厚胞壁蜂窝织物的织造设计*

2019-11-29裴鹏英邵泽辉3陈嘉勋林子辉陈春梅

产业用纺织品 2019年10期

裴鹏英,2 邵泽辉3 陈嘉勋林子辉陈春梅曾莉

1.广东省测试分析研究所，广东广州 510070；2.汕头市中广测分析中心有限公司，广东汕头 515000；3.广州分析测试中心科力技术开发公司汕头分公司，广东汕头 515000

蜂窝结构由于自身几何结构的特殊性，其复合材料的抗冲击强度及抗弯性能在得到极大提高的同时，质量也显著减小，而这种轻质高强的特性极有利于制备大型轻便结构等对质量比较敏感的部件；蜂窝材料还具有以微结构弹塑性屈曲、塑性破损或脆性断裂为特征的平台变形特性，因此是非常优异的吸能材料[1-3]。

典型的蜂窝结构由一系列尺寸相等的六边形胞元有序排列形成，胞元的结构参数包括壁长(即胞壁长度)、壁厚(即胞壁厚度)、相邻胞壁间夹角(即开口角)等。许多研究表明，胞元的结构参数是影响蜂窝材料的能量吸收性能的关键因素。余同希等[4]分析了面内加载和面外加载条件下蜂窝材料的平台应力，发现蜂窝材料的平台应力值均与壁厚成正比，与壁长成反比。彭蒙等[5]基于虚拟试验法研究了芳纶纸蜂窝表面的树脂涂层厚度对Nomex®蜂窝夹层结构的冲击响应及损伤情况的影响，发现增加树脂涂层厚度可有效提高Nomex®蜂窝夹层结构的抗冲击能力。赵辉等[6]利用有限元法分析了胞元的结构参数对铝蜂窝的吸能特性的影响，发现正六边形蜂窝的平均应力、质量比吸能和体积比吸能均随着壁长减小而增大，随着壁厚增加而提高。齐佳旗等[7]通过半球头式落锤冲击试验平台，研究了低速冲击载荷下铝蜂窝胞元结构参数对蜂窝夹层板的冲击性能的影响，并利用有限元法做对比论证，试验结果和仿真结果均表明，增加蜂窝芯的壁厚可以提高蜂窝夹层板的刚度和抗低速冲击性能。KUMAR等[8]通过改变胞元的结构参数，分析了蜂窝密度对材料的能量吸收和峰值力等多响应特性的影响，发现材料的能量吸收性能的影响因素顺序依次为壁厚、壁长和蜂窝芯高度。

以上研究都充分说明，当胞元的壁长远大于其壁厚时，壁厚较大的蜂窝材料具有更优异的能量吸收性能，但上述试验所采用的铝蜂窝和芳纶纸蜂窝都是采用先经胶结再经热压的方法制成的，构件的整体性都较差，且前者与其他刚性复合材料面板胶结时还存在机械加工要求高、工艺复杂等问题。目前市场上的三维蜂窝结构复合材料，其蜂窝胞元的胞壁都是由单层织物形成的，属单层结构，其厚度非常有限。本文在这类蜂窝结构的基础上，将胞壁设计为三维织物，并成功织造了壁厚较大的蜂窝织物，以期为蜂窝结构复合材料在更多领域的应用提供材料基础，有助于进一步验证理论分析的准确性。

1 设计原理

以常见的胞壁为单层结构的蜂窝织物为例：从织物厚度方向看，蜂窝织物的胞壁由2条接结边(直边)和4条自由边(斜边)构成，其中自由边的结构被称为基础组织，接结边的结构被称为接结组织。当基础组织和接结组织均采用单层组织结构如平纹组织时，蜂窝织物的经向截面如图1所示，其中Ⅰ区和Ⅲ区为非接结区，Ⅱ区和Ⅳ区为接结区。在非接结区，各层织物彼此独立，形成4条斜边；在接结区，相邻2层织物并为1层，形成2条直边。该织物整体表现出三维织物的特征，但仅从局部区域(胞壁)来看，其自由边和接结边都是单层结构。

图1 基础组织和接结组织均为平纹的蜂窝织物经向截面示意

织物厚度的影响因素包括纱线线密度和经纬纱的总层数，因此可通过增加经纬纱层数的方式来增加蜂窝织物的胞壁厚度。通过织物组织结构设计，将胞壁由目前的单层结构[图2(a)]改为层间结构连续的多层结构[图2(b)]，构建壁厚较大的蜂窝织物。

图2 蜂窝织物的壁厚设计

三维机织物一般由经纱、纬纱和接结纱(也称“Z向纱”)交织而成。最简单的三维机织物包括正交组织、角联锁组织和三向交织组织，几乎所有结构复杂的三维机织物都是由这三种组织衍生变化或组合而来的，因此它们可被看作三维机织物的三原组织。由于三向交织组织对织造技术和设备的要求高，故本文采用正交组织和角联锁组织作为基础组织和接结组织。

2 基础组织和接结组织均采用正交组织

正交组织包括整体正交组织和层间正交组织，每种正交组织又可以衍生变化而产生出多种结构。对胞壁为单层结构的蜂窝织物来说，在接结区，2个单层并为1层时，可将接结边设计为2层的正交织物。由于单层织物的组织为平纹，需要2层经纱与1层纬纱参与交织，因此在接结区，4层经纱和2层纬纱构成接结边时，最简单且适用的接结组织是带衬经的整体正交组织。如图3所示，该织物中自由边为单层结构，接结边为2层带衬经的正交结构。

图3 仅接结边为多层正交结构的蜂窝织物的经向截面示意

类似地，当基础组织为2层带衬经的整体正交组织时，接结组织则为4层带衬经的整体正交组织。所设计的胞壁为多层结构的蜂窝织物的经向截面如图4所示，其中，织物组织循环经纱数Rj=16根，组织循环纬纱数Rw=96根。

图4 自由边和接结边均为多层正交结构的蜂窝织物的经向截面示意

从图4可以看出，除完全呈平直状态的衬经(经纱2、3、6、7、10、11、14、15)外，其余经纱均可视为接结经，由于接结次数和接结层数不同，不同接结经的总屈曲程度存在差异，导致不同经纱的张力和织缩率也存在差异。为保证织造过程顺利进行，必须采用多经轴送经工艺。织造所需的纹板图可先根据图4所示的经向截面图绘出组织图，再根据穿综规律转化而得到。

根据图4所示的经向截面示意图，经计算和统计，发现经纱1、16的总屈曲程度相同，经纱2、3、6、7、10、11、14、15的总屈曲程度相同，经纱4、13的总屈曲程度相同，经纱5、12的总屈曲程度相同，经纱8、9的总屈曲程度相同。若所有总屈曲程度相同的经纱被卷绕在同一个经轴上，则需要5个经轴进行供纱。

3 基础组织和接结组织均采用角联锁组织

角联锁组织也包括整体角联锁组织和层间角联锁组织，每种角联锁组织又可衍生变化而产生出多种结构。为使蜂窝织物中非接结区和接结区的结构均匀，也便于复合时树脂的渗透，可适用的角联锁组织为整体角联锁组织。由于整体角联锁组织织物中，经纱层数总是比纬纱层数多1，当基础组织选择纬纱层数为2的整体角联锁组织时，所需要的经纱层数是3，则在接结区共有6层经纱参与交织，因此接结组织被设计为纬纱层数为5的整体角联锁组织。所设计的胞壁为多层结构的蜂窝织物的经向截面如图5所示，其中织物组织循环经纱数Rj=12根，组织循环纬纱数Rw=183根。

根据图5所示的经向截面图，经计算和统计，发现经纱1、2、3、10、11、12的总屈曲程度相同，经纱4、5、6、7、8、9的总屈曲程度相同。若所有总屈曲程度相同的经纱被卷绕在同一个经轴上，则需要2个经轴进行供纱。