三维整体编织技术

三维整体编织技术目前一页\总数四十三页\编于十六点三维编织技术研究现状三维纤维预制体编织工艺三维编织技术的发展历程1主要内容23目前二页\总数四十三页\编于十六点编织的基本概念三维编织技术的发展历程1

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。目前三页\总数四十三页\编于十六点目前四页\总数四十三页\编于十六点

19世纪30年代末，编织物仍被认为是一种手工艺品。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。前期目前五页\总数四十三页\编于十六点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。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。20世纪70年代初，美国通用电气公司根据常规的编织绳原理发明了万向编织机;20世纪70年代中期，法国欧洲动力公司也发明了类似的编织机;中期目前六页\总数四十三页\编于十六点1982年，Floretine申请了一个专利为“Magnaweave”的机器设备。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。20世纪80年代初，美国Gumagna公司发明了磁编技术，自此三维编织技术得到了迅速发展。1982年，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。1989年，美国北卡罗来纳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。生产阶段目前七页\总数四十三页\编于十六点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。目前八页\总数四十三页\编于十六点美国ALBANY公司的可挂1000纱线的角轮式三维圆形编织机能够生产相邻层交织的编织预制件目前九页\总数四十三页\编于十六点

Herzog公司设计了三维实体编织机，由布置的多行和多列方阵中的转子组成，通过增加轴向纱和调整编织纱来改变织物的几何形状，以编织出各种形状复杂的预制件。天津工业大学复合材料研究所成功研制了组合式三维编织机，标准化的编织单元通过灵活组合，可满足不同形状和尺寸的编织要求。美国3Tex公司也推出组合式角轮式编织机，可以连续编织截面为T形等的预制件目前十页\总数四十三页\编于十六点

三维编织预型件的制作是三维编织复合材料制备的基础，而且预型件的性能（也包括制作方法和工艺）从根本上决定了所制成的复合材料的性能。三维编织旋转法编织纵横步进法编织二步法四步法三维纤维预制体编织工艺2目前十一页\总数四十三页\编于十六点二步法编织工艺

第一步

第二步编织纱位置编织纱

轴纱二维编织过程纱线运动图目前十二页\总数四十三页\编于十六点1.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。2.纱线安装系统分为：

⑴编织纱；⑵轴纱。3.成型板或成型环：起织物成型作用。4.提升机构将成型的织物提升移去。二步法编织机的一般构成目前十三页\总数四十三页\编于十六点二步法三维编织的特点1.预制件的整体形状一次成型2.编织过程中机器运动部件比较少，编织运动规律相对简单。3.轴向纤维比率大，可以达到80％。4.可以编织多种异型构件。5.根据不同用途灵活选择轴纱和编织纱种类和规格。6.预制件的幅宽比较窄，适用于横截面较小的编织。目前十四页\总数四十三页\编于十六点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步数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。目前十五页\总数四十三页\编于十六点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。目前十六页\总数四十三页\编于十六点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构模型。目前十七页\总数四十三页\编于十六点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。目前十八页\总数四十三页\编于十六点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。目前十九页\总数四十三页\编于十六点6）Byun,J.H.&Chou，T.W.，Process－MicrostructureRelationshipsof2－stepand4－stepBraidedComposites，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。目前二十页\总数四十三页\编于十六点四步法编织工艺四步法三维编织的分类方型编织：编织出横截面为矩形或矩形组合的织物圆型编织：编织出横截面为圆形或圆形组合的织物

目前二十一页\总数四十三页\编于十六点四步运动后的携纱器在机器底盘上的位置如图目前二十二页\总数四十三页\编于十六点四步法编织也称为行列式编织，其源于Flor-entine在1982年提出的专利方法。编织纱线以行和列的方式排列成一个矩阵，每一根编织纱线由一个携纱器单独控制，携纱器沿行和列作交替运动，形成具有一定尺寸和形状的整体预成型体，其编织纱线运动如图所示目前二十三页\总数四十三页\编于十六点三维四向、五向、六向和七向预制件的细观纱束交织结构目前二十四页\总数四十三页\编于十六点四步法三维编织复合材料的研究情况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γ。目前二十五页\总数四十三页\编于十六点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45º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。目前二十六页\总数四十三页\编于十六点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。目前二十七页\总数四十三页\编于十六点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目前二十八页\总数四十三页\编于十六点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。所有单胞的取向与预制件的取向相同，有利于力学分析。目前二十九页\总数四十三页\编于十六点四步法三维编织设备简介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，中间可挂不动纱

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目前三十页\总数四十三页\编于十六点

编织平面示意图

（1）移动式轨道

（2）固定式轨道

编织轨道目前三十一页\总数四十三页\编于十六点（a）三维异型整体编织底盘轴侧图（b）三维异型整体编织底盘俯视图Ⅰ-底盘机架Ⅱ-编织轨道Ⅲ-驱动装置驱动装置与定位机构三维编织底盘整体结构图目前三十二页\总数四十三页\编于十六点

主要以电机旋转运动驱动齿轮组运动，从而带动携纱器锭子在编织台面上交错运动，这种设备相对较大，只适用于较小尺寸预制件的编织，但是驱动方式简单、运行速度快，能有效降低制件成本。旋转法编织设备目前三十三页\总数四十三页\编于十六点

按照编织台面区分，三维编织设备由包括矩型编织机和圆型编织机目前三十四页\总数四十三页\编于十六点

矩型编织台面以矩型或矩型组合为主，通过编织台面模块的组合可以织造工字型、T型、L型等截面形状的预制件

台面以环型为主，通过编织行列数改变与不同心模可以织造复杂编织结构目前三十五页\总数四十三页\编于十六点编织工艺的对比四步法编织工艺多层联锁编织工艺二步法编织工艺目前三十六页\总数四十三页\编于十六点三维编织技术研究现状3

2005年，李嘉禄等发明了一种改进的“四步法”多向编织工艺，该工艺基于对纱线运动轨迹的研究，设置变化截面的加纱和减纱点，通过并股、移动、再分段的方法实现加纱或者减纱。但这种加纱、减纱工艺中的井股和分股在纱线较细时难以实现，并且减纱点处纱线排布的均匀度也不易控制。凹腰型旋转体预制件示意图目前三十七页\总数四十三页\编于十六点

2006朱建勋提出了一种对锥体三维编织预制件的减纱工艺。主要阐述了“四步法”圆形编织的链子进行“减列”和“减环”。但是这种方法没有对加纱方法进行论述。再者，对其他类型的变截面预制件的编制也缺乏通用性。

减列前减列后减环前减环后目前三十八页\总数四十三页\编于十六点2010年俞建勇等在年发明了一种三维编织加纱和减纱工艺，可以在编织过程中进行至少一次加纱和减纱，可以实现三维预制件的净尺寸编织，避免了机械加工对整体力学性能造成