影响圆环形仿形机织物剪切变形的因素

陈和春

1. 江苏工程职业技术学院纺染工程学院，江苏 南通 226007；2. 江苏省先进纺织工程技术中心，江苏 南通 226007；3. 南通市新型纤维材料重点实验室，江苏 南通 226007



影响圆环形仿形机织物剪切变形的因素

陈和春1,2,3

1. 江苏工程职业技术学院纺染工程学院，江苏 南通 226007；2. 江苏省先进纺织工程技术中心，江苏 南通 226007；3. 南通市新型纤维材料重点实验室，江苏 南通 226007

在普通织机上织造圆环形仿形机织物，采用的不是圆柱形卷取辊，而是圆锥台形的异形辊。由于卷取辊母线上各点距离卷取辊中心轴线的距离不同，导致各点的线速度不同，使经纱在卷取时速度有差异；并且织口与卷取起始线间有一定距离，使织物纬向产生了剪切变形。通过选择不同在机织造参数，计算织物的剪切变形角和仿形织物设计尺寸与最后结果间的差异。结果表明：在圆环形仿形织物织造过程中，织口与卷取辊上的织物卷取起始线距离越大，织物产生的剪切变形越大，仿形织物下机消除剪切变形后形成的圆环尺寸与设计尺寸间的偏差越大；圆锥台形卷取辊的底部角越小，所织制仿形织物的剪切变形越大，形成的圆环尺寸与设计尺寸间的偏差也越大。

仿形机织物，剪切变形，剪切角，消除剪切

在回转结构的树脂基复合材料生产中，常使用高性能纤维制成的二维、三维织物作增强材料，一般分为二维平面织物和三维立体织物两大类。常用的制造方法有五种：纤维缠绕法、二维平面织物剪贴法、立体织造(编织)法、平面织造法和仿形织造法。仿形织造法加工的织物在复合材料内纤维的连续性、材料整体性能的均匀性等方面要优于其他几种方法。

仿形织造技术[1]是根据复合材料制品的几何形状，在普通织机上进行部分机构的改进来生产单层仿形机织物的技术[2]。仿形织造技术所生产的织物一般都是以回转体外形来设计织物，织制的织物以经纬纱不等长[3]为特点，具有空间曲面结构，应用时只需将织物进行多层卷绕即可获得所设计的回转体形的复合材料制品形状[4]。在圆环形仿形织物的织造过程中，采用的是非圆柱形的异形卷取辊，导致最后的成品与设计之间存在很大的差异。本文在文献[5]的基础上，进一步探讨不同的在机织造参数对仿形织物剪切变形的影响。

1 仿形织物在机剪切模型及公式

圆环形仿形机织物是在普通织机上将原圆柱形卷取辊改成圆锥台形卷取辊进行织造的。圆锥台形卷取辊在卷取时，其母线上的各点线速度不同，越靠近直径大端卷取线速度越大，越靠近直径小端卷取线速度越小。并且在织造过程中，织物的织口与卷取起始线存在一定的距离，从而导致了圆环形仿形织物在织造过程中经纬纱发生剪切变形现象[1-2]，如图1、图2所示。

图1 圆环形仿形织物在机剪切变形示意图

图2 仿形织物平面展开示意图

在图1、图2中，β为圆锥台的底部角，R为圆锥台底部圆半径(45 mm)，r1为顶部圆半径，r2为仿形织物卷绕后在卷取辊上部织物边缘形成的圆的半径，θ为仿形织物的纬向剪切变形角，γ为纬向变形所对应的中心圆角。

根据织物在机的剪切变形，建立剪切变形模型，并推导出剪切变形方程组[5]，如式(1)所示。

(1)

式中，L为仿形织物的织口到卷取起始线的距离，L≥R，0<β<π/2。

2 织造参数对仿形织物尺寸的影响

2.1 设定织口到卷取起始线距离L=R

将参数L=R=45 mm，β=π/4，r1=15 mm，代入式(1)求解得[6]：

(2)

γ为0.66，求得其所对应的织物在机纬向剪切角θ为29.67°。

织物下机后，必须将纬向剪切变形消除，即使得织物中的纬纱与经纱成90°角。其过程如图3所示。

图3 仿形织物消除剪切变形前后示意图

在织造过程中，纬向发生剪切变形形成剪切角θ，如图3所示。下机后将纬向剪切变形通过向上逆向旋转矫正方法消除，纬向剪切变形消除前后的几何结构图如图4所示。消除剪切变形后卷绕的形状将由AEFD变为AGHD，形成的圆锥台底部角为β1。利用式(2)结果，计算得出在L=R条件下β1为60.65°。

图4 仿形织物剪切角消除前后几何结构示意图

2.2 设定织口到卷取起始线距离L=3R/2

将参数L=3R/2=67.5 mm，β=π/4，r1=15mm代入式(1)，求解得：

(3)

求得该参数条件下织物的纬向剪切角θ为37.48°， 所织的圆环形仿形织物卷绕形成的圆锥台的底部角β1为66.38°。将此仿形织物展开后形成圆环的外径为2.50R。

2.3 设定织口到卷取起始线距离L=2R

将参数L=2R=90 mm，β=π/4，r1=15 mm代入式(1)，求解得：

(4)

求得该参数条件下织物的纬向剪切角θ为46.00°， 所织的圆环形仿形织物卷绕形成的圆锥台的底部角β1为72.71°。将此仿形织物展开后形成圆环的外径为3.36R。

2.4 设定圆锥台形卷取辊底部角β=π/3

将参数 L=R=45mm，β=π/3，r1=15 mm代入式(1)，求解得：

(5)

求得该参数条件下织物的纬向剪切角θ为23.51°， 所织的圆环形仿形织物卷绕形成的圆锥台的底部角β1为66.53°，形成的圆环外径为2.51R。

3 结论

将各参数条件下所对应的仿形机织物剪切变形及仿形织物形成的圆环与设计尺寸的差异汇总如表1所示。

表1 参数条件与圆环形仿形织物剪切变形的关系

由表1可知：

(1) 当织口到卷取起始线距离L=R时，圆环形仿形织物在机发生纬向剪切角θ为29.67°， 消除剪切变形后仿形织物形成的圆环外径D2与设计的圆环外径D1的比值为1.45；当织口到卷取起始线距离L增大至3R/2和2R时，仿形织物在机的剪切角θ分别为37.48°和46.00°，D2/D1分别为1.77和2.38。 表明在仿形织物的织造过程中，织口到卷取起始线距离L是影响织物纬向剪切变形的一个非常重要的因素，织口至卷取起始线距离越大，织物的纬向剪切变形越明显，消除剪切变形后的圆环形仿形织物尺寸与设计尺寸之间的偏差越大。

(2) 卷取辊的几何结构也是影响织物剪切变形的一个重要因素。在L=R条件下，选取底部角β=π/4和β=π/3两种圆锥台卷取辊，织物在机发生的纬向剪切角分别为29.67°和23.51°，D2/D1分别为1.45和1.25。表明圆锥台卷取辊的底部角越小，用其所织的仿形织物发生的纬向剪切变形就越大，消除剪切变形后的圆环形仿形织物尺寸与设计尺寸之间的偏差也越大。

[1] 郭兴峰, 李济群. 一种机织物的织造方法: CN02129080. 6[P].2005-03-12.

[2] 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.

[3] 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，2005，22(4)：18-20.

[4] CHEN H C, GUO X F. Weave structures effect on the shear deformation of annular shaped woven fabrics[J]. Advanced Materials Research, 2011, 331： 198-201.

[5] 陈和春，陈桂香. 圆环形仿形机织物的剪切变形[J]. 纺织学报，2013，34(4): 53-57.

[6] 卓金武，李必文，魏永生, 等. MATLAB在数学建模中的应用 [M]. 2版. 北京：北京航空航天大学出版社, 2014：60-71.

Factors affecting the shearing deformation of annular shaped woven fabrics

ChenHechun1, 2, 3

1. School of Textile and Dyeing, Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 226007, China;2. Jiangsu Advanced Textile Engineering Technology Center, Nantong 226007, China;3. Nantong New Fiber Materials Key Laboratory, Nantong 226007, China

The shaped fabrics were woven on ordinary looms with truncated conical shaped rollers, instead of cylindrical rollers. Due to the different distance of each point on generatrix of the take-up roller from the central axis of the take-up roller, the linear speed of each point was different, which made each warp drawn at different speeds. And the distance from cloth-fell to the initial taking-up line led to the shearing deformation. The fabric shearing deformation angle was calculated and the size difference between final annular woven fabric and design fabric was studied by selecting different weaving parameters. The results showed that the greater the distance from the cloth-fell to the initial taking-up line was, the greater the shearing angle of weft yarn in the shaped woven fabric, and the bigger the difference between the final size of the shaped fabric and design fabric. The smaller the bottom angle of truncated conical shaped roller, the bigger the shearing deformation, and the bigger the difference between the final size of the shaped fabric and design fabric.

shaped woven fabric, shearing deformation, shearing angle, shearing elimination

2015-06-05

陈和春，男，1979年生，讲师，研究方向为编织、仿形机织物及功能纺织材料

TS101.1

A

1004-7093(2016)04-0017-03