角联锁结构中经纬纱排列的数字表达及其规律

许 鹤， 唐予远，， 马 菲， 陈彩虹

(1. 中原工学院 纺织学院， 河南 郑州 450007； 2. 河南省功能性纺织材料省级重点实验室， 河南 郑州 451191)



角联锁结构中经纬纱排列的数字表达及其规律

许 鹤1， 唐予远1，2， 马 菲1， 陈彩虹2

(1. 中原工学院 纺织学院， 河南 郑州 450007； 2. 河南省功能性纺织材料省级重点实验室， 河南 郑州 451191)

为简便快速地设计复杂的角联锁结构，对该结构进行描述与分析，发现其经纱浮沉存在一定的规律性，即只需给出第1根经纱在每列纬纱中的纬浮点个数就可获得其结构图。利用此规律，提出一种简单有效的方法设计不同的角联锁结构。这种方法是通过数字排列来设计多层角联锁结构示意图。并分析了其需满足的基本条件，进而得出n层实口角联锁有2n-2种设计方法。在实口角联锁结构设计方法的基础上，得到空口角联锁结构与共纬角联锁结构的设计方法。实践证明，这种方法借助于CAD绘图软件使复杂的角联锁结构设计变得简单快捷。

角联锁结构； 组织循环； 数字排列； 共纬角联锁结构； 空口角联锁结构

角联锁织物作为三维复合材料的一种增强体，拥有较高的强度和抗分层能力[1]，具有广阔的应用前景。如角联锁复合材料被用于电动公交车身、发动机罩、电池箱、传动轴、神州飞船返回舱舱门等，这种应用优势与角联锁结构密不可分。角联锁结构是由2个纱线系统组成的，其中一个纱线系统沿着厚度方向与另一纱线系统屈曲交织，便形成了稳定的结构，由此引起人们对角联锁织物的探索不断深入。丁辛等[2]对角联锁接结和正交接结的不同几何结构特征研究得出三维几何结构与9个参数的关系；杨格等[3]对角联锁复合材料的三点弯曲疲劳细观结构研究得出了复合材料中纱线树脂的破坏机制；李艳清等[4]通过填经纱对三维角联锁结构复合材料准静态侵彻性能研究，得出结构中的填经纱纤维体积分数及分布位置，使角联锁结构复合材料准静态下侵彻性达到最佳状态；唐予远等[5]对角联锁复合材料进行研究，发现横向准静态加载下的材料力学性能与其结构有关；王春霞等[6]用有限元的方法计算角联锁复合材料三点弯曲破坏，得出了三点弯曲载荷下的破坏特征与其结构密切相关。由以上研究可知角联锁的结构影响其性能，且关于角联锁的几何结构和力学性能方面的研究较多，而对其结构图的研究较少。杨彩云等主要研究了正则角联锁结构的设计方法[7-8]；聂建斌等[9]运用分式的方法，确定了角联锁组织第1根经纱的交织规律，简化了角联锁织物组织图的设计，但其他经纱交织规律并未详解。由于纬角联锁织物在打纬力的作用下易形成重叠，故实际应用中较多。本文中提到的角联锁织物如无特殊说明均为多重纬角联锁织物。

本文利用CAD制出角联锁结构示意图并对其进行分析，根据角联锁经纬纱组织循环关系[10]，得出一种数字的方法来设计角联锁织物结构，使复杂的角联锁结构图设计变得简便、快捷。

1 角联锁织物结构图分析

图1为4层角联锁织物结构图。为便于分析，作如下规定：1)如图1(a)中所示，对于4层角联锁织物结构，按从左至右经纱的顺序依次为1, 2, 3, 4，同理，n层角联锁织物结构，按从左至右经纱的顺序依次为1, 2, 3, 4，……；2)经纱在相邻列纬纱之间斜跨不超过1列。文中出现的结构图均与图1(a)的表示方法相同。

图1 4层实口角联锁织物结构图Fig.1 Structure diagrams of basic angle-interlock fabric with 4 layers

以一个组织循环的4层实口角联锁结构图为例分析。从图1(a)可看出，一个循环内的纬纱排列分布是4行5列。第1根经纱在每列纬纱中的纬浮点个数依次为0，1，3，4，2，与其相对应的经浮点个数依次为4，3，1，0，2，由此分析纬浮点或经浮点的数字顺序排列，均可得到经纱浮沉规律。本文采用纬浮点数字排列深入分析，图1(a)中第2根经纱在每列纬纱中的纬浮点的数字排列(为便于表述下文均简写为经纱的数字排列)依次为2，0，1，3，4；第3根经纱的数字排列为4，2，0，1，3；第4根的为3，4，2，0，1；第5根的为1，3，4，2，0；由数字排列看出第2根到第5根经纱的数字排列的数值没有变化，把第1根经纱数字排列的最后一个数值放在数字排列的第1个位置，便得到第2根经纱数字排列；把第2根经纱的数字排列的最后一个数值放在数字排列的第1个位置，得到第3根经纱数字排列；同理，得到第4和第5根经纱的数字排列。因此，只需得到第1根经纱数字排列，即可得到其他经纱的数字排列，根据数字规律，进而设计出相对应角联锁结构图。由于一组数字有多种排列方法，本文进行了多次反复试验，得出设计角联锁结构图需满足的条件如下：

1)对于n层角联锁结构经纱数字排列中数字的取值范围为0到n，经纱所需根数等于数字排列中的数字个数(如上述分析4层实口角联锁数字排列中的数字个数为5，即是所需经纱根数5)；

2)在一个组织循环内，从左至右，第1根经纱在每列纬纱中的纬浮点的数字排列中数值的大小，符合先增后减(如01243)或一直增(如01234)的规律。

1.1 实口角联锁织物的设计

图2 3层实口角联锁织物结构图Fig.2 Structure diagrams of basic angle-interlock fabric with 3 layers

1.2 空口角联锁织物的设计

角联锁织物经纬纱交织过程中出现纬纱空缺的经纱交叉口时，便形成空口结构。层数n保持不变的情况下，在实口角联锁结构设计的基础上，适当增加1根或多根经纱，将会形成1列空口或多列空口结构。

空口的增加导致经纬纱循环关系变化，此时只需在实口角联锁经纱数字排列的基础上增加1个或t个正整数(t小于层数n，且增加的数字与第1根经纱数字排列中的最后一个数值的大小呈依次递减趋势)，因此，纬纱循环数为经纱循环数与增加数字个数的和再乘以层数，即为空口角联锁经纬纱循环关系。同样以4层实口角联锁为例分析，以下8种为满足4层实口角联锁织物组织结构设计的第1根经纱的数字排列组合：01234、01243、01342、01432、02341、02431、03421、04321，后4种均以1为最后一个数的排列组合，不能得到空口角联锁结构图。对前4种排列组合中的一种进行分析，如01234，只需增加一个或多个小于4的正整数就能分别得到1列或多列空口结构，且增加数字依次递减。也就是说01234后面所加的一位数字必须是小于4的正整数，即1或2或3，这样可得到1列空口的4层角联锁结构。若要得到3列空口，需增加3个依次递减的正整数，仅有321这一种情况。

根据空口角联锁经纬纱循环关系以及角联锁结构图需满足的条件，设计4层空口角联锁织物组织结构的第1根经纱的数字排列如下：1列空口012343，2列空口0124321，3列空口01234321，与其对应结构图如图3所示。

图3 4层空口角联锁结构图Fig.3 Structure diagrams of 4 layers angle-interlock fabric with empty structure. (a)One line empty; (b) Two line empty;(c) Three line empty

1.3 共纬角联锁织物的设计

角联锁织物在经纬纱交织过程中，经纱交叉口中存在2根或2根以上的纬纱时，即为共纬结构。层数n不变的情况下，共纬结构相对于实口结构来说就是缺少1根或多根经纱。在实口角联锁结构设计的基础上，共纬结构相应的经纱数字排列组合只需去掉实口排列组合中任意一个或多个数字(0和最大数字除外)就可得到。同样以4层实口角联锁为例分析，以下8种为满足4层实口角联锁织物组织结构设计的第一根经纱的数排列组合：01234、01243、01342、01432、02341、02431、03421、04321。上述排列组合中0和最大数字4不可以去掉，其他的均可。如01243，0和4不可以去掉，若去掉2得到0143，去掉12得到043。与0143和043相对应的结构图如图4所示。

图4 4层共纬角联锁结构图Fig.4 Structure diagrams of 4 layers angle-interlock fabric with shared fell

2 结 论

以4层实口角联锁结构图为例分析第1根经纱的浮沉规律，继而得出其他经纱的浮沉规律,将此规律与构成角联锁结构图需要满足的条件以及角联锁经纬纱循环关系相结合，从而得出设计任意实口角联锁结构的数字表达方法，在实口角联锁织物设计的基础上，发现了空口结构与共纬结构的规律，且均可用数字排列的方法来表达。该方法操作简单，准确快捷，尤其是在设计多层复杂角联锁结构图时效果尤为明显。

FZXB

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Digital expression and regularity of warp and weft repeat in angle-interlock structure

XU He1， TANG Yuyuan1，2， MA Fei1， CHEN Caihong2

(1.CollegeofTextiles,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450007,China； 2.ProvincialKeyLaboratoryofFunctionalTextileMaterialsofHenan,Zhengzhou,Henan451191,China)

In order to design complicated structure of angle-interlock rapidly and simply, the structure was described and analyzed in this paper, and it was shown that a certain regularity existed between warps. Namely, structure diagrams were achieved just based on the numbers of weft over warp for the first warp above the line of weft. According to the regularity, a simple and effective method was put forward to design angle-interlock fabrics of different structures. It is concluded that the structure diagram of the multi-layer of fabric was designed by digital arrangement, and basic conditions to be satisfied were described. 2n-2 methods were further found to design basic angle-interlock fabrics of n layers. Above this, the design method was put forward. It has been proved that the new method makes the design of angle-interlock woven fabrics simpler and faster with the aid of CAD drawing software.

angle-interlock structure; weave repeat; digital range; angle-interlock structure of shared fell; angle-interlock with empty structure

10.13475/j.fzxb.20140902304

2014-09-17

2015-05-28

许鹤(1987—)，男，硕士生。主要研究方向为纺织材料与纺织品设计。唐予远，通信作者，E-mail：tyy12303@163.com。

TS 105.11

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