一种2.5D类缎纹织物结构设计方法与流程

本发明涉及一种新型2.5D类缎纹织物的结构设计方法，属于立体织物织造技术领域。

背景技术：

传统织物是由两个系统的纱线交织而成，沿织物长度方向排列是经纱，沿织物幅宽方向排列的是纬纱，织物厚度一般较薄，故视为二维织物。运用玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维和碳纤维等高性能纤维织造的二维织物，经铺层工艺能够制造出具有高比强度、高比模量、质量轻的铺层复合材料。在使用中二维织物复合材料最大的缺点是厚度方向性能弱，在承受较大的弯曲应力和剪切应力时容易在层间结合弱出产生分层，加速复合材料在受载条件下的破坏。抗分层能力弱的缺点限制了由二维织物铺层复合而成的铺层复合材料的使用。

三维机织物是一种替代短纤维和铺层板增强结构增强体结构，三维机织技术利用多层经纱织造方法，将若干经纱和纬纱层相互接结而形成具有一定厚度的三维预制体。也就是说，三维机织物织造工艺就是把经向纱、纬向纱和Z向纱通过多种方式整合为一体的交织成型工艺。三维机织物通常分为两类：三向正交机织物和三维角连锁机织物。三向正交机织物由经纱、纬纱和Z向纱三个系统的纱线组成，其结构特点为经纬纱线在织物中相互成90°沿长度方向排列，Z向纱贯穿整个厚度方向将织物各各经纬层连接在一起，形成一个完整的结构。三向正交织物中纱线屈曲小，厚度方向由Z向进行连接。因此，三向正交织物增强复合材料在主纤维方向具有很好的刚度和强度，在厚度方向具有良好的抗冲击性能及抗分层性能。三维角连锁织物中经纱与相邻层面的纬纱接结，通过经纬纱接结层层相连形成一个三维结构。根据经纬纱交织结构和接结层数可分为层层斜交角联、层层正交角联锁、P层斜交角联锁机织物、P层正交角连锁机织物、通厚度斜交角联锁、通厚度正交角联锁织物(三维正交织物)，上述Z向纱没有贯穿厚度的结构称为2.5D结构。针对不同的使用要求，可以在长度、宽度和厚度方向增加纱线进行增强，故又分为经向增强2.5D织物、纬向增强2.5D织物、经纬双向增强2.5D织物和法向增强2.5D织物。

在设计和织造2.5D缎纹织物时，经纱往往需要穿过数层经纬纱才能与纬纱产生交织，使其在织造中开口引纬工序比织造2.5D平纹织物繁琐。在厚度较小的2.5D缎纹织物中，经纬纱交织结构导致单位体积内2.5D缎纹织物中经纱的纤维体积含量远小于2.5D平纹织物，使2.5D缎纹织物不能作为预制件的基础结构使用于经向拉伸性能要求较高的复合材料。因此，具有较高经纱纤维体积含量的2.5D缎纹织物能够代替2.5D缎纹织物，应用于功能型、仿生型、异形结构复合材料，作为预制件织物的基础结构。

技术实现要素：

本发明是一种2.5D类缎纹的设计方法，设计的织物具有2.5D缎纹浮长线结构特征，但是在结构上与2.5D缎纹织物完全不同，是一种新型的2.5D缎纹织物。2.5D类缎纹织物设计思路如下：两个具有相同循环数的平面织物中，平面织物中经纬纱呈互相挤紧状态，将平面织中相邻的经纬纱之间增加一定间距，形成多条经纬向引纱通道，在经纬向形成的通道中引入下层织物的经纬纱，依次层层嵌套组合形成新型2.5D类缎纹结构，伸长的经纬纱形成2.5D类缎纹织物中的浮长线。

本发明所设计2.5D类缎纹通过改变基础结构和交织结构能够衍生出多种2.5D类缎纹结构，设计方法如下：

1、选择两种具有相同循环数的简单平面织物，经过结构变形后依次层层嵌套组合形成新型2.5D类缎纹结构，两种平面织物的组织结构可以相同或不同。

2、纬纱阵列设计。2.5D类缎纹织物结构是由两个简单平面织物交替层层嵌套而成，因此，相邻的纬纱阵列在厚度方向有一定距离的错位。

3、设计2.5D类缎纹织物表面纹路结构。通过改变平面织物组织结构、组合顺序、增加平面织物循环数以及改变坐标系来设计确定2.5D类缎纹表面纹路结构。

4、经纬纱交织结构。将所有参与嵌套的平面织物层层交错堆叠，控制部分经浮长线与其它层纬纱产生交织，位于上层织物中的经纱可以将下层织物中的纬纱捆绑在一起形成一个完整的新型2.5D缎纹织物。

2.5D类缎纹织物结构设计方法路线为：确定简单平面织物组织结构→确定2.5D类缎纹纬纱框架结构→确定2.5D类缎纹表面织物纹路→确定2.5D类缎纹织物中经纬纱交织方式→完成一种2.5D类缎纹缎纹织物结构设计。具体内容如下：

1、选择两种具有相同最小循环数的简单平面织物，经过结构变形后依次层层嵌套组合形成新型2.5D类缎纹结构。平面织物组织结构是循环数n≥3的所有缎纹织物组织结构。构成2.5D织物的两个平面织物组织可以是相同的，也可以是不同的。

2、2.5D类缎纹织物纬纱阵列。本专利设计的2.5D类缎纹织物结构是由两个简单平面织物交替层层嵌套而成。因此，相邻的纬纱阵列在厚度方向有一定距离的错位。由两个平面织物(循环数为n)嵌套形成的2.5D类缎纹织物，其最小循环数为2n；纬纱阵列以M：M+1根间隔排列。根据n和M的大小可以预先设置2.5D类缎纹织物结构中纬纱阵列结构。

3、2.5D类缎纹织物表面纹路设计。用坐标对平面织物组织结构和2.5D类缎纹织物表面纹路结构进行编号。将两个平面织物组织结构通过变换平面织物组织结构、变换坐标系以及增加平面织物循环数设计2.5D织物表面纹路。设计的表面纹路可以确定2.5D织物中经纬纱交织点的起始位置，控制交织点处经纱与纬纱的交织，可使每个平面缎纹逐层连接起来形成一个完整的2.5D织物结构。

4、2.5D类缎纹织物结构中经纬纱交织。本专利所设计的2.5D织物结构中经纬纱有多种交织方式，可以分为如下三类：

(1)倒三角形交织。依照表面纹路图，在一个2.5D类缎纹织物中，经纱与各层纬纱交织后，经纱在织物中穿过的路劲呈倒三角形。

(2)倒梯形交织。依照表面纹路图，在一个2.5D类缎纹织物中，经纱与各层纬纱交织后，经纱在织物中穿过的路径呈倒梯形。

(3)可以将(1)和(2)中所提的两种交织方式混合运用。

5、将各个经纱列按照交织点的位置和经纬纱交织结构与纬纱阵列相互组合，就可完成2.5D织物结构。

附图说明

图1是经过结构变形的平面织物层层嵌套形成2.5D类缎纹织物的思路图，其中曲线为经纱，椭圆为纬纱。

图2和图3分别是列数为2n的纬纱阵列的右视图和俯视图。

图4～图7为平面织物的坐标系，图8为2.5D类缎纹的坐标系。

图9为2n×2n空白方格，在其中绘制2.5D类缎纹织物表面纹路组织点。

图10和图11是经纬纱的两种交织方式，图10为倒三角形交织，图11为倒梯形交织。

图12～图15是n＝3的平面织物组织结构图，图中黑色点代表经纱与纬纱的交织点，白色点代表纬纱。

图16是以2n＝6，M＝4为参数的2.5D类缎纹织物纬纱阵列结构图。

图17～图26以2n＝6为参数的2.5D类缎纹织物表面纹路设计图，其中，图17、19、22和24为坐标系编号图，图18、20、21、23、25和26组织结构合成图。

图27是以2n＝6为参数的2.5D类缎纹织物中一根经纱与纬纱列的交织。

图28是以2n＝6为参数的2.5D类缎纹织物中一列经纱与纬纱列的交织。

图29是最终完成的2.5D类缎纹织物的三维结构示意图，其参数为2n＝6，M＝4。

图30和图31是n＝的缎纹织物组织结构图，图中黑色点代表经纱与纬纱的交织点，白色点代表纬纱。

图32是以2n＝8，M＝4为参数的2.5D类缎纹织物纬纱阵列结构图。

图33～图35是以2n＝8为参数的2.5D类缎纹织物表面纹路设计图，其中，图33为坐标系编号图，图34和35组织结构合成图。

图36是以2n＝8为参数的2.5D类缎纹织物中一根经纱与纬纱列的交织。

图37是以2n＝8为参数的2.5D类缎纹织物中一列经纱与纬纱列的交织。

图38是最终完成的2.5D类缎纹织物的三维结构示意图，其参数为2n＝8，M＝4。

具体实施方式

1、确定两个具有相同循环数的平面织物结构。两个平面织物的循环数n≥3，两个平面织物可以是相同的组织结构，也可以是不同的组织结构。

2、2.5D类缎纹织物纬纱阵列。确定了平面织物循环数n后，就能够确定2.5D类缎纹织物循环数2n的大小，并设计M的大小，M与n无关，可自由设计。确定2n和M的大小后，绘制2.5D类缎纹织物纬纱阵列结构图，阵列图由多个纬纱列构成，由于平面织物嵌套作用如图1所示，使图2所示2.5D类缎纹织物纬纱阵列具有错位效果，图3所示为2n个纬纱列组成的纬纱阵列的俯视图。

3、2.5D类缎纹织物表面纹路设计。用坐标系对平面织物组织结构图(n×n)和2.5D类缎纹织物表面结构图(2n×2n)交织点进行编号，如X-Y，X代表行数，Y代表列数；平面织物有两种坐标系，第一种如图4和图5所示，第二种如图6和图7所示；2.5D类缎纹坐标系如图8所示。完成标号后，可通过变换平面织物组织结构、变换坐标系以及增加平面织物循环数设计2.5D类缎纹织物表面纹路结构图，并将坐标系确定的组织点画入图9所示的2n×2n方格中。设计的2.5D类缎纹表面纹路交织点可以确定2.5D类缎纹织物中经纬纱交织点的起始位置，控制交织点处经纱与纬纱的交织，可使每个平面缎纹逐层连接起来形成一个完整的2.5D类缎纹织物结构。

4、2.5D类缎纹织物结构中经纬纱交织。本专利所设计的2.5D织物结构中经纬纱有多种交织方式，可以分为如下三类：

(1)倒三角形交织。图10所示，依照表面纹路图，在一个2.5D类缎纹织物中，经纱与各层纬纱交织后，经纱在织物中穿过的路劲呈倒三角形。

(2)倒梯形交织。图11所示，依照表面纹路图，在一个2.5D类缎纹织物中，经纱与各层纬纱交织后，经纱在织物中穿过的路径呈倒梯形。

(3)可以将(1)和(2)中所提的两种交织方式混合运用。

5、将各个经纱列按照交织点的位置和经纬纱交织结构与纬纱阵列相互组合，就可完成2.5D织物结构。

实施例

实施例1

1、确定平面织物结构。选用循环数n＝3的平面织物，可以选用两个相同组织结构或两个不同组织结构。循环数n＝3的缎纹织物组织结构采用如图12～15所示的4种结构。

2、确定2.5D类缎纹织物的纬纱阵列。2.5D纬纱阵列列数为2n＝6，设计M＝4，则循环数为6的2.5D类缎纹织物纬纱阵列图如图16所示，其中纬纱以5∶4间隔排列。

3、2.5D类缎纹织物表面纹路设计。平面缎纹组织结构用3×3的坐标系进行编号，2.5D类缎纹表面纹路结构用6×6的坐标系进行编号。

(1)两个相同平面缎纹组织结构设计2.5D类缎纹织物表面纹路结构。

用图17(a)和(b)坐标系对图18(a)和(b)中的组织点进行编号，每个组织点都有各自的坐标编号，用对应坐标编号在图17(c)中找到对应位置，并将组织点填入空白的6×6的表格中，形成如图18(c)所示的2.5D类缎纹表面结构图。

(2)改变平面缎纹组织结构设计2.5D类缎纹织物表面纹路结构。

用图19(a)和(b)坐标系对图20(a)、(b)和21(a)、(b)中的组织点进行编号，每个组织点都有各自的坐标编号，用对应坐标编号在图19(c)中找到对应位置，并将组织点填入空白的6×6的表格中，形成如图20(c)和21(c)所示的2.5D类缎纹表面结构图。

(3)改变坐标系设计2.5D类缎纹织物表面纹路结构。

改变2.5D类缎纹坐标系，将坐标系颠倒左右方向形成如图22所示坐标系。用图22(a)和(b)坐标系对图23(a)和(b)中的组织点进行编号，每个组织点都有各自的坐标编号，用对应坐标编号在图22(c)中找到对应位置，并将组织点填入空白的6×6的表格中，形成如图23(c)所示的2.5D类缎纹表面结构图。

改变平面织物坐标系，同图7和图8所示坐标系，对应坐标系如图24所示。用图24(a)和(b)坐标系对图25(a)、(b)和26(a)、(b)中的组织点进行编号，每个组织点都有各自的坐标编号，用对应坐标编号在图24(c)中找到对应位置，并将组织点填入空白的6×6的表格中，形成如图25(c)和26(c)所示的2.5D类缎纹表面结构图。

最终选定图23(c)为循环数2n＝6的2.5D类缎纹织物表面纹路结构。

4、选择经纬纱交织方式。选用倒三角经纬纱交织方式，经过经纬纱交织设计后，循环数2n＝6的2.5D类缎纹织物中经纬纱的交织方式如图27所示，在图27的基础上完成该列经纱与纬纱的交织设计，如图28所示。

5、参照图23(c)中所示2.5D类缎纹织物表面纹路，确定每组经纱列的交织起始点，以图28中经纬纱交织形成过程为例，完成其余5组经纱列与纬纱列的交织配置，最后形成一个完整的2.5D类缎纹经纬纱交织结构图，如图29所示。

实施例2

实施例2

补充说明实施例1。主要对增加循环数设计2.5D类缎纹织物表面纹路结构图加以说明。

具体内容如下：

1、确定平面织物结构。选用循环数n＝4的平面织物，选用两个不同的组织结构，确定所用的结构如图30和图31所示。

2、确定2.5D类缎纹织物的纬纱阵列。2.5D纬纱阵列列数为2n＝8，设计M＝4，则循环数为8的2.5D类缎纹织物纬纱阵列图如图32所示，其中纬纱以5∶4间隔排列。

3、2.5D类缎纹织物表面纹路设计。平面缎纹组织结构用4×4的坐标系进行编号，2.5D类缎纹表面纹路结构用8×8的坐标系进行编号。

(1)两个相同平面缎纹组织结构设计2.5D类缎纹织物表面纹路结构。

用图33(a)和(b)坐标系对图34(a)和(b)中的组织点进行编号，每个组织点都有各自的坐标编号，用对应坐标编号在图33(c)中找到对应位置，并将组织点填入空白的8×8的表格中，形成如图34(c)所示的2.5D类缎纹表面结构图。

(2)改变平面缎纹组织结构设计2.5D类缎纹织物表面纹路结构。

用图33(a)和(b)坐标系对图35(a)、(b)中的组织点进行编号，每个组织点都有各自的坐标编号，用对应坐标编号在图33(c)中找到对应位置，并将组织点填入空白的8×8的表格中，形成如图35(c)所示的2.5D类缎纹表面结构图。

(3)改变坐标系设计2.5D类缎纹织物表面结构方法参见实施例1。

最终选定图35(c)为循环数2n＝8的2.5D类缎纹织物表面纹路结构。

4、选择经纬纱交织方式。选用倒三角经纬纱交织方式，经过经纬纱交织设计后，循环数2n＝6的2.5D类缎纹织物中经纬纱的交织方式如图36所示，在图36的基础上完成该列经纱与纬纱的交织设计，如图37所示。

5、参照图35(c)中所示2.5D类缎纹织物表面纹路，确定每组经纱列的交织起始点，以图36中经纬纱交织形成过程为例，完成其余7组经纱列与纬纱列的交织配置，最后形成一个完整的2.5D类缎纹经纬纱交织结构图，如图38所示。