一种可编织异形截面预成型件的二维编织机设计方法与流程

本发明涉及编织机技术领域，特别是涉及一种可编织异形截面预成型件的二维编织机设计方法。

背景技术：

二维编织是一种三根或多根纤维束(纱线)沿织物成型方向按照特定的规律倾斜交织在一起的工艺。传统二维编织主要用于生产绳索、鞋带、电缆屏蔽层等，随着二维编织技术的成熟，编织工艺在饰品领域的应用也越来越多。二维编织的织物结构主要包括传统的管状结构，平带结构和现代出现的扁平带结构、带管结合结构、方形结构等。在复合材料领域，因为二维编织工艺可以实现许多缠绕工艺不能完成的工作，因此它已经成为一种制备复合材料预成型件高效生产方法之一。在编织物中，纤维之间相互交错形成有机的整体，所以当受载时，纤维能协同承载。除此之外，编织工艺还可以根据制件的形状和尺寸，直接编织出与制件形状相近的预成型件，这是传统的缠绕工艺和叠层工艺所不能做到的。

采用二维编织原理生产异形截面预成型件，最早日本学者Akiyama等人提出把传统的平带结构和管状结构轨道拼接，在轨道拼接处添加过渡轨道和拨叉的方法，通过不断调整拨叉位置，让经过的纱锭分流到不同分支，有效避免纱锭在轨道拼接处发生干涉的同时实现了异形截面编织物的一次成型。

Becher等人也提出了一种采用二维编织原理生产异形截面预成型件的方法。他们把编织机的叶轮排列成4×4、6×6等的形式，每两个叶轮交界处的纱锭轨道上都加有变轨转盘，此变轨转盘可控制纱锭沿着原叶轮运动，或者过渡到下一个叶轮上。在整个编织机的纱锭运动轨道上，通过调整变轨转盘的旋向，可形成几个闭合的纱锭运行通路，这些闭合通路相互交叉，在交叉处纱线相互缠绕，便形成了编织结构。这些闭合通路的交叉组合方式不同，可实现不同截面织物的编织。此方法主要用于矩形截面的编织物生产。对于T型、工字形等异形截面预成型件的生产还处于设想阶段，并且在使用此方法生产复杂截面织物过程中，纱锭干涉问题很难解决。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可编织异形截面预成型件的二维编织机设计方法，可以实现异形截面预成型件的一次成型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可编织异形截面预成型件的二维编织机设计方法，采用平带编织纱锭轨道，将两条平带编织纱锭轨道拼接成L、T或十字形，通过调整平带编织纱锭轨道上所有叶轮的总槽口数避免来自不同的平带编织纱锭轨道上的纱锭在轨道交叉处进行干涉，通过调整平带编织纱锭轨道个别叶轮的槽口数避免拼接后平带编织纱锭轨道上的纱锭在相邻叶轮交接处进行干涉。

当平带编织纱锭轨道上所有叶轮的总槽口数为纱锭排布周期的倍数时，在不同的平带编织纱锭轨道上的纱锭在轨道交叉处不发生干涉。

对于饱和纱锭排布形式，当平带编织纱锭轨道上端部叶轮的槽口数减去一半的纱锭排布周期后为纱锭排布周期的倍数，且中间叶轮的槽口数为纱锭排布周期的倍数时，平带编织纱锭轨道上的纱锭在相邻叶轮交接处不发生干涉。

对于不饱和纱锭排布形式，当平带编织纱锭轨道上端部叶轮的总槽口数不是纱锭排布周期的倍数时，平带编织纱锭轨道上的纱锭在相邻叶轮交接处不发生干涉。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、采用此方法设计的编织机，可实现复杂截面编织结构一次成型，织成的预成型件不需要裁剪，纤维不受损伤，保持了纤维的完整性，让制件有很好的力学性能。

2、采用此方法设计的编织机结构简单，不需要添加拨叉，变轨转盘等复杂机械结构。

3、采用此方法设计的编织机和传统的二维编织机一样，不需要复杂的控制系统，稳定性高。

4、此方法中总结出不同纱锭排布规律对应的叶轮槽口数约束条件具有普遍适用性，可以有效避免纱锭运行中的干涉问题。

5、在满足此方法中总结的纱锭不干涉条件下，编织机的叶轮槽口数和纱锭排布规律可根据需求改变，实现编织出的异形截面编织物在截面的不同部位编织结构不同，满足复杂的工况要求。

附图说明

图1可编织异形截面编织物的编织机纱锭容易发生干涉位置的标注图；

图2简化叶轮分布图；

图3由a处叶轮携带纱锭情况得到c处叶轮携带纱锭情况推导过程图；

图4由a处叶轮携带纱锭情况得到h处叶轮携带纱锭情况推导过程图；

图5由h处和b处叶轮携带纱锭情况分别得到i处和e处叶轮携带纱锭情况推导过程图；

图6由f处和g处叶轮携带纱锭情况分别得到j处和l处叶轮携带纱锭情况推导过程图；

图7轨道拼接后分支上相邻叶轮交接处容易发生干涉位置标注图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种可编织异形截面预成型件的二维编织机设计方法，采用平带编织纱锭轨道，所述平带编织纱锭轨道由叶轮组成，将两条平带编织纱锭轨道拼接成L、T或十字形，通过调整平带编织纱锭轨道上所有叶轮的总槽口数避免来自不同的平带编织纱锭轨道上的纱锭在轨道交叉处进行干涉，通过调整平带编织纱锭轨道个别叶轮的槽口数避免拼接后平带编织纱锭轨道上的纱锭在相邻叶轮交接处进行干涉。

“十”字形、“工”字形、“U”型、“T”型等异型截面薄壁织物，可以看作是传统平带织物的拼接。其本质是来自不同平带的纱线在需要连接处相互交缠，实现异形截面织物的一次成型。要实现传统平带织物的有效拼接，必须保证纱锭在拼接后的轨道上移动时不发生干涉。在图1中实心圆点标注的地方都是纱锭有可能出现干涉的地方。这些容易发生干涉的地方可以分成两类，一类是不同分支交叉处的干涉，如图1中标注1的位置。另一类是分支上的干涉，如图1中标注2的位置。

不同分支交叉处纱锭干涉问题处理。

以“十”字形截面编织为例，共有四个分支。对于不同分支在交叉处纱锭干涉问题的研究，与每个分支上叶轮组合方式无关，仅与各分支上所有叶轮的总槽口数有关。所以可以把每个分支简化成一个大的叶轮，叶轮的槽口数，等于分支上每个叶轮槽口数的总和，图2是简化的模型。

两条直线相交会出现三种情况，一：两条直线呈“十”字相交，有四个分支；二：两条直线呈“T”形相交，有三个分支；三：两条直线呈“L”形相交，有两个分支。这三种相交方式任意排列组合，可以拼接出许多复杂结构。若要用编织工艺实现这三种交织方式，叶轮的排布方式类似。参照图2，实现三分支结构编织时，只需保证有且仅有一个等效叶轮所代表的分支只有一个叶轮组成。若要实现两分支结构编织，只需保证有两个相邻的等效叶轮所代表的的分支都只有一个叶轮组成。

以1100纱锭排布形式为例(1代表槽口携带纱锭，0代表槽口不携带纱锭)。1100纱锭排布形式的纱锭排布周期为4。只要验证在叶轮交接处连续通过四个槽口不发生干涉，就可以保证整个编织过程中，经过此位置的纱锭不会发生干涉。引入逻辑“与(∧)”运算，在图2中，a和d处叶轮携带纱锭情况有三种可能，1∧0＝0不干涉、1∧1＝1干涉和0∧0＝0不干涉。对于1100纱锭排布规律，从任意时刻开始，连续通过a处的四个槽口中有且仅有两个槽口携带纱锭。相对应的通过d处的四个槽口中，也有且仅有两个槽口携带纱锭。如果在叶轮交接处出现0∧0情况，那么经过a和经过d处的四个槽口，都剩下两个携带纱锭的槽口和一个不携带纱锭的槽口，a处携带纱锭的槽口必须和d处不携带纱锭槽口对接才能保证不干涉，通过a处有两个槽口携带纱锭，而通过d处只剩一个槽口不携带纱锭，必然会出现1∧1＝1纱锭干涉的情况。所以对于1100纱锭排布规律，为保证纱锭不干涉，在叶轮交接处不可能出现0∧0情况。从t₀开始，令连续通过a处四个槽口携带纱锭情况为1100，那么d处槽口携带纱锭情况必为0011，可以进一步推导，最终得到c处槽口携带纱锭情况。图3为推导过程，其中Δt为同一位置从一个槽口出现开始到下一个槽口出现的时间间隔。

记a处的槽口为第一个槽口，在t₀时刻，等效叶轮二上槽口携带纱锭情况按顺时针排布为110011001100……由图3中推导，c处槽口携带纱锭情况为0，且接下来通过的槽口携带纱锭情况为011。所以c为等效叶轮二上的第4n+3(n＝0,1,2…)个槽口，加上开始时刻，b处还有一个槽口，叶轮二共有4n+4(n＝0,1,2…)个槽口，即4m(m＝1,2,3…)。

通过a处槽口携带纱锭情况，可以推导出从t₀时刻开始，连续通过h处的槽口携带纱锭的情况，图4为推导过程。

记d处的槽口为第一个槽口，在t₀时刻，等效叶轮一上槽口携带纱锭情况按逆时针排布为001100110011……由图4中推导，h处槽口携带纱锭情况为1，且接下来通过的三个槽口携带纱锭情况为100。所以h为等效叶轮二上的第4n+3(n＝0,1,2…)个槽口，加上开始时刻f处还有一个槽口。等效叶轮二共有4n+4(n＝0,1,2…)个槽口，即4m(m＝1,2,3…)。

通过h处和b处槽口携带纱锭情况，可分别推导出从t₀时刻开始i处和e处连续通过的槽口携带纱锭的情况，图5为推导过程。

记i处的槽口为第一个槽口，在t₀时刻，等效叶轮三上槽口携带纱锭情况按逆时针排布为001100110011……由图5中推导，e处槽口携带纱锭情况为1，且接下来通过的三个槽口携带纱锭情况为100。所以k为等效叶轮三上的第4n+3(n＝0,1,2…)个槽口，加上开始时刻，g处还有一个槽口。等效叶轮三共有4n+4(n＝0,1,2…)个槽口，即4m(m＝1,2,3…)。

通过f处和g处槽口携带纱锭情况，可分别推导出从t₀时刻开始连续通过j处和l处的槽口携带纱锭的情况，图6为推导过程。

记l处的槽口为第一个槽口，在t₀时刻，等效叶轮四上槽口携带纱锭情况按顺时针排布为110011001100……由图6中推导，j处槽口携带纱锭情况为0，且接下来通过的三个槽口携带纱锭情况为011。所以j为等效叶轮四上的第4n+3(n＝0,1,2…)个槽口，加上开始时刻，k处还有一个槽口。等效叶轮四有共4n+4(n＝0,1,2…)个槽口，即4m(m＝1,2,3…)。

综上所述，1100纱锭排布形式，保证纱锭在分支交叉处不干涉的条件是每个分支上所有叶轮总槽口数是4的整数倍。

同样的方法，可以推导出：10纱锭排布形式，保证纱锭在分支交叉处不干涉的条件是每个分支上所有叶轮总槽口数是2的整数倍。100纱锭排布形式，保证纱锭在分支交叉处不干涉的条件是每个分支上所有叶轮总槽口数是3的整数倍。1000纱锭排布形式，保证纱锭在分支交叉处不干涉的条件是每个分支上所有叶轮总槽口数是4的整数倍。111000纱锭排布形式，保证纱锭在分支交叉处不干涉的条件是每个分支上所有叶轮总槽口数是6的整数倍。也就是说，当平带编织纱锭轨道上所有叶轮的总槽口数为纱锭排布周期的倍数时，在不同的平带编织纱锭轨道上的纱锭在轨道交叉处不发生干涉。

同一分支上纱锭干涉问题研究。

分支上的干涉主要是因为在同一分支上，相邻叶轮在传递纱锭时，正对的两个槽口可能同时携带纱锭。如图7所示，令实线为纱锭正向运动轨道，虚线为纱锭逆向运动轨道。实心圆点处为纱锭可能出现干涉的位置。为保证编织过程中分支上纱锭不发生干涉，纱锭排布规律和叶轮槽口数同样需要满足一定的配合关系。

以1100纱锭排布形式为例，周期为4。只需要保证相邻叶轮交接处连续通过四个槽口纱锭不发生干涉，即可保证整个编织过程中，通过此位置的纱锭都不发生干涉。

在图7中，从某一时刻开始，令从右侧分支沿着逆向轨道连续通过a处的槽口携带纱锭情况为1100，为了避免在a处纱锭出现干涉，从开始时刻，沿着正向轨道通过a处的槽口携带纱锭情况必须为0011。记a处为一号槽口，在开始时刻，纱锭沿着①号叶轮逆时针排布为001100110011……为了保证纱锭不干涉，再次排到a处时，槽口携带纱锭情况为1，且接下来通过a处的三个槽口携带纱锭情况为100。所以①号叶轮需要有4x+2(x＝1,2,3…)个槽口。

分析b处时，可以将①号和②号叶轮看做一个等效的大叶轮，使用上述方法可得出类似的结论，等效大叶轮需要有4y+2(y＝1,2,3…,y>x)个槽口。所以②号叶轮的槽口数为4(y-x)个。其它实心圆点处都可以使用这种等效的方法得出叶轮齿槽数的约束条件。

综上所述，对于1100纱锭排布形式，分支端部叶轮槽口数减去2后必须为4的整数倍，分支中间叶轮槽口数必须为4的整数倍。

同样的方法可推导出，10纱锭排布形式，分支端部叶轮槽口数减去1后必须为2的整数倍，分支中间叶轮槽口数必须为2的整数倍。

111000纱锭排布形式，分支端部叶轮槽口数减去3后必须为6的整数倍，分支中间叶轮槽口数必须为6的整数倍。

由此可见，对于饱和纱锭排布形式，当平带编织纱锭轨道上端部叶轮的槽口数减去一半的纱锭排布周期后为纱锭排布周期的倍数，且中间叶轮的槽口数为纱锭排布周期的倍数时，平带编织纱锭轨道上的纱锭在相邻叶轮交接处不发生干涉。

对于100和1000此类的不饱和纱锭排布形式(不携带纱锭的槽口数量大于携带纱锭的槽口数量)，同样可以使用分析1100排布形式的方法确定叶轮槽口数。但最终获得的叶轮槽口数约束条件和饱和纱锭排布形式略有不同。100纱锭排布形式，需要保证分支上，任意叶轮到分支端部的所有叶轮槽口数和不是3的倍数。1000纱锭排布形式，需要保证分支上，任意叶轮到分支端部的所有叶轮槽口数之和不是4的倍数。因此，对于不饱和纱锭排布形式，当平带编织纱锭轨道上端部叶轮的总槽口数不是纱锭排布周期的倍数时，平带编织纱锭轨道上的纱锭在相邻叶轮交接处不发生干涉。

不难发现，采用本发明设计的编织机，可实现复杂截面编织结构一次成型，织成的预成型件不需要裁剪，纤维不受损伤，保持了纤维的完整性，让制件有很好的力学性能。采用本发明设计的编织机结构简单，不需要添加拨叉，变轨转盘等复杂机械结构，也不需要复杂的控制系统，稳定性高。另外，在满足此方法中总结的纱锭不干涉条件下，编织机的叶轮槽口数和纱锭排布规律可根据需求改变，实现编织出的异形截面编织物在截面的不同部位编织结构不同，满足复杂的工况要求。