三維整體編織技術(shù)

三維整體編織技術(shù)當前第1頁\共有43頁\編于星期一\23點三維編織技術(shù)研究現(xiàn)狀三維纖維預(yù)制體編織工藝三維編織技術(shù)的發(fā)展歷程1主要內(nèi)容23當前第2頁\共有43頁\編于星期一\23點編織的基本概念三維編織技術(shù)的發(fā)展歷程1

沿織物成型方向取向的三根或多根纖維（或紗線）按不同的規(guī)律運動，從而使纖維（或紗線）傾斜交叉，并相互交織在一起，形成織物。當前第3頁\共有43頁\編于星期一\23點當前第4頁\共有43頁\編于星期一\23點

19世紀30年代末，編織物仍被認為是一種手工藝品。

19世紀40年代，W.J.Hamburger在他的文章中首次定義了一些與管狀編織物性能有關(guān)的幾何因素；

50年代，D.Brunnscheiler深入研究了管狀編織物的成型工藝以及幾何結(jié)構(gòu)和拉伸性能；60年代，W.A.Douglass詳細討論了編織技術(shù)及機理，提出了編織物作為復(fù)合材料增強體可以降低異型構(gòu)件的制造成本。

編織物作為工程材料才又一次引起了人們的關(guān)注。前期當前第5頁\共有43頁\編于星期一\23點1969年Bluck提出高速斜織和編織方法。1971年，GeneralElectric的研究人員開發(fā)的“Omniweave”是三維編織技術(shù)的一個新發(fā)展。1973年，德國人Maistre申請了一個專利，開發(fā)了一種編織三維織物的方法。20世紀70年代初，美國通用電氣公司根據(jù)常規(guī)的編織繩原理發(fā)明了萬向編織機;20世紀70年代中期，法國歐洲動力公司也發(fā)明了類似的編織機;中期當前第6頁\共有43頁\編于星期一\23點1982年，F(xiàn)loretine申請了一個專利為“Magnaweave”的機器設(shè)備。同時他提出了21*21由氣動驅(qū)動的方型四步法編織機，由開關(guān)控制行和列的驅(qū)動，紗管直徑為1.5英寸，帶紗不多。20世紀80年代初，美國Gumagna公司發(fā)明了磁編技術(shù)，自此三維編織技術(shù)得到了迅速發(fā)展。1982年，美國大西洋研究公司生產(chǎn)了一個大型四步法三維編織機，攜紗器64*194。1989年，美國北卡羅來納州立大學研制成功了一種全自動連續(xù)喂紗的四步法編織機。生產(chǎn)階段當前第7頁\共有43頁\編于星期一\23點1996年，天津工業(yè)大學（原天津紡織工學院）復(fù)合材料研究所研制成功了目前世界上掛紗根數(shù)最多的一臺由計算機控制的全自動三維編織機，可掛編織紗線2萬根，不動紗2萬根。編織由計算機控制，可編織異型構(gòu)件。當前第8頁\共有43頁\編于星期一\23點美國ALBANY公司的可掛1000紗線的角輪式三維圓形編織機能夠生產(chǎn)相鄰層交織的編織預(yù)制件當前第9頁\共有43頁\編于星期一\23點

Herzog公司設(shè)計了三維實體編織機，由布置的多行和多列方陣中的轉(zhuǎn)子組成，通過增加軸向紗和調(diào)整編織紗來改變織物的幾何形狀，以編織出各種形狀復(fù)雜的預(yù)制件。天津工業(yè)大學復(fù)合材料研究所成功研制了組合式三維編織機，標準化的編織單元通過靈活組合，可滿足不同形狀和尺寸的編織要求。美國3Tex公司也推出組合式角輪式編織機，可以連續(xù)編織截面為T形等的預(yù)制件當前第10頁\共有43頁\編于星期一\23點

三維編織預(yù)型件的制作是三維編織復(fù)合材料制備的基礎(chǔ)，而且預(yù)型件的性能（也包括制作方法和工藝）從根本上決定了所制成的復(fù)合材料的性能。三維編織旋轉(zhuǎn)法編織縱橫步進法編織二步法四步法三維纖維預(yù)制體編織工藝2當前第11頁\共有43頁\編于星期一\23點二步法編織工藝

第一步

第二步編織紗位置編織紗

軸紗二維編織過程紗線運動圖當前第12頁\共有43頁\編于星期一\23點1.軌道盤：機器的主體，裝有編織紗紗錠、驅(qū)動裝置及編織紗運動的軌道。2.紗線安裝系統(tǒng)分為：

⑴編織紗；⑵軸紗。3.成型板或成型環(huán)：起織物成型作用。4.提升機構(gòu)將成型的織物提升移去。二步法編織機的一般構(gòu)成當前第13頁\共有43頁\編于星期一\23點二步法三維編織的特點1.預(yù)制件的整體形狀一次成型2.編織過程中機器運動部件比較少，編織運動規(guī)律相對簡單。3.軸向纖維比率大，可以達到80％。4.可以編織多種異型構(gòu)件。5.根據(jù)不同用途靈活選擇軸紗和編織紗種類和規(guī)格。6.預(yù)制件的幅寬比較窄，適用于橫截面較小的編織。當前第14頁\共有43頁\編于星期一\23點二步法三維編織復(fù)合材料的研究情況1）Popper,P.&McConnel,R,F,USPat.4719837.January1988。1987年，由Popper和McConnel最早提出了二步法三維編織工藝并申請了專利，引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。他們認為二步法是三維編織中運動步數(shù)最少的一種編織形式，比較容易實現(xiàn)自動化，采用二步法三維編織同樣可以編織各種異型件，如圓形、工字型和T字型等制件，并且可以達到軸向增強，使材料軸向性能優(yōu)越。當前第15頁\共有43頁\編于星期一\23點2）1988年，Ko.Soebrto和Lei對于軸紗采用碳纖維，編織紗采用K-49的二步法三維編織預(yù)制件的力學性能進行了測試分析。認為，此種預(yù)制件拉伸模量、強度以及彎曲性能都比較好，適用于一定厚度結(jié)構(gòu)件的編織，可以用于直接承重，這樣把二步法三維編織的應(yīng)用推進了一步。當前第16頁\共有43頁\編于星期一\23點3）W.Li,M.Hammad,&A.El-Shiekh,Structuralanalysisof3-DBraidedPreformsforComposites:partIIThetwo-stepPreforms,J.Text.Inst,1990,81,P515-537.1990年，Li對二步法圓型和方型三維編織均進行了分析，給出了細觀結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的關(guān)系，他認為紗線截面均是圓形的，同時做了大量的試驗以驗證理論分析，建立了用以預(yù)測紗線取向角，編織尺寸和紗線體積含量的預(yù)制件結(jié)構(gòu)模型。當前第17頁\共有43頁\編于星期一\23點4）Du,G.W,PopperP.&Chou,T.W.Analysisof3DTextilePreformsforMulti-directionReinforcementofComposites,J.Mater.Sci,26(1991),3438-48.1996年Du等人給出了二步法方型編織預(yù)制件中的細觀結(jié)構(gòu)，紗線的交織情況。認為內(nèi)部、邊上、角上三個位置的軸紗形狀不同。當前第18頁\共有43頁\編于星期一\23點5）Byun,J.H.,Whitney,T.J.,DU,G.W.&Chou，T.W.AnalyticalCharacterizationoftwo－stepbraidedComposites.J.CompMater.,25(1991)P1599-1618.1991年Byun和Chou等人總結(jié)了二步法三維編織預(yù)制件中影響復(fù)合材料力學性能的纖維束結(jié)構(gòu)。在確定了微觀結(jié)構(gòu)特點同時，提出了一種方法，即根據(jù)貫穿復(fù)合材料橫截面和花節(jié)長度的大單元體進行分析，認為這對于具有比較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料來講是行之有效的。當前第19頁\共有43頁\編于星期一\23點6）Byun,J.H.&Chou，T.W.，Process－MicrostructureRelationshipsof2－stepand4－stepBraidedComposites，CompositeScienceandTechnology，56(1996),235-251.1996年Byun和Chou等人更進一步的研究了二步法三維編織復(fù)合材料的特性，同時與四步法進行了對比分析確定了單元體的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，并通過預(yù)測預(yù)制件加工范圍估計出相應(yīng)的工藝參數(shù)。當前第20頁\共有43頁\編于星期一\23點四步法編織工藝四步法三維編織的分類方型編織：編織出橫截面為矩形或矩形組合的織物圓型編織：編織出橫截面為圓形或圓形組合的織物

當前第21頁\共有43頁\編于星期一\23點四步運動后的攜紗器在機器底盤上的位置如圖當前第22頁\共有43頁\編于星期一\23點四步法編織也稱為行列式編織，其源于Flor-entine在1982年提出的專利方法。編織紗線以行和列的方式排列成一個矩陣，每一根編織紗線由一個攜紗器單獨控制，攜紗器沿行和列作交替運動，形成具有一定尺寸和形狀的整體預(yù)成型體，其編織紗線運動如圖所示當前第23頁\共有43頁\編于星期一\23點三維四向、五向、六向和七向預(yù)制件的細觀紗束交織結(jié)構(gòu)當前第24頁\共有43頁\編于星期一\23點四步法三維編織復(fù)合材料的研究情況1）Ko.F.K.,Three-dimensionalFabricsforComposites---AnIntroductiontotheMagnaweaveStructure,Proc.ICCM-4,JapanSoc.CompositeMaterials,Tokyo,Japan,1982,P1609.Ko.F.K.在該文中引入了“纖維構(gòu)造”術(shù)語，首次定義了代表四步法1*1方型編織預(yù)制件中纖維構(gòu)造的單胞（unitcell）。它是一個立方體具有與預(yù)制件截面相同的取向，長度為一個編織花節(jié)，含有四根主對角線方向的紗線，每根紗線與編織方向的夾角為編織角γ。當前第25頁\共有43頁\編于星期一\23點2）W.Li,M.Hammad,andA.El-Shiekh,StructuralAnalysisof3-DBraidedPreformsforComposites,PartI:Thefour-stepPreforms,J.Text.Inst.,1990,81,P491-514.Li在該文中采用實驗的方法研究了四步法1*1編織預(yù)制件的內(nèi)部紗線結(jié)構(gòu)，并在紗線為伸直的圓形橫截面假設(shè)基礎(chǔ)上，定義了代表性單胞，推導(dǎo)了編織工藝參數(shù)間的關(guān)系。Li定義的單胞在拓撲上不同于Ko所定義的單胞，Li的單胞取向與Ko的單胞關(guān)于編織軸有45o的偏轉(zhuǎn)。同時Li還發(fā)現(xiàn)預(yù)制件表面的紗線結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部的紗線結(jié)構(gòu)。當前第26頁\共有43頁\編于星期一\23點3）Wang,Y.Q.andWang,A.S.D.,OntheTopologicalYarnStructureof3-DRectangularandTubularBraidedPreforms,CompositesScienceandTechnology.1994,51,P575-586.

該文提出了一種描述三維編織預(yù)制件的紗線拓撲結(jié)構(gòu)分析方法，定義了三種不同的單胞模型，內(nèi)部、表面和棱角單胞。內(nèi)部單胞的幾何形狀為一長方體，包含四組相互交織的紗線，紗線結(jié)構(gòu)與Li的結(jié)論一致。表面和角單胞的幾何形狀均為三棱柱體。表面單胞內(nèi)含有兩組相互交織的紗線，角單胞中含有一組平行的編織紗線。當前第27頁\共有43頁\編于星期一\23點4）陳利，三維編織復(fù)合材料的細觀結(jié)構(gòu)及其彈性性能分析，天津紡織工學院博士論文，天津，1998。論文采用實驗和理論分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地分析了三維編織預(yù)制件的細觀結(jié)構(gòu)，定義了內(nèi)部、表面、棱角的單胞模型。在實驗觀察的基礎(chǔ)上建立了橢圓形紗線橫截面的假設(shè)，推導(dǎo)了編織工藝參數(shù)的關(guān)系，考慮了復(fù)合固化和紗線填充因子對預(yù)制件細觀結(jié)構(gòu)的影響當前第28頁\共有43頁\編于星期一\23點5）陳利，李嘉祿、李學明，三維編織中紗線的運動規(guī)律分析，復(fù)合材料學報，2002。采用最小二乘法擬合了編織紗線的運動軌跡，定義了三種單胞：內(nèi)部、表面、棱角單胞。所有單胞的取向與預(yù)制件的取向相同，有利于力學分析。當前第29頁\共有43頁\編于星期一\23點四步法三維編織設(shè)備簡介1，攜紗器：掛編織紗，裝在導(dǎo)軌導(dǎo)槽內(nèi)，可運動。2，導(dǎo)軌：主要部件，上開導(dǎo)槽，中間可掛不動紗

1）相鄰導(dǎo)軌上導(dǎo)槽位置相對時形成攜紗器的一個運動軌道。

2）導(dǎo)軌運動形成另一軌道。3，驅(qū)動裝置：電動或氣動，可計算機控制。4，機器底盤：安裝導(dǎo)軌和驅(qū)動機構(gòu)當前第30頁\共有43頁\編于星期一\23點

編織平面示意圖

（1）移動式軌道

（2）固定式軌道

編織軌道當前第31頁\共有43頁\編于星期一\23點（a）三維異型整體編織底盤軸側(cè)圖（b）三維異型整體編織底盤俯視圖Ⅰ-底盤機架Ⅱ-編織軌道Ⅲ-驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置與定位機構(gòu)三維編織底盤整體結(jié)構(gòu)圖當前第32頁\共有43頁\編于星期一\23點

主要以電機旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動齒輪組運動，從而帶動攜紗器錠子在編織臺面上交錯運動，這種設(shè)備相對較大，只適用于較小尺寸預(yù)制件的編織，但是驅(qū)動方式簡單、運行速度快，能有效降低制件成本。旋轉(zhuǎn)法編織設(shè)備當前第33頁\共有43頁\編于星期一\23點

按照編織臺面區(qū)分，三維編織設(shè)備由包括矩型編織機和圓型編織機當前第34頁\共有43頁\編于星期一\23點

矩型編織臺面以矩型或矩型組合為主，通過編織臺面模塊的組合可以織造工字型、T型、L型等截面形狀的預(yù)制件

臺面以環(huán)型為主，通過編織行列數(shù)改變與不同心?？梢钥椩鞆?fù)雜編織結(jié)構(gòu)當前第35頁\共有43頁\編于星期一\23點編織工藝的對比四步法編織工藝多層聯(lián)鎖編織工藝二步法編織工藝當前第36頁\共有43頁\編于星期一\23點三維編織技術(shù)研究現(xiàn)狀3

2005年，李嘉祿等發(fā)明了一種改進的“四步法”多向編織工藝，該工藝基于對紗線運動軌跡的研究，設(shè)置變化截面的加紗和減紗點，通過并股、移動、再分段的方法實現(xiàn)加紗或者減紗。但這種加紗、減紗工藝中的井股和分股在紗線較細時難以實現(xiàn)，并且減紗點處紗線排布的均勻度也不易控制。凹腰型旋轉(zhuǎn)體預(yù)制件示意圖當前第37頁\共有43頁\編于星期一\23點

2006朱建勛提出了一種對錐體三維編織預(yù)制件的減紗工藝。主要闡述了“四步法”圓形編織的鏈子進行“減列”和“減環(huán)”。但是這種方法沒有對加紗方法進行論述。再者，對其他類型的變截面預(yù)制件的編制也缺乏通用性。

減列前減列后減環(huán)前減環(huán)后當前第38頁\共有43頁\編于星期一\23點2010年俞建勇等在年發(fā)明了一種三維編織加紗和減紗工藝，可以在編織過程中進行至少一次加紗和減紗，可以實現(xiàn)三維預(yù)制件的凈尺寸編織，避免了機械加工對整體力學性能造成的