三维整体编织技术.pptx

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三维整体编织技术,主要内容：

第一章综述

（2）第二章二维编织

（2）第三章二步法三维编织（4）第四章四步法三维编织（6）第五章三维整体异型编织（4）,课时安排：

讲课1213次实习56次其它23次教学参考书：

1，FrankK.Ko.Three-DimensionalFabricsforComposites.TextileStructuralComposites,Elsevier19892，肖长发编著.纤维复合材料纤维、基体、力学性能.北京：

中国石化出版社，1995年8月.3，陈利.三维编织复合材料的细观结构及其弹性性能分析.天津纺织工学院博士研究生论文，1998年9月.4，道德锟,吴以心,李兴国编著.立体机织物与复合材料.上海:

中国纺织大学出版社,1998年8月,其它参考：

1，先进复合材料制造技术，化工出版社，2004.5美2，先进复合材料手册，机械工业出版社，赵渠森主编3，聚合物基复合材料手册，化工出版社，陈祥宝主编4，期刊复合材料学报compositescienceandtechnologycomposites纺织学报等,第一章综述,1，概述2，编织的基本概念沿织物成型方向取向的三根或多根纤维（或纱线）按不同的规律运动，从而使纤维（或纱线）倾斜交叉，并相互交织在一起，形成织物。

3，概念要点纺织，倾斜，区别于针织，区别于机织，幅宽，厚度，异型4，编织的分类维数，形式，循环步骤，成型长度5，编织过程织前准备-编织-成型-提升,编织技术的发展和应用至19世纪30年代末，编织物仍被认为是一种手工艺品。

最早将编织物看作一种工程结构材料是在19世纪40年代，W.J.Hamburger在他的文章中首次定义了一些与管状编织物性能有关的几何因素；50年代，D.Brunnscheiler深入研究了管状编织物的成型工艺以及几何结构和拉伸性能；60年代，W.A.Douglass详细讨论了编织技术及机理，提出了编织物作为复合材料增强体可以降低异型构件的制造成本。

编织物作为工程材料才又一次引起了人们的关注。

A,传统的三维编织是在二维编织技术上发展起来的角轮驱动的工艺。

包括三组纱线分布在矩形排列的角轮上。

角轮的运动使三组纱线分别按各自的轨道运动。

B,1969年Bluck提出高速斜织和编织方法。

1971年，GeneralElectric的研究人员开发的“Omniweave”是三维编织技术的一个新发展。

这两种方法的编织机理不同于传统的编织技术，采用不连续的排和列的运动取代了角轮连续运动，出现了四步法三维编织的雏形。

1973年，德国人Maistre申请了一个专利，开发了一种编织三维织物的方法，被认为是第一台全自动的三维编织机，可形成4*2的编织物。

1982年，Floretine申请了一个专利为“Magnaweave”的机器设备，使四步法三维编织得到了彻底的完善。

同时他提出了21*21由气动驱动的方型四步法编织机，由开关控制行和列的驱动，纱管直径为1.5英寸，带纱不多。

随后，美国大西洋研究公司生产了一个大型四步法三维编织机，携纱器64*194。

编织的形式为四步法1*1编织，基本为定长编织。

1989年，北卡州立大学研制成功了一种全自动连续喂纱的四步法编织机，它的携纱器数量比较少，但是是全自动连续喂纱，这是一个很重要的进展。

美国ALBANY公司的可挂1000纱线的圆型三维编织机,天津工业大学的方型三维编织机可以挂2万根编织纱和2万根轴纱,1996年，天津工业大学（原天津纺织工学院）复合材料研究所研制成功了目前世界上挂纱根数最多的一台由计算机控制的全自动三维编织机，可挂编织纱线2万根，不动纱2万根。

编织由计算机控制，可编织异型构件。

第二章二维编织,一、概念：

通过编织的方法织造出二维织物的技术。

主要应用于编织各种空心绳、管等园型织物。

基本编织形式：

编织纱分两组，同时参与编织运动。

两组纱运动方向相反，从而在平面内相互交织，形成织物。

织物中编织纱与成型方向夹角，一般不为0度和90度，这种为二维两向编织。

若加入平行于织物成型方向的纱线，并此纱线在编织过程中保持不动，则为二维三向编织。

二维编织物,二、二维编织机的构成,分为立式和卧式两种，主要包括三部分：

1，输入机构（传动机构）：

完成动力传动-齿轮。

2，编织机构：

-8字花盘。

3，卷绕机构：

卷绕速度直接影响产品质量。

二维编织机,立式编织机,卧式编织机,三、编织过程,1，在每个莲花齿轮适当位置安装好纱锭，有多少“8”字就有多少“对”纱锭。

2，将每个纱锭上的纱线引到卷绕处。

3，机器运动：

莲花齿轮带动纱锭走“8”字，卷绕机构卷绕。

四、纱线交织,1，钻石编织（1/1编织）：

每个“8”字上两个纱锭（平均一个齿轮一个）。

纱线交织形式：

2，规则编织（2/2编织）：

平均每个莲花齿轮有两个纱锭。

纱线交织形式：

五、工艺参数计算,已知：

纱线名义宽度d；管状编织物内径D；纱线单位长度重量g；求：

1，编织纱线根数n：

假设编织物表面100%被纱线覆盖。

一个倾角方向的纱线n/2=D/f=Dcos/d,n=2Dcos/d,2，单位长度编织物重量w单位长度1中纱线长1/cos，重量g/cos，所以w=ng/cos,d,编织角：

设提升速度v；纱管围绕底盘的转速为N；纱线在模具上每分钟绕N圈，一圈的提升距离v/N;横向长度D:

tg=DN/v若纱线在模具上绕一圈又回到原来位置的距离t，tg=D/t,第三章二步法三维编织,一、定义：

二步法三维编织包含两个纱线系统，一个纱线系统为编织纱，另一个纱线系统是轴纱。

在编织过程中，轴纱保持不动，编织纱按一定的规律运动，相互交织，并把轴纱捆绑起来，从而形成了一个不分层的三维整体结构。

在编织过程中纱线在机器上的排列形式经过两个机器运动步骤又恢复到初始状态，即二个机器运动步骤为一个循环，故称作二步法三维编织。

分类：

方型编织和圆形编织。

图1.276二步法方型三维编织简图,（a）第一步,第二步,编织纱位置,编织纱,轴纱,二.二步法编织机的一般构成,轨道盘：

机器的主体，装有编织纱纱锭、驱动装置及编织纱运动的轨道。

纱线安装系统分为：

编织纱；轴纱。

成型板或成型环：

起织物成型作用。

提升机构将成型的织物提升,移去。

图1二步法编织机示意图,三.二步法三维编织的过程及注意事项,按预制件横截面形状和尺寸在机器底盘上排列轴纱，轴纱沿织物成型方向排列，并在编织过程中基本保持不动。

编织纱排列在所有轴纱外围的适当位置。

将轴纱和编织纱从机器底盘集中提升到机构上，调整张力开始编织。

编织机按照一定规律运动把轴纱捆绑起来，形成织物，即编织纱沿与45倾斜轨道运动。

提升机构随时把织物移出成型区。

四.二步法三维编织的特点,预制件的整体形状一次成型，避免了材料的后加工给纤维带来的损伤，简化了复合材料的加工工艺。

编织过程中机器运动部件比较少，编织运动规律相对简单。

轴向纤维比率大，可以达到80，材料沿轴向的力学性能比较突出，是轴向承重载荷构件的首选材料。

下一页,四.二步法三维编织的特点,可以编织多种异型构件。

如工字型、L型。

根据不同用途灵活选择轴纱和编织纱种类和规格。

由于预制件的横截面尺寸受到编织机器规格的限制，所以预制件的幅宽比较窄，适用于横截面较小的编织。

上一页,五.二步法三维编织复合材料的研究情况,1.Popper,P.&McConnel,R,F,USPat.4719837.January1988。

1987年，由Popper和McConnel最早提出了二步法三维编织工艺并申请了专利，引起业内人士的关注。

他们认为二步法是三维编织中运动不见最少的一种编织形式，比较容易实现自动化，采用二步法三维编织同样可以编织各种异型件，如圆形、工字型和T字型等制件，并且可以达到轴向增强，使材料轴向性能优越。

下一页,五.二步法三维编织复合材料的研究情况,2.1988年，Ko.Soebrto和Lei对于轴纱采用碳纤维，编织纱采用K-49的二步法三维编织预制件的力学性能进行了测试分析。

认为，此种预制件拉伸模量、强度以及弯曲性能都比较好，适用于一定厚度结构件的编织，可以用于直接承重，这样把二步法三维编织的应用推进了一步。

下一页,五.二步法三维编织复合材料的研究情况,3.W.Li,M.Hammad,&A.El-Shiekh,Structuralanalysisof3-DBraidedPreformsforComposites:

partIIThetwo-stepPreforms,J.Text.Inst,1990,81,P515-537.1990年，Li对二步法圆型和方型三维编织均进行了分析，给出了细观结构及工艺参数的关系，他认为纱线截面均是圆形的，同时做了大量的试验以验证理论分析，建立了用以预测纱线取向角，编织尺寸和纱线体积含量的预制件结下一构页模型。

五.二步法三维编织复合材料的研究情况,4.Du,G.W,PopperP.&Chou,T.W.Analysisof3DTextilePreformsforMulti-directionReinforcementofComposites,J.Mater.Sci,26（1991）,3438-48.1996年Du等人给出了二步法方型编织预制件中的细观结构，纱线的交织情况。

认为，内部、边上、角上三个位置的轴纱形状不同。

下一页,五.二步法三维编织复合材料的研究情况,5.Byun,J.H.,Whitney,T.J.,DU,G.W.&Chou，T.W.AnalyticalCharacterizationoftwostepbraidedComposites.J.CompMater.,25（1991）P1599-1618.1991年Byun和Chou等人总结了二步法三维编织预制件中影响复合材料力学性能的纤维束结构。

在确定了微观结构特点同时，提出了一种方法，即根据贯穿复合材料横截面和花节长度的大单元体进行分析，认为这对于具有比较复杂结构的编织复合材料来讲是行之有效的。

下一页,五.二步法三维编织复合材料的研究情况,6.Byun,J.H.&Chou，T.W.，ProcessMicrostructureRelationshipsof2stepand4stepBraidedComposites，CompositeScienceandTechnology，56（1996）,235-251.1996年Byun和Chou等人更进一步的研究了二步法三维编织复合材料的特性，同时与四步法进行了对比分析确定了单元体的结构和工艺参数，并通过预测预制件加工范围估计出相应的工艺参数。

第二节细观结构观测,细观是介于微观（micro-）和宏观（macro-）之间的一种状态。

1，表面观测：

（1）同一根轴纱上，编织纱倾斜角度,大小相等，方向相同。

相邻轴纱上，编织角方向相反，大小不一定相等。

相隔轴纱上，编织角方向相同，大小不一定相等。

一步运动后，编织纹路在表面形成一条斜线，试片越窄，倾斜角越大。

花节长度、比花节长度和表面编织角的概念,h,a,n14,形成上述现象的主要原因是角的影响：

tg=L/0.5h从中间到边部L逐渐减小，角也逐渐减小。

角越小编织纱轴向张力越大编织纱下移量大形成表面编织角减小。

织物紧花节长度短斜线平。

制件宽度增加，厚度减小角相等纱线根数多斜线平。

1，纱线形态观测,轴纱基本是四棱柱状，横截面积变化，挤压处小，纤维排列紧密，轴线平行制件轴向；编织纱呈扁带状，截面近似椭圆，长短轴之比在9-11。

包绕形态与表面相似，角度不同，转向作用形成对轴纱的捆绑和挤压。

2，横截面观测,m*n=17*10,轴纱截面菱形编织纱斜截面理想状态45度时，轴纱截面正方形,A,C,D,B,3，与复合材料表面成45度的纵截面,A，轴纱伸直，每两根相邻轴纱之间有编织纱通过。

B，编织纱在切开平面的截面是平行四边形的扁带状，在与切开面相垂直的截面是近似椭圆。

C，三维五向结构:

包括轴纱，切断的编织纱两个方向，被剖开的两个编织纱。

第三节细观结构与工艺参数,1，代表性体积单元（Representativevolumeelement）,轴纱排列和编织纱运动轨迹的水平投影,由上图，严格讲，宽度和厚度上的纱线结构不具有平移不变性，因此截面上不存在单胞；从轴向讲，具有周期性的几何结构，两步形成一个循环。

大单胞：

横截面为复合材料横截面，高为h:

A,C,D,B,亚单胞：

跨及整个厚度，忽略角上,高度0.5h,亚单胞：

跨及整个厚度，忽略角上,2,1,1,2,跨及整个复合材料厚度方向的亚单胞模型,预制件,复合材料,子单胞：

WA,h,TA,y,x,z,WB,h,TB,y,x,z,s,复合材料内部子单胞模型,y,z,x,WC,TC,h,y,z,x,h,TD,WD,Sn,复合材料边上子单胞C和角上子单胞摸型D,2,工艺参数推导

（1）编织角，内部编织角，表面编织角编织角：

编织纱与预制件成型方向的向下方向所夹的角度。

内部编织角：

在预制件内部编织纱与轴纱向下方向所形成的夹角，记做。

表面编织角：

在预制件表面编织纱与轴纱向下方向所形成的夹角，记做。

可测量。

1,0,（Sa+0.5b）,轴纱,LC,1,y,z,x,2,L1,L2,L3,

（2）平均内部编织角内部编织角是二步法三维编织复合材料内部编织结构的一个重要参数，也是研究其力学性能时要考虑的重要参数。

内部编织角主要与节距长度以及编织纱在复合材料横截面上的投影长度直接相关。

复合材料中的节距长度保持相等，所以，内部编织角只取决于编织纱在横截面上的投影长度。

二步法方型三维编织的运动规律可以知道：

一步编织运动之后，不同位置上的编织纱在复合材料横截面上形成的投影长度不完全相同，因此，不同位置编织纱的内部编织角不尽相同。

同理，对于同一根编织纱来讲，两步编织运动所形成的内部编织角也不一定相等。

因此，在具有均匀结构的复合材料中内部编织角应该是一个平均值。

一般地，编织工艺稳定的情况下，节距长度基本上保持稳定。

（m+n）根编织纱一步的平均内部编织角（）可以按下式来求得。

从平均内部编织角的计算公式明显看出，平均内部编织角与节距长度成反比关系。

当复合材料外形尺寸CwCT保持一定时，平均内部编织角随节距长度的增加而成减小趋势。

从公式中并不能导出平均内部编织角与轴纱与编织纱线密度之比（a/b）的显式关系，但通过改变a/b的取值，根据上述计算公式得到平均内部编织角随轴纱与编织纱线密度之比的增加而有所减小。

3，编织工艺设计步骤,二步法三维编织复合材料的编织工艺设计主要是设计编织满足结构参数条件的预制件时所需的轴纱排列（m,n）以及用纱长度。

一般情况下，给定复合材料的外形尺寸CwCTCH、所用纱线（轴纱和编织纱）的种类和规格a、b、a、b，编织角以及体积含量。

取纱线填充因子和轴纱横截面的水平角的初始值，有条件的情况下，最好直接测量得到，而不用假设平均值，（kfa=kfb=0.75和=45deg.）。

计算纱线截面尺寸（Sa、Sn、a、b）。

初步计算轴纱排列数（m,n），对m,n进行不同程度的取整计算，一般m只取奇数。

先给定一节距长度，计算平均内部编织角。

计算轴纱受编织纱捆绑挤压而产生变形后轴纱的纱线填充因子和表面编织角。

重复步骤

（2）、（3）和（4），直到m和n不变。

m和n即为所需的轴纱排数和列数。

计算编织纱下线长度Lb：

其中，L0是加工余量。

第三节二步法圆型编织,圆型编织可以编织截面为圆环状的预制件，例如管、锥套等。

编织纱编织纱位置,第三节二步法圆型编织,1.编织纱运动规律轴纱按圆圈排列（同心圆，不同直径）。

每一周称为一层，以m表示，有几层m即为几（这与方型编织所定义的排不同）；两相邻层的纱线交错排列，每一层的轴纱数为n一般情况m取奇数，n取偶数，并以轴纱的层数和每层的轴纱根数定义圆型编织物，记为：

mn。

图1为510圆型编织。

编织纱排列在轴纱内部或外部，间隔排列，图1中“”为编织纱线。

图1,第三节二步法圆型编织,编织方法：

第一步：

编织纱沿一方向倾斜的轨道，穿过轴纱，相邻两个轨道上的编织纱运动方向相反，如图1中从。

第一步完成后，所有的位置上有编织纱。

第二步：

编织纱沿一方向倾斜的轨道，穿过轴纱，相邻两个轨道上的编织纱运动方向相反，如图1中从。

经过两个步骤后，所有的位置上又是编织纱。

图1,第三节二步法圆型编织,2.纱线根数计算对于mn圆型编织物轴纱：

N轴mn,（m为奇数）,编织纱：

N编n（n为偶数）形状因子：

编织纱根数/轴纱根数n/nm=1/m1,第三节二步法圆型编织,编织纱线从最外层经过一个编织循环（两步）后又回到最外层，在周向移动了（m+1）个纱线位置。

某编织纱线从最外层某点出发又回到原来位置称为一个大期，在一个大周期内编织纱经过（m+1）和n的最小公倍的周向纱线位置，从而在一个大周期内共有下列数目编织循环数：

可以看出一个编织循环对应一根编织纱线，所以上式也是每组编织纱线内的纱线根数，共有n根编织纱线所以两步法管状编织纱线的组数G为：

排列为510，编织纱线分为两组，每组5根,第四章四步法三维编织,第一节四步法三维编织的基本原理,一、四步法三维编织的基本概念图1给出了四步法方型11编织工艺的基本概念。

携纱器按照行和列的形式分布在编织机底盘上，并在X和Y方向上运动。

预制件成型于Z方向。

在一个机器循环中，携纱器运动分四步，且每步运动相邻一个位置。

第一步，相邻行中的携纱器沿X方向交替移动一个位置。

第二步，相邻列中的携纱器沿Y方向交替移动一个位置。

第三步和第四步，携纱器的运动方向分别与第一步和第二步的相反。

经过携纱器四步的运动，携纱器在机器底盘上的排列恢复到初始位置，完成一个机器循环。

在一个机器循环中获得的预制件长度定义为花节长度，用h标识。

重复上述编织步骤并辅以相应的“打紧”工序使纱线相互交织在一起形成最终结构。

第1步,第3步,第2步,第4步,二、四步法三维编织的成型原理,1，四步法三维编织的分类,1.1方型编织：

编织出横截面为矩形或矩形组合的织物,1.2园型编织：

编织出横截面为园形或园形组合的织物,2，方型编织,编织纱在机器底盘上的排列形式主体纱-行列方阵边纱-间隔排列于主体纱周围编织步骤第1步-第2步-第3步-第4步,2.3编织纱线的交织,携纱器对偶性交换位置举例编织纱线a连续通过厚度方向边纱b从主体运动到边纱位置，停动一步后返回主体纱内部纱线沿4个倾斜方向运动,2.4命名,以行和列命名，例如m*n预制件2.5四步法方型编织形式根据边纱的多少和轴向纱加入与否，可分为多类：

1*1，1*2，2*2，1*1*1/2F等等第1个数表示每一行向上边纱的根数或行运动的携纱器位置数第2个数表示每一列向上边纱的根数或列运动的携纱器位置数第3个数表示所加不动轴纱与编织纱的比例，加入F后为五向结构,3、园型编织3.1编织纱线在机器底盘上的排列形式1）编织纱线按圆周和径向排列构成主体部分2）主体纱内外间隔排列边纱*周向排列纱线数为偶数*边纱排列使每一径向列的纱线根数相同,3.2编织步骤第1步：

相邻径向的携纱器沿径向做相反方向运动第2步：

相邻周向的携纱器沿周向做相反方向运动第3步：

与第1步运动的方向相反第4步：

与第2步运动的方向相反*机器运动过程中，边纱在机器周向运动时保持不动。

3.3编织纱线的交织四步运动后的携纱器在机器底盘上的位置如图,实线相连的携纱器在第2步后交换位置，虚线相连的携纱器在第4步后交换位置。

（对偶性交换）纱线A连续通过织物的厚度方向，且相互交织。

纱线B从主体纱运动到边纱位置，停动一步后又返回主体纱内部。

编织纱线沿四个方向运动。

3.4命名,*园型编织中，处于同一直径圆周上的纱线称为一“层”。

层数用m表示，每层的纱线根数用n表示。

织物表示为m*n园型编织物（预制件）3.5四步法园型编织形式与方型类似，1*1，1*2，2*2，1*1*1/2F等1*1为基本形式。

较常用的编织形式为1*1*1F，1*1*1/2F等五向交织结构。

三、四步法三维编织设备简介,以四步法方型编织机为例：

四部分：

1，携纱器：

挂编织纱，装在导轨导槽内，可运动。

2，导轨：

主要部件，上开导槽，间可挂不动纱1）相邻导轨上导槽位置相对时形成携纱器的一个运动轨道。

2）导轨运动形成另一轨道。

3，驱动装置：

电动或气动，可计算机控制。

4，机器底盘：

安装导轨和驱动机构,四，四步法三维编织的特点,1，基本的1*1形式使每根纱线都通过织物的长、宽、厚方向，从而使纱线相交形成不分层的三维整体结构。

织物中，所有纱线的取向均与织物成型方向有一定夹角。

2，基本的1*1织物是三维四向结构。

在基本形式中加入不动纱线系统，该系统纱线平行于织物成型方向，编织过程保持不动，形成三维五向结构。

3，适应于多种异型构件的整体成型。

例如工字、L字等。

4，有多种变化形式，适应不同需要。

5，不适合编织尺寸较大的预制件，由于机器设备限制。

第二节四步法方型编织工艺分析一、简介1，Ko.F.K.,Three-dimensionalFabricsforComposites-AnIntroductiontotheMagnaweaveStructure,Proc.ICCM-4,JapanSoc.CompositeMaterials,Tokyo,Japan,1982,P1609.Ko.F.K.在该文中引入了“纤维构造”术语，首次定义了代表四步法1*1方型编织预制件中纤维构造的单胞（unitcell）。

它是一个立方体具有与预制件截面相同的取向，长度为一个编织花节，含有四根主对角线方向的纱线，每根纱线与编织方向的夹角为编织角。

2，W.Li,M.Hammad,andA.El-Shiekh,StructuralAnalysisof3-DBraidedPreformsforComposites,PartI:

Thefour-stepPreforms,J.Text.Inst.,1990,81,P491-514.Li在该文中采用实验的方法研究了四步法1*1编织预制件的内部纱线结构，并在纱线为伸直的圆形横截面假设基础上，定义了代表性单胞，推导了编织工艺参数间的关系。

Li定义的单胞在拓扑上不同于Ko所定义的单胞，Li的单胞取向与Ko的单胞关于编织轴有45的偏转。

同时Li还发现预制件表面的纱线结构不同于内部的纱线结构。

3，Wang,Y.Q.andWang,A.S.D.,OntheTopologicalYarnStructureof3-DRectangularandTubularBraidedPreforms,CompositesScienceandTechnology.1994,51,P575-586.该文提出了一种描述三维编织预制件的纱线拓扑结构分析方法，定义了三种不同的单胞模型，内部、表面和棱角单胞。

内部单胞的几何形状为一长方体，包含四组相互交织的纱线，纱线结构与Li的结论一致。

表面和角单胞的几何形状均为三棱柱体。

表面单胞内含有两组相互交织的纱线，角单胞中含有一组平行的编织纱线。

4，陈利，三维编织复合材料的细观结构及其弹性性能分析，天津纺织工学院博士论文，天津，1998。

论文采用实验和理论分析相结合的方法，系统地分析了三维编织预制件的细观结构，定义了内部、表面、棱角的单胞模型。

在实验观察的基础上建立了椭圆形纱线横截面的假设，推导了编织工艺参数的关系，考虑了复合固化和纱线填充因子对预制件细观结构的影响。

5，陈利，李嘉禄、李学明，三维编织中纱线的运动规律分析，复合材料学报，2002。

采用最小二乘法拟合了编织纱线的运动轨迹，定义了三种单胞：

内部、表面、棱角单胞。

所有单胞