一种多层多向织物的织造方法与流程

本发明涉及立体织物制备领域，具体是一种多层多向织物的织造方法。

背景技术：

多层多向织物是近年来迅速发展的一种新型立体织物，具有面内纤维取向可设计、层间纤维连续贯穿、织物结构整体等特点，是树脂基、陶瓷基和碳基复合材料的理想增强结构相，通过引入面内斜向纱线，显著提高了传统立体机织复合材料的面内剪切性能。

张一帆等在《多层多向织物复合材料力学性能分析》中简单描述了多层多向织物的两种织造新工艺，其一为在正交三向织物成型工艺的基础上，通过特殊的斜向携纱机构携带斜向纱线运动，斜向纱线每次运动一个纱线位置，法向纱贯穿所有纱层，并将各层纱线捆绑在一起，形成整体织物；其二为铺纱置换法织造多层多向织物，将钢针排列成矩阵形式，在间隙中铺放纱线，达到设计要求后再用纱线将钢针置换，形成多层多向立体织物。但是方法一未涉及具体的织造工艺技术；方法二采用纱线铺层和纱线置换钢针相结合的工艺，工艺过程基本为手工操作，效率低、工艺稳定性差。

高岩在《多轴向三维机织复合材料细观结构及其力学性能研究》中采用四步法三维编织织造工艺织造了多层多向织物，斜向纱由携纱器牵引单向运动，相邻斜向纱层通过到边互换的方法实现纱线连续织造。但是该方法中沿织物厚度方向上+θ斜向纱和-θ斜向纱必须成对、相邻排列，且两层的位置不可改变，局限了织物的结构和力学性能的可设计性，不能满足复合材料的面内抗剪切性能的设计需求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多层多向织物的织造方法。该方法可以实现沿织物厚度方向上±θ斜向纱的排列位置的任意设计，且斜向纱沿行方向每次运动的纱锭位置数可以变化，斜向纱的倾斜角度也可以调控。该方法显著提高了多层多向织物的结构和力学性能的可设计性，满足了复合材料的面内抗剪切性能的设计需求。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种多层多向织物的织造方法，其特征在于该织造方法包括如下步骤：

(1)主体纱排列：主体纱包括经纱、+θ斜向纱和-θ斜向纱；经纱、+θ斜向纱和-θ斜向纱的一端按照排列规律悬挂在纱锭上，并在纱锭的携带下运动；纱锭安装在主体纱底盘、左侧边条和右侧边条上，在行向气缸的推动下沿行向运动；经纱、+θ斜向纱和-θ斜向纱的另一端穿过成型装置，悬挂在提升装置上；主体纱排列成m行n列，其中，经纱、+θ斜向纱和-θ斜向纱分别排列在不同的行中，形成各自的主体纱层，且每一层的纱线根数相同；根据织物结构设计要求，计算经纱、+θ斜向纱和-θ斜向纱的总层数m和每层的主体纱根数n；

(2)斜向纱边纱排列：根据斜向纱的排列位置，在左侧边条上+θ斜向纱对应行的位置排列斜向纱边纱；斜向纱边纱的根数与斜向纱每次沿行向运动的纱锭位置数n相同；斜向纱运动过程中，当斜向纱运动到边条上时称之为斜向纱边纱；

(3)斜向纱运动：斜向纱运动包含四个步骤，①+θ斜向纱在行向气缸的推动下沿行向向右运动n个纱锭位置；②左侧边条和右侧边条在边条气缸作用下同时沿列向向下运动m个纱锭位置；③-θ斜向纱在行向气缸的推动下沿行向向左运动n个纱锭位置；④左侧边条和右侧边条在边条气缸作用下同时沿列向向上运动m个纱锭位置；

(4)法向纱引入：引法向纱装置携带有法向纱，引法向纱装置沿着主体纱的列向运动，在主体纱的每个列间隙中引入一根法向纱；

(5)纬纱引入：引纬装置携带有纬纱，引纬装置沿着主体纱的行向运动，按照设计的纬纱层位置，在相应的行间隙中引入纬纱；

(6)压紧纱线：在主体纱的列间隙中插入压纱装置，并向织口移动，将引入的法向纱和纬纱压入织口，并至纱线压实后撤走压纱装置；

(7)重复所述步骤(3)-(6)至得到织物的目标长度，即得多层多向织物。

-θ斜向纱每次沿行向运动的纱锭位置数与+θ斜向纱每次沿行向运动的纱锭位置数相同。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：该多层多向织物的织造方法可以灵活设计织物中斜向纱线层的排列位置，解决了斜向纱的倾斜角度可控调整的难题，有利于提高复合材料的面内剪切性能，同时该方法具有操作简单、生产效率高，工艺稳定等优点，可以满足高性能复合材料低成本制造需求。

附图说明

图1为本发明多层多向织物的织造方法所用织造设备中纱线排列示意图；

图2为本发明多层多向织物的织造方法实施例1的多层多向织物结构示意图；

图3为本发明多层多向织物的织造方法实施例1的初始排纱示意图；

图4为本发明多层多向织物的织造方法实施例1的斜向纱运动示意图；

图5为本发明多层多向织物的织造方法实施例1的法向纱引入示意图；

图6为本发明多层多向织物的织造方法实施例1的纬纱引入示意图；

图7为本发明多层多向织物的织造方法实施例2中的初始排纱示意图；

图8为本发明多层多向织物的织造方法实施例2的斜向纱运动示意图；

图9为本发明多层多向织物的织造方法实施例2的法向纱引入示意图；

图10为本发明多层多向织物的织造方法实施例2的纬纱引入示意图；(图中：1、经纱；2、纬纱；3、+θ斜向纱；4、-θ斜向纱；5、法向沙；6、行向气缸；7、左侧边条；8、纱锭；9、引法向纱装置；10、成型装置；11、提升装置；12、多层多向织物；13、引纬装置；14、压纱装置；15、右侧边条；16、边条气缸；17、主体纱底盘；18、机器底座；19、纱锭穴位；20、斜向纱边纱)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

图1为多层多向织物的织造设备示意图；所述织造设备包括行向气缸6、左侧边条7、纱锭8、引法向纱装置9、成型装置10、提升装置11、引纬装置13、压纱装置14、右侧边条15、边条气缸16、主体纱底盘17和机器底座18；所述侧边条7、主体纱底盘17和右侧边条15具有纱锭穴位19，用于安放纱锭8；所述左侧边条7、主体纱底盘17和右侧边条15安装在机器底座18上；主体纱底盘17固定不动；左侧边条7和右侧边条15在边条气缸16作用下往复运动；纱锭8安装在主体纱底盘17、左侧边条7和右侧边条15上，在行向气缸6的推动下沿行向运动；经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4按照排列规律悬挂在纱锭8上，并在纱锭8的携带下运动；经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4穿过成型装置10，悬挂在提升装置11上；引法向纱装置9沿着主体纱的列向运动，将法向纱5引入主体纱线的每个列间隙中；引纬装置13沿着主体纱的行向运动，按照织物12中的纬纱排列位置将纬纱引入主体纱线的行间隙中；压纱装置14插入主体纱列间隙，并向织口移动，将引入的法向纱和纬纱压入织口，形成多层多向织物12。

本发明提供了一种多层多向织物的织造方法(参见图1-10)，其特征在于该织造方法包括如下步骤：

(1)主体纱排列：主体纱包括经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4；经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4的一端按照排列规律悬挂在纱锭8上，并在纱锭8的携带下运动；纱锭8安装在主体纱底盘17、左侧边条7和右侧边条15上，在行向气缸6的推动下沿行向运动；经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4的另一端穿过成型装置10，悬挂在提升装置11上；主体纱排列成m行n列，其中，经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4分别排列在不同的行中，形成各自的主体纱层，且每一层的纱线根数相同；根据织物结构设计要求，计算经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4的总层数m和每层的主体纱根数n；

(2)斜向纱边纱20排列：根据斜向纱的排列位置，在左侧边条7上+θ斜向纱3对应行的位置排列斜向纱边纱20；斜向纱边纱20的根数与斜向纱每次沿行向运动的纱锭位置数n相同；斜向纱运动过程中，当斜向纱运动到边条上时称之为斜向纱边纱20；

(3)斜向纱运动：斜向纱运动包含四个步骤，①+θ斜向纱3在行向气缸6的推动下沿行向向右运动n个纱锭位置；②左侧边条7和右侧边条15在边条气缸16作用下同时沿列向向下运动m个纱锭位置；③-θ斜向纱4在行向气缸6的推动下沿行向向左运动n个纱锭位置；④左侧边条7和右侧边条15在边条气缸16作用下同时沿列向向上运动m个纱锭位置；

(4)法向纱5引入：引法向纱装置9携带有法向纱5，引法向纱装置9沿着主体纱的列向运动，在主体纱的每个列间隙中引入一根法向纱5；

(5)纬纱2引入：引纬装置13携带有纬纱2，引纬装置13沿着主体纱的行向运动，按照设计的纬纱层位置，在相应的行间隙中引入纬纱2；

(6)压紧纱线：在主体纱的列间隙中插入压纱装置14，并向织口移动，将引入的法向纱5和纬纱2压入织口，并至纱线压实后撤走压纱装置14；

(7)重复所述步骤(3)-(6)至得到织物的目标长度，即得多层多向织物12。

织造过程中，经纱1始终保持在原始位置，不运动。

多层多向织物12的层数根据用户的需求来设定；

所述步骤(1)中，主体纱的行数m和列数n可根据织物宽度(cm)、经纱密度(根/cm)、纱线总层数和纬纱层数来设计；m＝纱线总层数-纬纱层数；n＝织物宽度×经纱密度；

所述步骤(3)中，+θ斜向纱3每次沿行向运动的纱锭位置数n可以根据设计调整，且-θ斜向纱4每次沿行向运动的纱锭位置数与+θ斜向纱3每次沿行向运动的纱锭位置数相同。

所述步骤(3)中，左侧边条7和右侧边条15同时沿列向运动的纱锭位置数m由同一组+θ斜向纱层和-θ斜向纱层之间的间隔层数确定，可根据设计调整。

所述步骤(7)中，织物的目标长度根据用户的需求来设定。

所述多层多向织物中，斜向纱与织物长度方向的夹角θ是通过调整织物中经纱密度(根/cm)、纬纱密度(根/cm)和斜向纱沿行向运动的纱锭位置数n来控制的；tanθ＝纬纱密度×n÷经纱密度；

斜向纱边纱20为临时性的，当斜向纱运动到左侧边条7或者右侧边条15上就称之为斜向纱边纱；同理，当主体纱运动到边条上就称之为边纱。

实施例1

研制10层的多层多向织物，如图2所示。织物宽度为30cm，包含经纱1、纬纱2、+θ斜向纱3、-θ斜向纱4和法向纱5，均采用12k的碳纤维。经纱密度为5根/cm，纬纱密度为5根/cm。斜向纱与织物长度方向的夹角为45°。织物厚度方向纱线层的排列为[90/0/-45/+45/90/0/-45/+45/0/90]，其中：0代表0°经纱1，90代表90°的纬纱2，+45代表+θ斜向纱3，-45代表-θ斜向纱4。其织造方法具体包括如下步骤：

(1)主体纱排列：根据织物结构设计要求，织物的纱线层排列的规律为[90/0/-45/+45/90/0/-45/+45/0/90]。主体纱初始排纱仅考虑经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4。剔除纬纱2的层数，织物中经纱1和斜向纱的总层数m＝10-3＝7层，每层的纱线根数n＝织物的宽度×经纱密度＝30×5＝150根。在主体纱底盘18上的纱锭穴位19中排列7行150列纱锭8。每个纱锭8上悬挂一根纱线。如图3所示。

(2)斜向纱边纱20排列：剔除纬纱2后，经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4的排列为[0/-45/+45/0/-45/+45/0/]。+θ斜向纱3每次沿行向运动的纱锭位置数n＝经纱密度×tan45°÷纬纱密度＝1。在主体纱的m3和m6行对应的左侧边条7上的纱锭穴位19中分别排列1个纱锭8。每个纱锭8上悬挂一根斜向纱边纱20。其它纱锭穴位19为空。如图3所示。

(3)斜向纱运动：斜向纱运动包含四个步骤，如图4所示，①m3和m6行的行向气缸6推动+θ斜向纱3的纱锭沿行向轨道向右运动1个纱锭位置；②边条气缸16推动左侧边条7和右侧边条15同时沿列向轨道向下运动1个纱锭位置；③m2和m5行的行向气缸6推动-θ斜向纱4的纱锭沿行向轨道向左运动1个纱锭位置；④边条气缸16推动左侧边条7和右侧边条15同时沿列向轨道向上运动1个纱锭位置。

(4)法向纱引入：沿主体纱的列向插入引法向纱装置9，在每个列间隙中引入一根法向纱5，如图5所示。

(5)纬纱引入：分别在主体纱的下外侧、m3与m4行间、上外侧的位置，插入引纬装置13，引入纬纱2，如图6所示。

(6)压紧纱线：在主体纱列间隙中插入压纱装置14，压纱装置14向织口移动，将引入的法向纱5和纬纱2压入织口，并保持至纱线压实后撤出压纱装置14。

(7)重复所述步骤(3)-(6)至得到织物的目标长度，即得多层多向织物12。

上述织造过程中，m1、m4和m7行的经纱1始终保持在原始位置，不运动。

实施例2

研制13层的多层多向织物。织物宽度为50cm，包含经纱1、纬纱2、+θ斜向纱3、-θ斜向纱4和法向纱5。经纱1、纬纱2、+θ斜向纱3、-θ斜向纱4均采用190tex×4股石英纤维，法向纱采用190tex×2股石英纤维。经纱密度为6根/cm，斜向纱与织物长度方向的夹角为60°，纬纱密度为5.2根/cm。织物厚度方向纱线层的排列为[90/-60/0/+60/90/-60/0/+60/90/-60/0/+60/90]。其织造方法具体包括如下步骤：

(1)主体纱排列：根据织物结构设计要求，织物的纱线层排列的规律为[90/-60/0/+60/90/-60/0/+60/90/-60/0/+60/90]。主体纱初始排纱仅考虑经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4。剔除纬纱2的层数，织物中经纱和斜向纱的总层数m＝13-4＝9层，每层的纱线根数n＝织物的宽度×经纱密度＝50×6＝300根。在主体纱底盘18上的纱锭穴位19中排列9行300列纱锭。每个纱锭8上悬挂一根纱线。如图7所示。

(2)斜向纱边纱20排列：剔除纬纱2后，经纱1、+θ斜向纱3和-θ斜向纱4的排列为[-60/0/+60/-60/0/+60/-60/0/+60]。+θ斜向纱3每次沿行向运动的纱锭位置数n＝经纱密度×tan60°÷纬纱密度＝2。在主体纱的m3、m6和m9行对应的左侧边条7上的纱锭穴位19中分别排列2个纱锭。每个纱锭上悬挂一根斜向纱边纱20。其它纱锭穴位19为空。如图7所示。

(3)斜向纱运动：斜向纱运动包含四个步骤，如图8所示，①m3、m6和m9行的行向气缸6推动+θ斜向纱3的纱锭8沿行向轨道向右运动2个纱锭位置；②边条气缸16推动左侧边条7和右侧边条15同时沿列向轨道向下运动2个纱锭位置；③m1、m4和m7行的行向气缸6推动-θ斜向纱4的纱锭8沿行向轨道向左运动2个纱锭位置；④边条气缸16推动左侧边条7和右侧边条15同时沿列向轨道向上运动2个纱锭位置。

(4)法向纱引入：沿主体纱列向插入引法向纱装置9，在每个列间隙中引入一根法向纱5，如图9所示。

(5)纬纱引入：分别在主体纱的下外侧、m3与m4行间、m6与m7行间、上外侧的位置，插入引纬装置13，引入纬纱2，如图10所示。

(6)压紧纱线：在主体纱列间隙中插入压纱装置14，压纱装置14向织口移动，将引入的法向纱5和纬纱2压入织口，并保持至纱线压实后撤出压纱装置14。

(7)重复所述步骤(3)-(6)至得到织物的目标长度，即得多层多向织物12。

上述织造过程中，m2、m5和m8行的经纱1始终保持在原始位置，不运动。

本发明未述及之处适用于现有技术。