三维斜交角联锁织物结构的快速设计

单晶晶， 唐予远， 马 菲， 许 鹤， 靳雯雯

(中原工学院， 郑州 450007)

三维斜交角联锁织物结构的快速设计

单晶晶， 唐予远， 马 菲， 许 鹤， 靳雯雯

(中原工学院， 郑州 450007)

阐述了三维斜交角联锁织物的特点，通过对其组织结构进行分析，找出三维斜交角联锁织物组织中经纬纱交织所遵循的规律，从而得出经纬纱循环的计算方法。最后通过CAD绘图，使上述设计过程得到简化。

角联锁；经纱循环；纬纱循环；快速设计

近年来，随着社会发展，纺织复合材料的应用不断拓展，被广泛应用于汽车、飞机、航天器等领域[1]。人们对起增强作用的纺织品的研究也不断深入，从零维、一维、二维发展到现在的三维。与二维纺织复合材料相比，三维纺织复合材料比强度高、比模量大、特殊力学耦合性好[2-3]。三维织物组织结构有多种形式，大部分三维组织必须在专用织机上进行织造，而多重纬角联锁织物结构可以直接在普通织机上进行制织，因此许多专家学者对多重纬角联锁织物组织结构进行了研究[4-7]。杨小侠[4]论述了正则角联锁结构和空口角联锁结构三维组织织物的上机要点；顾平[5]得出了多重纬角联锁织物结构经纬纱之间的关系 ；易洪雷等[6]给出了三维斜交角联锁织物在不同经向断面上的纱线几何结构。然而，目前人们对三维斜交角联锁结构变化规律还没有统一的认识。

本文对三维斜交角联锁织物结构进行了分析，阐述了三维斜交角联锁织物结构的特征，发现了其经纬纱交织所遵循的规律，进而得到了任意n层m层斜交角联锁织物结构的设计方法。运用CAD绘图，进一步简化了任意三维斜交角联锁织物结构的设计，使三维纺织复合材料预成型件的设计更加快捷方便，为三维纺织复合材料的研究提供了一定的理论依据。

1 三维斜交角联锁织物结构特征与设计

三维斜交角联锁织物结构中，经纱在不同层纬纱间从左至右逐层斜交(斜交过程中不出现跨越层斜交的现象)，到一定层数后改变交织方向，形成织物，如图1所示。

图1中曲线表示经纱，圆表示纬纱，本文所有织物结构图均作此规定。图1(a)为5层2层斜交角联锁织物结构；图1(b)为5层3层斜交角联锁织物结构；图1(c)为5层4层斜交角联锁织物结构；图1(d)为5层5层斜交角联锁织物结构；图1(e)为3层2层斜交角联锁织物结构；图1(f)为4层2层斜交角联锁织物结构。图1(a)中共有5层纬纱，其经纱逐层斜交最多连接2层纬纱(如经纱(1))；图1(b)中共有5层纬纱，其经纱逐层斜交，最多连接3层纬纱(如经纱(2))；图1(c)、图1(d)也均符合此特点。由此可知：n层m层斜交角联锁织物结构(m≤n)共有n层纬纱，其经纱逐层斜交，最多连接m层纬纱。

为便于对织物结构图进行分析，现对图1中的几个名词进行说明：

(1)拐点，是指经纱在与纬纱交织的过程中改变交织方向的点，如图1(a)、图1(b)中所示。

(2)扇形包围，是指经纱在与纬纱交织的过程中形成扇形织口，包围纬纱，即该织口对纬纱呈扇形包围，如图1(b)所示。

(3)圆角包围，是指经纱在与纬纱交织的过程中形成圆角织口，包围纬纱，即该织口对纬纱呈圆角包围，如图1(b)所示。

(a) 5层2层斜交角联锁织物结构 (b) 5层3层斜交角联锁织物结构

(c) 5层4层斜交角联锁织物结构 (d) 5层5层斜交角联锁织物结构

(e) 3层2层斜交角联锁织物结构 (f) 4层2层斜交角联锁织物结构

图1 三维斜交角联锁织物结构

(4)菱形包围，是指经纱在与纬纱交织的过程中形成菱形织口，包围纬纱，即该织口对纬纱呈菱形包围，如图1(b)所示。

对图1(a)-图1(d)4种斜交角联锁织物结构进行分析发现，在图1(a)所示的斜交角联锁织物结构的一个组织循环中，共有纬纱5层2×2列，且所有经纱从左至右在与不同层纬纱进行斜交的过程中，拐点除了出现在第1层纬纱的上方和第5层纬纱的下方以外，还均出现在第2列和第2×2列纬纱的上下方；图1(b)所示的斜交角联锁织物结构的一个组织循环中，共有纬纱5层3×2列，同上，拐点除了出现在第1层纬纱的上方和第5层纬纱的下方以外，还均出现在第3列和第3×2列纬纱的上下方；图1(c)和图1(d)所示的斜交角联锁织物结构的一个组织循环中拐点也均符合此种规律。由此可得出规律一：在n层m层斜交角联锁织物结构的一个组织循环中，共有纬纱n层2m列，所有经纱从左至右在与不同层纬纱进行斜交的过程中，除了在第1层纬纱的上方和第n层纬纱的下方出现拐点以外，在第m列和第2m列纬纱的上下方也均出现经纱的拐点，且其纬纱循环Rw=2mn。

对图1(a)-图1(f)6种斜交角联锁织物结构进行分析发现，5层2层斜交角联锁织物结构(图1(a))的一个组织循环中，共有经纱2×4+2=10根，即经纱循环Rj=10；同理，5层3层斜交角联锁织物结构(图1(b))、5层4层斜交角联锁织物结构(图1(c))与5层5层斜交角联锁织物结构(图1(d))的经纱循环Rj=2×4+2=10；3层2层斜交角联锁织物结构(图1(e))的一个组织循环中，共有经纱2×2+2=6根，即经纱循环Rj=6； 4层2层斜交角联锁织物结构(图1(f))的一个组织循环中，共有经纱2×3+2=8根，即经纱循环Rj=8。由此可得到规律二：在n层m层斜交角联锁织物结构的一个组织循环中，共有经纱2×(n-1)+2=2n根，即n层m层斜交角联锁织物结构的经纱循环Rj与m无关，与n呈正比例关系，Rj=2n。

根据规律一、规律二即可设计出任意n层m层斜交角联锁织物结构。

在利用CAD绘图的过程中，发现结合CAD，可以更加简便快捷地设计出任意n层m层斜交角联锁织物结构。

2 三维斜交角联锁织物结构图绘制方法

根据斜交角联锁织物结构的特点以及所遵循的规律一、规律二，分析n层m层斜交角联锁织物结构图中的一个组织循环(经纱循环Rj为2n，纬纱循环Rw为2mn)，发现第m列和第2m列中的纬纱上下方被经纱呈圆角包围；第1层中的纬纱(除了第m列和第2m列中被经纱呈圆角包围的纬纱之外)被经纱呈圆弧朝上的扇形包围；第n层中的纬纱(除了第m列和第2m列中被经纱呈圆角包围的纬纱之外)被经纱呈圆弧朝下的扇形包围；其余纬纱均被经纱呈菱形包围。

以6层3层斜交角联锁织物结构为例，结合CAD软件，快速设计其织物结构图的具体方法如下：

(1) 计算Rj、Rw。Rj=2n=12，Rw=2mn=36。

(2) 绘制纬纱循环。根据织物层数n=6与纬纱循环Rw=36，利用CAD绘制出6行6列的一个纬纱循环，如图2所示。

图2 6层3层斜交角联锁织物结构的一个纬纱循环

(3) 绘制经纱。将所有纬纱外部用经纱呈菱形包围(绘制过程中只需将其中一根纬纱外部用菱形包围，然后复制至其余纬纱外部即可)，如图3所示。

图3 用菱形包围所有纬纱的截面图

(4) 倒圆角。由规律一可知，6层3层斜交角联锁织物结构的一个组织循环中，共有纬纱6层6列，所有经纱从左至右在与不同层纬纱进行斜交的过程中，除了在第1层纬纱的上方和第6层纬纱的下方出现拐点以外，在第3列和第6列纬纱的上下方也均有经纱的拐点。因此，将第1层纬纱上方与第6层纬纱下方菱形的一个角进行倒圆角，同时将第3列与第6列纬纱上下方的经纱交织点均倒圆角后，即可得到6层3层斜交角联锁织物结构图，如图4所示。

图4 6层3层斜交角联锁织物结构图

3 结 语

本文通过对几种三维斜交角联锁织物结构的分析，发现了n层m层斜交角联锁织物结构经纬纱交织的规律。利用CAD绘图，可以简便快捷地设计出任意n层m层斜交角联锁织物结构，丰富了三维机织复合材料预制件结构的设计方法。三维机织复合材料因其独特优点和力学性能而成为当今最具吸引力的新材料之一，三维机织物的结构设计也成为这一科研领域的研究基础。本文提出的三维斜交角联锁织物结构设计方法将会为这一课题的研究和发展提供一些帮助。

[1] 许鹤，唐予远，马菲，等．空口角连锁织物组织结构探讨[J]．上海纺织科技，2015，43(9)：27-28．

[2] 夏晓明，宋之聪．功能助剂[M] . 北京: 化学工业出版社, 2004．

[3] 刘淑萍，刘让同．三维织物结构设计[J]．纺织科技进展，2006，29(6)：42-46．

[4] 杨小侠．角连锁结构三维织物的设计[J]．棉纺织技术，2011(9)：4-7．

[5] 顾平.多重纬角联锁三维机织物结构设计[J].上海纺织科技，2002，30(4)：24-26．

[6] 易洪雷，丁辛.三维板状机织预成型件的设计与试织[J]. 棉纺织技术，2003，31(5)：23-25.

[7] 马菲，张琦，唐予远，等.不同缝接方式对角联锁织物复合材料弯曲性能影响的探讨[J].中原工学院学报，2015，26(3)：44-46.

(责任编辑：姜海芹)

Fast Design of 3D Oblique Angle-interlock Fabric Structure

SHAN Jing-jing, TANG Yu-yuan, MA Fei, XU He, JIN Wen-wen

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

The characteristics of 3D oblique angle-interlock fabrics were elaborated. From analyzing its organization structure, we found laws that weft and warp yarns in 3D oblique angle-interlock fabrics follows. At the same time, ways to calculate repeat of weft and warp were reached. At last, drawing by CAD simplified the design.

angle-interlock fabric; weft repeat; warp repeat; design

2015-07-28

单晶晶(1988-)，女，河南鹤壁人， 硕士生，主要研究方向为纺织材料与纺织品设计。

1671-6906(2015)06-0041-04

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.009