三維立體織物織造技術(shù).ppt

1、第四章 四步法三維編織,第一節(jié) 四步法三維編織的基本原理 一、四步法三維編織的基本概念 攜紗器按照行和列的形式分布在編織機(jī)底盤上，并在X和Y方向上運(yùn)動。預(yù)制件成型于Z方向。在一個(gè)機(jī)器循環(huán)中，攜紗器運(yùn)動分四步，且每步運(yùn)動相鄰一個(gè)位置。 第一步，相鄰行中的攜紗器沿X方向交替移動一個(gè)位置。 第二步，相鄰列中的攜紗器沿Y方向交替移動一個(gè)位置。 第三步和第四步，攜紗器的運(yùn)動方向分別與第一步和第二步的相反。 經(jīng)過攜紗器四步的運(yùn)動，攜紗器在機(jī)器底盤上的排列恢復(fù)到初始位置，完成一個(gè)機(jī)器循環(huán)。在一個(gè)機(jī)器循環(huán)中獲得的預(yù)制件長度定義為花節(jié)長度，用h標(biāo)識。重復(fù)上述編織步驟并輔以相應(yīng)的“打緊”工序使紗線相互交織在一起形

2、成最終結(jié)構(gòu)。,第1步,第3步,第2步,第4步,二、四步法三維編織的成型原理,1，四步法三維編織的分類 1.1 方型編織： 編織出橫截面為矩形或矩形組合的織物 1.2 園型編織： 編織出橫截面為園形或園形組合的織物,2，方型編織 2.1 編織紗在機(jī)器底盤上的排列形式 1）主體紗-行列方陣 2）邊紗-間隔排列于主體紗周圍 2.2 編織步驟 第1步：（列運(yùn)動）相鄰列上的攜紗器沿相反方向運(yùn)動 第2步：（行運(yùn)動）相鄰行上的攜紗器沿相反方向運(yùn)動 第3步：（列運(yùn)動）與第一步運(yùn)動的方向相反 第4步：（行運(yùn)動）與第二步運(yùn)動的方向相反,2.3編織紗線的交織 1）攜紗器對偶性交換位置 2）舉例編織紗線a連續(xù)通過厚度

3、方向 3）邊紗b從主體運(yùn)動到邊紗位置，停動一步后返回主體紗內(nèi)部 4）紗線沿4個(gè)傾斜方向運(yùn)動,2.4命名以主體行和列根數(shù)命名，例如m*n預(yù)制件 2.5四步法方型編織形式根據(jù)邊紗的多少和軸向紗加入與否，可分為多類：1*1，1*2，2*2，1*1*1/2F等等第1個(gè)數(shù)表示每一行向上邊紗的根數(shù)或行運(yùn)動的攜紗器位置數(shù)第2個(gè)數(shù)表示每一列向上邊紗的根數(shù)或列運(yùn)動的攜紗器位置數(shù)第3個(gè)數(shù)表示所加不動軸紗與編織紗的比例，加入F后為五向結(jié)構(gòu),3，園型編織 3.1編織紗線在機(jī)器底盤上的排列形式 1）編織紗線按圓周和徑向排列構(gòu)成主體部分 2）主體紗內(nèi)外間隔排列邊紗 *周向排列紗線數(shù)為偶數(shù) *邊紗排列使每一徑向列的紗線根數(shù)

4、相同,3.2編織步驟 第1步：相鄰徑向的攜紗器沿徑向做相反方向運(yùn)動 第2步：相鄰周向的攜紗器沿周向做相反方向運(yùn)動 第3步：與第1步運(yùn)動的方向相反 第4步：與第2步運(yùn)動的方向相反 *機(jī)器運(yùn)動過程中，邊紗在機(jī)器周向運(yùn)動時(shí)保持不動。,3.3編織紗線的交織 四步運(yùn)動后的攜紗器在機(jī)器底盤上的位置如圖,實(shí)線相連的攜紗器在第2步后交換位置，虛線相連的攜紗器在第4步后交換位置。（對偶性交換） 紗線A連續(xù)通過織物的厚度方向，且相互交織。 紗線B從主體紗運(yùn)動到邊紗位置，停動一步后又返回主體紗內(nèi)部。 編織紗線沿四個(gè)方向運(yùn)動。,3.4命名 *園型編織中，處于同一直徑圓周上的紗線稱為一“層”。層數(shù)用m表示，每層的紗線根

5、數(shù)用n表示。 織物表示為m*n園型編織物（預(yù)制件） 3.5四步法園型編織形式 與方型類似，1*1，1*2，2*2，1*1*1/2F等 1*1為基本形式。 較常用的編織形式為1*1*1F，1*1*1/2F等五向交織結(jié)構(gòu)。,三、四步法三維編織設(shè)備簡介 以四步法方型編織機(jī)為例： 四部分：1，攜紗器：掛編織紗，裝在導(dǎo)軌導(dǎo)槽內(nèi)，可運(yùn)動。 2，導(dǎo)軌 ：主要部件，上開導(dǎo)槽，間可掛不動紗 1）相鄰導(dǎo)軌上導(dǎo)槽位置相對時(shí)形成攜紗器的一個(gè)運(yùn) 動軌道。 2）導(dǎo)軌運(yùn)動形成另一軌道。 3，驅(qū)動裝置：電動或氣動，可計(jì)算機(jī)控制。 4，機(jī)器底盤：安裝導(dǎo)軌和驅(qū)動機(jī)構(gòu),四步法三維編織的特點(diǎn),1，基本的1*1形式使每根紗線都通過織物

6、的長、寬、厚方向，從而使紗線相交形成不分層的三維整體結(jié)構(gòu)?？椢镏?，所有紗線的取向均與織物成型方向有一定夾角。 2，基本的1*1織物是三維四向結(jié)構(gòu)。在基本形式中加入不動紗線系統(tǒng)，該系統(tǒng)紗線平行或垂直于織物成型方向，編織過程保持不動，形成三維五向結(jié)構(gòu)或六向、七向結(jié)構(gòu)。,3，適應(yīng)于多種異型構(gòu)件的整體成型。例如工字、L字等。 4，不適合編織尺寸較大的預(yù)制件，由于機(jī)器設(shè)備限制。,第二節(jié) 四步法方型編織工藝分析 一 、簡介 1， Ko. F. K., Three-dimensional Fabrics for Composites-An Introduction to the Magnaweave Str

7、ucture, Proc. ICCM-4, Japan Soc. Composite Materials, 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（unit cell）。它是一個(gè)立方體具有與預(yù)制件截面相同的取向，長度為一個(gè)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。,2，W. Li, M. Hammad, and A. El-Shiekh, Structural Analysis of 3-D Braided Preforms for Compo

8、sites, Part I: The four-step Preforms, 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45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)。,3，Wang, Y. Q. and Wang, A. S. D., On the Topological Yarn Structure of

9、 3-D Rectangular and Tubular Braided Preforms, Composites Science and Technology. 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。,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

10、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預(yù)制件細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。 5， 陳利，李嘉祿、李學(xué)明，三維編織中紗線的運(yùn)動規(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。,二、為了分析四步法三維方型編織預(yù)制件的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，建立以下假設(shè)： 1， 編織紗線具有相同的幾何特性。 2， 編織過程穩(wěn)定，編織結(jié)構(gòu)均勻，至少在一定長度內(nèi)如

11、此。 3， 編織紗線具有相同的紗線填充因子。 假設(shè)2基本符合事實(shí)。假設(shè)1,3有一定的局限性，限制了不同紗線的混雜編織(hybrid)。,三、攜紗器在機(jī)器底盤上的運(yùn)動軌跡 1）攜紗器在機(jī)器底盤上沿一定的軌跡運(yùn)動，每一條運(yùn)動軌跡都包含了一組攜紗器，并決定了它們的位置，這特別有助于有若干不同類型紗線組成的混雜編織。 2）編織過程中，四步完成一個(gè)機(jī)器循環(huán)，運(yùn)動軌跡相同的攜紗器在機(jī)器底盤上的排列相差一個(gè)機(jī)器循環(huán)運(yùn)動間距。在同一時(shí)間，它們在同一軌跡的不同位置開始運(yùn)動。 3）攜紗器經(jīng)過若干機(jī)器循環(huán)后都回到原來的位置，對于m*n方型編織，攜紗器的個(gè)數(shù)Nr（紗線根數(shù)）: Nr=m+n+mn=(m+1)(n+1)

12、-1 攜紗器組數(shù)Gr:Gr=mn/m和n的最小公倍數(shù) 每一組攜紗器的個(gè)數(shù) ：Zr=Nr/Gr,四、編織紗線運(yùn)動軌跡的水平投影 攜紗器對編織紗線的運(yùn)動起到導(dǎo)向作用，紗線的實(shí)際軌跡在兩條平行線之間。所以： 1，內(nèi)部區(qū)域：為兩組不同方向傾斜的平行軌跡，相鄰軌跡編織紗的運(yùn)動方向相反。 定義：編織紗線的水平取向角-內(nèi)部編織紗在水平面內(nèi)的投影與制件厚度方向的夾角。1*1方型理想狀態(tài)下此角為45度。 2，表面區(qū)域：編織紗線的運(yùn)動共有兩個(gè)方向，且相鄰紗線的運(yùn)動方向相反。,五、編織紗線的交織結(jié)構(gòu)和單胞模型,1 控制單元的選取 相鄰行列攜紗器運(yùn)動方向相反，相間攜紗器運(yùn)動規(guī)律相同，選取2行2列為研究對象，表面相對內(nèi)

13、部單元控制。 2 花節(jié)長度定義 一個(gè)編織機(jī)器循環(huán)編織的預(yù)制件長度 3 內(nèi)部單胞 4 表面單胞 5 棱角單胞,五、編織紗線的交織結(jié)構(gòu)和單胞模型 1 內(nèi)部交織結(jié)構(gòu)-內(nèi)部單胞模型,五、編織紗線的交織結(jié)構(gòu)和單胞模型 1 內(nèi)部交織結(jié)構(gòu)-內(nèi)部單胞模型,五、編織紗線的交織結(jié)構(gòu)和單胞模型 1 內(nèi)部交織結(jié)構(gòu)-內(nèi)部單胞模型,Wi=d/cos Ti=d/sin Tg=(Wi*4)/(2sin*h) =4d/(h*sin2),五、編織紗線的交織結(jié)構(gòu)和單胞模型 與織物厚度方向夾角為45的剖面情況,1,具有相同水平運(yùn)動軌跡的紗線，構(gòu)成各自的紗線層，各紗層中編織紗線保持伸直且相互平行； 2，兩組平行疊放的紗線層相互傾斜填充在一起構(gòu)成織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，每組平行疊放的紗線層的相鄰紗層內(nèi)編織紗線的取向角關(guān)于編織成型方向?qū)ΨQ； 3，編織物內(nèi)部共有四種取向的編織紗線。,五、編織紗線的交織結(jié)構(gòu)和單胞模型 2,交織結(jié)構(gòu)-表面單胞模型,五、編織紗線的交織結(jié)構(gòu)和單胞模型