连续变厚度三维机织物的组织设计

连续变厚度三维机织物的组织设计*

曾文敏1,2李毓陵1,2马颜雪1,2胡寿丰3张建3

(1. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620；

2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201620；

3. 中航商用航空发动机有限责任公司，上海，200241)

摘要：采用多层接结组织结构，通过逐步对称增加交织层层数、逐步对称改变接结组织结构、逐步增加纬向垫纱数的方法，进行连续变厚度三维机织物的组织设计，并在四剑杆四综眼剑杆织机上进行试织，验证了设计的合理性和可行性。

关键词：三维机织物，连续变厚度，组织设计，多层接结

中图分类号：TS105.1文献标志码：A

收稿日期：2014-10-16

作者简介：曾文敏，女，1990年生，在读硕士研究生。研究方向为三维机织物的开发。

随着业界对航空发动机燃油效率和碳排放要求的不断提高，航空发动机设计采用的涵道比不断增大，风扇部件尺寸随之加大，这使得风扇段的质量占发动机总质量的比例也不断增大。采用复合材料可以减轻风扇及发动机质量，提高比刚度、疲劳性能、损伤和缺陷容限等，发动机风扇部件采用先进复合材料是同时实现更高涵道比和减重的唯一途径[1-2]。

使用三维织物作为复合材料风扇叶片预制件是当今研究的热点。三维纺织品已能根据实际需要生产出各种复合材料预制件。其中三维针织物主要是经编织物，但受生产设备限制只能加工薄型织物，应用不多。三维编织物可生产各种形式的预型件，但生产效率较低，不能适应大规模生产，应用也不多。而三维机织物由于可在专用设备、稍加改造的普通设备及普通设备上生产，且生产效率较高，因此是所有三维纺织品中应用最广泛的一种织物[3]。

复合材料风扇叶片的基本形状如图1(a)所示，为宽弦复合材料风扇叶片且叶尖向叶根逐渐变厚，根部榫头是叶片和底盘的连接部分，本文暂不研究榫头设计。根据拓扑原理，可以将其预制件展开成如图1(b)所示的长板形，可以认为这是一种在长度方向厚度连续变化的变厚度织物。本文就采用三维机织物结构制备这种织物时的组织结构设计问题进行深入探索。

*上海市科学技术委员会2012科技创新行动计划项目(12521102100)

(a)复合材料风扇叶片

(b)预制件拓展图形 图1　风扇叶片基本形状

1三维机织物组织

根据交织规律的不同，三维机织物大致可分为正交组织、角联锁组织和多层接结组织三种基本组织结构。其中正交组织结构可分为整体正交和层间正交两种，如图2所示；角联锁组织可分为整体角联锁和层间角联锁两种，如图3所示；多层接结组织可分为自身接结和接结纱接结两种，如图4所示。三种基本组织结构可有多种变化结构。

综合考虑织物整体稳定性好、不同部位结构保持大致相同、结构变化方便以及厚度变化范围大等因素，本文选择以平纹为基础组织的多层接结组织作为三维机织物的组织结构。为达到厚度变化范围大的目的，设计经纱循环为32，可以实现多达16层的多层接结织物。

(a)整体正交

(b)层间正交 图2　正交组织

(a)整体角联锁

(b)层间角联锁 图3　角联锁组织

2组织设计

(a)自身接结

(b)接结纱接结 图4　接结组织

如图1(b)所示，可以看出复合材料风扇叶片预制件的厚度为从尖部到根部连续变化。

2.1　尖部组织设计

风扇叶片尖部的厚度相对较小，因此在组织结构设计时采用了多层跨接的方式，如图5(a)所示(纬向截面图，其中有数字标号的为经纱，曲线为纬纱)，即部分经纱间隔形成织物层、部分经纱保持伸直状态，通过接结纬将间隔形成的织物层连接成整体。由于三维机织物只有2层平纹织物，伸直经纱作为经向垫纱垫在其中，因此整体织物可以比较薄，以满足叶片尖部的要求。

2.2　连续变厚度组织设计

图5(b)是将三维机织物平纹层对称增加到4层，确保其稳定性。经纱1与经纱16通过接结纬纱连接，中间所夹经纱不交织；根据对称要求经纱17与经纱32采用接结纬接结。为使织物连接为一体，经纱15与经纱18通过自身接结方式接结。由于经纱15、16、17和18由两层纱线成为了两层自身接结结构织物，因此图5(b)的整体厚度相比图5(a)有所增加；又由于所构成的两层自身接结结构位于整体结构的中间，因此在织物的表面不会产生厚度的阶梯变化，而是形成一种近似连续的变化。同理，图5(c)～图5(g)逐步对称增加以自身接结方式接结的织物层，以使织物厚度连续增加。

图5　连续变厚度三维机织物组织设计

当织物整体都形成多层自身接结组织之后，从中间开始，如图5(h)所示，对称逐步用多层接结纬组织结构替换多层自身接结组织结构。显然，接结纬结构多层组织的厚度明显大于自身接结结构[4]，因此图5(i)、5(j)、6(k)、5(l)、5(m)和图5(n)继续连续增加织物厚度。

当织物整体形成多层接结纬接结组织之后，也从中间开始，如图5(o)所示，对称逐步增加纬向垫纱，使厚度继续连续增加，见图5(p)～图5(v)。增加纬向垫纱后，接结纬结构多层组织的厚度明显大于无纬向垫纱的组织结构[4]。最终得到织物整体厚度连续增加，织物表面没有明显梯度变化的连续变厚度三维机织物。

3上机试织

将上述设计的连续变厚度三维机织物的组织结构在四剑杆四综眼剑杆织机上进行试织[5-6]。试样的基本参数和上机参数见表1，部分结构的上机图见图6，分别选取了图5(g)、图5(n)和图5(v)三个作为典型结构。最终织出的试样截面和表面照片见图7。

表1　织物上机参数

用游标卡尺测量试织样品的厚度数据，图5中各截面所对应的厚度数据如表2所示。

表3为相邻截面厚度之间的差，由表3可知：

图6　图5(g)、图5(n)和图5(v)的纹板图与选纬图

(1)截面a到g之间对应的是自身接结组织层数逐渐增加的变化，但每次变化所增加的厚度最大为0.74 mm，最小为0.42 mm，增加的幅度不大，各幅度之间的差距也不大，因此可以认为厚度变化是连续的。

(a)经向截面

(b)表面 图7　试织样品照片

截面(自身接结)厚度/mm截面(接结纬)厚度/mm截面(加衬纬)厚度/mma5.02h10.48o13.32b5.52i10.70p13.50c6.18j10.96q13.72d6.92k11.24r13.94e7.52l11.50s14.12f7.94m11.72t14.36g8.52n11.94u14.52v14.64

表3　相邻截面之间厚度差

(2)同理，截面h到n之间对应的是接结纬接结组织层数逐渐增加的变化；截面o到v之间对应的是衬纬数逐渐增加的变化，增加的幅度都不大，各幅度之间的差距也都不大，因此也可以认为厚度变化是连续的。

(3)截面h与截面g之间的厚度差值为1.96 mm，相对较大，说明自身接结图5(h)变化为接结纬接结图5(g)后引起的厚度变化较大。

(4)同理，截面o与截面n之间的厚度差值为1.38 mm，说明接结纬图5(n)变化为加衬纬图5(o)后引起的厚度变化较大。

为解决由于结构变化而引起的厚度显著增加，需要作进一步研究。

4结语

(1)采用多层接结组织作为三维机织物的组织结构，通过逐步对称增加交织层层数、逐步对称改变接结组织结构以及逐步增加纬向垫纱数，可以实现三维机织物厚度的连续变化。

(2)采用四剑杆四综眼剑杆织机对设计的三维机织物试织的结果表明，所设计的组织可以实现三维机织物厚度的连续变化。

参考文献

[1]王晓亮,刘志真,纪双英，等.商用航空发动机先进复合材料风扇叶片研究进展[J].新材料产业,2010(11):36-41.

[2]CHRIS R. Aviation outlook: Composites in commercial aircraft jet engines[J]. High Performance Composites,2008(9).

[3]易洪雷,丁辛.三维纺织预型件织物[J].高科技纤维与应用,2001,26(3):32-34.

[4]王鹏.变厚度三维机织物的制备与结构分析[D].上海:东华大学,2012:42-47.

[5]薛进.多眼综多剑杆织机的特性及织造模拟[D].上海:东华大学,2013:24-30.

[6]柳宝琴.基于多剑杆织机的三维织物织造工艺研究[D].上海:东华大学,2014:17-22.

Structure design of continuous variable thickness

three-dimensional woven fabric

ZengWenmin1,2,LiYuling1,2,MaYanxue1,2,HuShoufeng3,ZhangJian3

(1. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University;

2. Engineering Research Center of Technical Textile, Ministry of Education, Donghua University;

3. AVIC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd.)

Abstract:Using multi-layer stitching organizational structure and methods, which gradually increases the number of layers of interwoven symmetrically, changes stitching structure and increases the number of lapping yarns gradually, a continuous variable thickness three-dimensional woven fabric structure was designed.A trial weaving on four-eye heddle and four-rapier loom had been made and the rationality and feasibility of the design had also been verified.

Keywords:three-dimensional fabric, continuous variable thickness, fabric structure, multi-stitching