洁雯，杨娟．复合材料及其工程应用[M]．北京：机械工业出版社，2006：138-195．

[2] 杨婷婷．三维筒状织物的织造技术研究[D]．上海：东华大学，2015．

[3] 王美红．三维机织预型件的织造技术[J]．产业用纺织品，2013，31(4)：1-9．

[4] 郭兴峰．三维正交机织物结构的研究[D]．天津：天津工业大学，2003．

[5] 蔡陛霞．织物结构与设计[M]．北京：中国纺织出版社，2008：10-19．

[6] HUANG Gu， ZHONG Zhili. Tensile behavior of 3D woven composites by using different fabric structures[J]．Materials and Design， 2002,23(7)：671-674．

[7] 刘亚芳，杨旭红．多层接结三维机织物的结构设计和织造工艺探讨[J]．国外丝绸，2009(3)：38-40．

[8] 白燕．管状织物新设计方法[J]．上海纺织科技，2004，32(3)：28-29．

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Warp looming design of the new circular orbit weaving method

GongQingshuang1,2，HuJiyong1,2，MaYanxue1,2，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

Circular orbit weaving method is a new shaping-method to weave three-dimensional (3D) woven tubular fabrics. The characteristics of three basic 3D woven fabric weaves in forming 3D tubular fabrics were analyzed, and taking a multi-layer stitching weave as an example, different warp looming ways and their respective characteristics when using the circular orbit weaving method were described, to enrich and improve the application of the new weaving method.

circular orbit weaving method， three-dimensional tubular fabric， multi-layer stitching structure， warp looming

*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)

2015-11-05

宫庆双，男，1989年生，在读硕士研究生，研究方向为三维圆筒形机织物的设计与制备

TS105.1

A

1004-7093(2016)06-0013-04