三維整體編織技術(shù)

三維整體編織技術(shù)當(dāng)前第1頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(dāng)前第2頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，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(dāng)前第3頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)當(dāng)前第4頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

19世紀(jì)30年代末，編織物仍被認(rèn)為是一種手工藝品。

19世紀(jì)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(xì)討論了編織技術(shù)及機(jī)理，提出了編織物作為復(fù)合材料增強(qiáng)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(dāng)前第5頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)1969年Bluck提出高速斜織和編織方法。1971年，GeneralElectric的研究人員開(kāi)發(fā)的“Omniweave”是三維編織技術(shù)的一個(gè)新發(fā)展。1973年，德國(guó)人Maistre申請(qǐng)了一個(gè)專(zhuān)利，開(kāi)發(fā)了一種編織三維織物的方法。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)通用電氣公司根據(jù)常規(guī)的編織繩原理發(fā)明了萬(wàn)向編織機(jī);20世紀(jì)70年代中期，法國(guó)歐洲動(dòng)力公司也發(fā)明了類(lèi)似的編織機(jī);中期當(dāng)前第6頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)1982年，F(xiàn)loretine申請(qǐng)了一個(gè)專(zhuān)利為“Magnaweave”的機(jī)器設(shè)備。同時(shí)他提出了21*21由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方型四步法編織機(jī)，由開(kāi)關(guān)控制行和列的驅(qū)動(dòng)，紗管直徑為1.5英寸，帶紗不多。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)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(guó)大西洋研究公司生產(chǎn)了一個(gè)大型四步法三維編織機(jī)，攜紗器64*194。1989年，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研制成功了一種全自動(dòng)連續(xù)喂紗的四步法編織機(jī)。生產(chǎn)階段當(dāng)前第7頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)1996年，天津工業(yè)大學(xué)（原天津紡織工學(xué)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(tái)由計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)三維編織機(jī)，可掛編織紗線2萬(wàn)根，不動(dòng)紗2萬(wàn)根。編織由計(jì)算機(jī)控制，可編織異型構(gòu)件。當(dāng)前第8頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)美國(guó)ALBANY公司的可掛1000紗線的角輪式三維圓形編織機(jī)能夠生產(chǎn)相鄰層交織的編織預(yù)制件當(dāng)前第9頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

Herzog公司設(shè)計(jì)了三維實(shí)體編織機(jī)，由布置的多行和多列方陣中的轉(zhuǎn)子組成，通過(guò)增加軸向紗和調(diào)整編織紗來(lái)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(xué)復(fù)合材料研究所成功研制了組合式三維編織機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)化的編織單元通過(guò)靈活組合，可滿足不同形狀和尺寸的編織要求。美國(guó)3Tex公司也推出組合式角輪式編織機(jī)，可以連續(xù)編織截面為T(mén)形等的預(yù)制件當(dāng)前第10頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

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(jìn)法編織二步法四步法三維纖維預(yù)制體編織工藝2當(dāng)前第11頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(guò)程紗線運(yùn)動(dòng)圖當(dāng)前第12頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)1.軌道盤(pán)：機(jī)器的主體，裝有編織紗紗錠、驅(qū)動(dòng)裝置及編織紗運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)將成型的織物提升移去。二步法編織機(jī)的一般構(gòu)成當(dāng)前第13頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)二步法三維編織的特點(diǎn)1.預(yù)制件的整體形狀一次成型2.編織過(guò)程中機(jī)器運(yùn)動(dòng)部件比較少，編織運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)簡(jiǎn)單。3.軸向纖維比率大，可以達(dá)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(lèi)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(dāng)前第14頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(qǐng)了專(zhuān)利，引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。他們認(rèn)為二步法是三維編織中運(yùn)動(dòng)步數(shù)最少的一種編織形式，比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dá)到軸向增強(qiáng)，使材料軸向性能優(yōu)越。當(dāng)前第15頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)2）1988年，Ko.Soebrto和Lei對(duì)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(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試分析。認(rèn)為，此種預(yù)制件拉伸模量、強(qiáng)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(jìn)了一步。當(dāng)前第16頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)3）W.Li,M.Hammad,&A.El-Shiekh,Structuralanalysisof3-DBraidedPreformsforComposites:partIIThetwo-stepPreforms,J.Text.Inst,1990,81,P515-537.1990年，Li對(duì)二步法圓型和方型三維編織均進(jìn)行了分析，給出了細(xì)觀結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的關(guān)系，他認(rèn)為紗線截面均是圓形的，同時(shí)做了大量的試驗(yàn)以驗(yàn)證理論分析，建立了用以預(yù)測(cè)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(dāng)前第17頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(xì)觀結(jié)構(gòu)，紗線的交織情況。認(rèn)為內(nèi)部、邊上、角上三個(gè)位置的軸紗形狀不同。當(dāng)前第18頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(xué)性能的纖維束結(jié)構(gòu)。在確定了微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同時(shí)，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(zhǎng)度的大單元體進(jìn)行分析，認(rèn)為這對(duì)于具有比較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的編織復(fù)合材料來(lái)講是行之有效的。當(dāng)前第19頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(jìn)一步的研究了二步法三維編織復(fù)合材料的特性，同時(shí)與四步法進(jìn)行了對(duì)比分析確定了單元體的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，并通過(guò)預(yù)測(cè)預(yù)制件加工范圍估計(jì)出相應(yīng)的工藝參數(shù)。當(dāng)前第20頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)四步法編織工藝四步法三維編織的分類(lèi)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(dāng)前第21頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)四步運(yùn)動(dòng)后的攜紗器在機(jī)器底盤(pán)上的位置如圖當(dāng)前第22頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)四步法編織也稱(chēng)為行列式編織，其源于Flor-entine在1982年提出的專(zhuān)利方法。編織紗線以行和列的方式排列成一個(gè)矩陣，每一根編織紗線由一個(gè)攜紗器單獨(dú)控制，攜紗器沿行和列作交替運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)如圖所示當(dāng)前第23頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)三維四向、五向、六向和七向預(yù)制件的細(xì)觀紗束交織結(jié)構(gòu)當(dāng)前第24頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(yǔ)，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(gè)立方體具有與預(yù)制件截面相同的取向，長(zhǎng)度為一個(gè)編織花節(jié)，含有四根主對(duì)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(dāng)前第25頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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?fù)渖喜煌贙o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(shí)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(dāng)前第26頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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?fù)浣Y(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(zhǎng)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(dāng)前第27頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)4）陳利，三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其彈性性能分析，天津紡織工學(xué)院博士論文，天津，1998。論文采用實(shí)驗(yàn)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(xì)觀結(jié)構(gòu)，定義了內(nèi)部、表面、棱角的單胞模型。在實(shí)驗(yàn)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(duì)預(yù)制件細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響當(dāng)前第28頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)5）陳利，李嘉祿、李學(xué)明，三維編織中紗線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2002。采用最小二乘法擬合了編織紗線的運(yùn)動(dòng)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(xué)分析。當(dāng)前第29頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)四步法三維編織設(shè)備簡(jiǎn)介1，攜紗器：掛編織紗，裝在導(dǎo)軌導(dǎo)槽內(nèi)，可運(yùn)動(dòng)。2，導(dǎo)軌：主要部件，上開(kāi)導(dǎo)槽，中間可掛不動(dòng)紗

1）相鄰導(dǎo)軌上導(dǎo)槽位置相對(duì)時(shí)形成攜紗器的一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌道。

2）導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)形成另一軌道。3，驅(qū)動(dòng)裝置：電動(dòng)或氣動(dòng)，可計(jì)算機(jī)控制。4，機(jī)器底盤(pán)：安裝導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)前第30頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

編織平面示意圖

（1）移動(dòng)式軌道

（2）固定式軌道

編織軌道當(dāng)前第31頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)（a）三維異型整體編織底盤(pán)軸側(cè)圖（b）三維異型整體編織底盤(pán)俯視圖Ⅰ-底盤(pán)機(jī)架Ⅱ-編織軌道Ⅲ-驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置與定位機(jī)構(gòu)三維編織底盤(pán)整體結(jié)構(gòu)圖當(dāng)前第32頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

主要以電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪組運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)攜紗器錠子在編織臺(tái)面上交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這種設(shè)備相對(duì)較大，只適用于較小尺寸預(yù)制件的編織，但是驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快，能有效降低制件成本。旋轉(zhuǎn)法編織設(shè)備當(dāng)前第33頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

按照編織臺(tái)面區(qū)分，三維編織設(shè)備由包括矩型編織機(jī)和圓型編織機(jī)當(dāng)前第34頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

矩型編織臺(tái)面以矩型或矩型組合為主，通過(guò)編織臺(tái)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(tái)面以環(huán)型為主，通過(guò)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(dāng)前第35頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)編織工藝的對(duì)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(dāng)前第36頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(jìn)的“四步法”多向編織工藝，該工藝基于對(duì)紗線運(yùn)動(dòng)軌跡的研究，設(shè)置變化截面的加紗和減紗點(diǎn)，通過(guò)并股、移動(dòng)、再分段的方法實(shí)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(xì)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，并且減紗點(diǎn)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(dāng)前第37頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)

2006朱建勛提出了一種對(duì)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(jìn)行“減列”和“減環(huán)”。但是這種方法沒(méi)有對(duì)加紗方法進(jìn)行論述。再者，對(duì)其他類(lèi)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(dāng)前第38頁(yè)\共有43頁(yè)\編于星期一\23點(diǎn)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(guò)程中進(jìn)行至少一次加紗和減紗，可以實(shí)現(xiàn)三維預(yù)制件的凈尺寸編織，避免了機(jī)械加工對(duì)整體力學(xué)性能造成的