一种整体舵增强织物及其编织方法与流程

本发明涉及立体织物制备领域，具体是一种整体舵增强织物及其编织方法。

背景技术：

高超声速飞行器是未来航空航天领域的一个战略发展方向。为了保证飞行器在高超声速飞行过程中具有高效突防和精确制导，以实现超远程精确打击的目的，新一代飞行器普遍采用了控制效率较高的控制舵技术进行机动变轨。新一代临近空间飞行器长时间在大气层内高超声速飞行，热载荷温度高，气动加热严重，需要采用耐高温的非金属控制舵(cn201610060069.2)。

立体织物是非金属控制舵的增强结构相，显著提高了热结构材料性能。控制舵由中空的圆柱体形舵轴和长方体形舵面组合而成，舵轴承受较大的扭转载荷、舵面承受较大的弯曲载荷。现有的立体织物技术无法实现控制舵的舵轴与舵面的整体编织成型，同时也不能满足控制舵的不同部位具有不同承载能力的要求，需要开发一种新型的整体舵增强织物。

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，提供一种整体舵增强织物及其编织方法。该织物是一种耦合结构织物，分为舵轴和舵面两个区域，舵轴区织物为多向交织结构、舵面区织物为三向交织结构，两种结构通过贯穿宽度方向的纬纱系统实现无缝连接，形成一个整体织物。舵轴区织物的多向交织结构中包含了围绕舵轴中心线螺旋取向的斜向纱线，可以有效提高舵轴的抗扭性能。同时，舵面区织物的三向交织结构中含有沿着舵平面伸直取向的经纱和纬纱，保证了舵面的抗弯性能。该织物的编织方法是在现有立体织物编织方法基础上，通过纱锭的多方向运动设计，灵活控制纱锭的运动，实现耦合结构编织，工艺简单，可操作性强。

本发明解决所述织物技术问题的技术方案是，将现有的控制舵的中空圆柱体形舵轴变换为中空正方体形舵轴，并与长方体形舵面组合在一起；舵轴区设计为一种多向交织结构织物，包括相互垂直交织的沿舵轴长度方向伸直的经纱系统、沿宽度方向伸直的纬纱系统、沿厚度方向伸直的法向纱系统，以及围绕舵轴中心线沿逆时针螺旋取向的+θ斜向纱系统和沿顺时针螺旋取向的-θ斜向纱系统；舵面区设计为一种三向交织结构织物，包括相互垂直交织的沿舵面长度方向伸直的经纱系统、沿宽度方向伸直的纬纱系统和沿厚度方向伸直的法向纱系统；沿宽度方向伸直的纬纱系统贯穿舵轴区和舵面区，将两种交织结构无缝连接在一起，形成一个整体织物。

为了保证舵轴的抗扭性能，多向交织结构织物中至少包含一组相邻的斜向纱系统，+θ斜向纱系统和-θ斜向纱系统，且斜向纱线与舵轴中心线的倾斜角θ为30°～60°，当倾斜角θ为45°时舵轴的抗扭性能最好。

本发明解决所述编织方法技术问题的技术方案是，设计一种整体舵增强织物的编织方法。该编织方法包括顺序工艺相接的如下步骤：

(1)初始排纱：①主体纱锭排列。编织机上主体纱锭的排列分为舵轴区和舵面区，舵轴区的主体纱锭排列为中空的正方形，排列为n行n列且中空c行c列；舵面区的主体纱锭排列为矩形，排列为n行m列。②法向纱纱锭排列。在主体纱锭外围的列间，按间隔方式排列法向纱纱锭；在舵轴区的中空内侧的列间，按间隔方式排列法向纱纱锭。③纬纱纱锭排列。在主体纱锭外围的行间，按间隔方式排列纬纱纱锭；在舵轴区的中空内侧的行间，按间隔方式排列法向纱纱锭。在每个纱锭上悬挂纱线。

(2)纱锭运动设计：舵轴区以轴心为中心点，从内向外设计n个同心的八边形轨迹，相邻两个八边形轨迹为一组，轨迹上的纱锭分别沿逆时针方向和顺时针方向运动，轨迹外的纱锭在编织过程中保持不动；舵面区的纱锭在编织过程中始终保持不动。逆时针运动的纱锭携带的纱线为+θ斜向纱线，顺时针运动的纱锭携带的纱线为-θ斜向纱线，不动纱锭携带的纱线为经纱。

(3)斜向纱运动：舵轴区的八边形轨迹上的纱锭携带+θ斜向纱和-θ斜向纱分别沿逆时针方向和顺时针方向运动，且每步运动1个纱锭位置。

(4)法向纱运动：法向纱纱沿着列间隙穿过主体纱锭，且相邻的法向纱纱锭的运动方向相反。

(5)纬纱运动：纬纱纱沿着行间隙穿过主体纱锭，贯穿舵轴区和舵面区，且相邻的纬纱纱锭的运动方向相反。

(6)压紧纱线：在纱锭构成的列间隙中，插入压纱机构，压纱机构向织口平移，将法向纱和纬纱压入织口，然后压纬机构退出织物。

(7)重复所述工艺步骤(3)-(6)，直至达到控制舵的舵面区织物的目标长度后，将舵面区的纱线从织口处减掉。

(8)继续重复所述工艺步骤(3)-(6)，直至达到控制舵的舵轴区织物的目标长度，即得到整体舵增强织物。

本发明未述及之处适用于现有技术。

本发明提供的整体舵增强织物是由两种交织结构耦合而成，舵轴区的多向交织结构中引入了围绕舵轴中心线螺旋取向的斜向纱线，具有良好的抗扭转性能；舵面区的三向交织结构中纱线沿着舵面的长度和宽度方向伸直排列，具有良好的抗弯曲性能。通过在不同区域设计不同的交织结构，满足了控制舵不同区域具有不同性能的要求。

本发明提供的整体舵增强织物是一个整体织物，两个区域的不同交织结构通过引入沿宽度方向连续贯穿舵轴区和舵面区的纬纱系统无缝连接在一起，结构均匀，保证了连接区域的性能。

本发明提供的整体舵增强织物编织方法是在现有织物编织技术基础上，通过纱锭的多方向运动设计，灵活控制每个纱锭的运动，工艺简单，可操作性强。

附图说明

图1为现有的控制舵外形图。

图2为本发明变换后的控制舵外形图。

图3为本发明实施例1中的整体舵增强织物结构示意图。

图4为本发明实施例1中的整体舵增强织物的舵轴区结构的局部示意图

图5为本发明实施例1中的整体舵增强织物的舵面区结构的局部示意图

图6为本发明实施例1中的整体舵增强织物的初始排纱示意图。

图7为本发明实施例1中的整体舵增强织物的纱锭运动设计示意图。

图8为本发明实施例1中的整体舵增强织物的法向纱纱锭运动示意图。

图9为本发明实施例1中的整体舵增强织物的纬纱纱锭运动示意图。

图10为本发明实施例2中的控制舵外形图。

图11为本发明实施例2中的整体舵增强织物的纱锭运动设计示意图。

图中，4为经纱(或经纱纱锭)，5为纬纱(或纬纱纱锭)，6为法向纱(或法向纱纱锭)，7为+θ斜向纱(或+θ斜向纱纱锭)，8为-θ斜向纱(或-θ斜向纱纱锭)，其中，θ为斜向纱与织物长度方向的倾斜角(参见图3)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步叙述本发明。但本申请权利要求保护的内容不受限于下面所述的实施例。

现有的控制舵由中空圆柱体形舵轴1和长方体形舵面2组成(参见附图1)。本发明为了实现舵轴和舵面的整体编织，将现有的控制舵的中空圆柱体形舵轴1变换为中空正方体形舵轴3，并与长方体形舵面2组合在一起(参见附图2)。本发明设计的整体舵增强织物是一个耦合结构织物(参见附图3)，包含舵轴区i和舵面区ii，这两个区域分别具有不同的交织结构。舵轴区i为一种多向交织结构(参见附图4)，包括相互交织的沿舵轴长度方向伸直的经纱4、沿宽度方向伸直的纬纱5、沿厚度方向伸直的法向纱6，以及围绕舵轴中心线沿逆时针螺旋取向的+θ斜向纱7和沿顺时针螺旋取向的-θ斜向纱8。舵面区ii为一种三向交织结构(参见附图5)，包括相互交织的沿舵面长度方向伸直的经纱4、沿宽度方向伸直的纬纱5和沿厚度方向伸直的法向纱6。沿宽度方向伸直的纬纱5连续贯穿舵轴区i和舵面区ii，将两种交织结构无缝连接在一起，形成一个整体织物。

本发明所述的整体舵增强织物的进一步特征在于舵轴区的多向交织结构中至少包含一组相邻的斜向纱系统，+θ斜向纱7和-θ斜向纱8，且斜向纱线与舵轴中心线的倾斜角θ为30°～60°，当倾斜角θ为45°时舵轴的抗扭性能最好。

下面给出本发明的具体实施例。

实施例1

研制一个整体舵增强织物，中空舵轴的外径为30mm、内径为15mm、长度为90mm；舵面的宽度为60mm、厚度为30mm、长度为60mm。经纱4、纬纱5、法向纱6、+θ斜向纱7和-θ斜向纱8均为12k碳纤维。织物横截面内纱线排列密度为6×6根/cm²，斜向纱排列为[45/-45]2，其中，45代表+θ斜向纱7与织物长度方向的倾斜角为45°，-45代表-θ斜向纱8与织物长度方向的倾斜角为-45°，下标2代表斜向纱的组数为2组。

织物工艺参数设计：

(1)中空圆柱体形舵轴变换成中空正方体形舵轴，变换后的舵轴外径对应的外切正方形，尺寸为30×30mm，内径对应的内接正方形的尺寸为10×10mm。

(2)舵轴区i的纱线行(列)数：纱线行(列)数＝织物横截面厚度(宽度)×纱线行(列)密度+1，外切正方形内纱线行(列)数n＝30/10×6+1＝19行(列)，内接正方形内纱线行(列)数c＝10/10×6+1＝7行(列)。

(3)舵面区ii的纱线行(列)数：纱线行数＝织物横截面厚度×纱线行密度+1，n＝30/10×6+1＝19行；舵面与舵轴的横截面沿宽度方向连接，所以，舵面横截面的纱线列数＝织物横截面宽度×纱线列密度，m＝60/10×6＝36列。

(4)舵轴区的斜向纱组数：斜向纱排列的最大组数＝(外切正方形内纱线行(列)数-内接正方形内纱线行(列)数)/2/2＝(19-7)/2/2＝3。舵轴内斜向纱的组数n取值为1-3组。本实施例中n＝2组。

(5)织物的纬密：织物纬密＝纱线行(列)密度×tan(θ)＝6×tan(45°)＝6根/cm。

(6)舵面区织物的纬数：舵面区的纬数＝舵面长度×织物纬密＝60/10×6＝36纬。

(7)舵轴区织物的纬数：舵轴区的纬数＝舵轴长度×织物纬密＝90/10×6＝54纬。

具体实施步骤：

(1)初始排纱：参加附图6。①主体纱锭排列。编织机上主体纱锭的排列分为舵轴区i和舵面区ii，舵轴区i的主体纱锭排列为中空的正方形，排列为19行19列且中空7行7列；舵面区ii的主体纱锭排列为矩形，排列为19行36列。②法向纱纱锭排列。在主体纱锭外围的列间，按间隔方式排列法向纱纱锭6；在舵轴区i的中空内侧的列间，按间隔方式排列法向纱纱锭6。③纬纱纱锭排列。在主体纱锭外围的行间，按间隔方式排列纬纱纱锭5；在舵轴区i的中空内侧的行间，按间隔方式排列纬纱纱锭5。在每个纱锭上悬挂纱线。

(2)纱锭运动设计：舵轴区i以轴心为中心点，从内向外设计4个同心的八边形轨迹，相邻两个八边形轨迹为一组，轨迹上的纱锭分别沿逆时针方向和顺时针方向运动，轨迹外的纱锭在编织过程中保持不动；舵面区ii的纱锭在编织过程中始终保持不动。逆时针运动的纱锭携带的纱线为+45斜向纱线7，顺时针运动的纱锭携带的纱线为-45斜向纱线8，不动纱锭携带的纱线为经纱4，参加附图7。

(3)斜向纱运动：舵轴区i的八边形轨迹上的纱锭携带+45斜向纱7和-45斜向纱8分别沿逆时针方向和顺时针方向运动，且每步运动1个纱锭位置，参加附图7。

(4)法向纱运动：法向纱纱锭6沿着列间隙穿过主体纱锭，且相邻的法向纱纱锭6的运动方向相反，参见附图8。

(5)纬纱运动：纬纱纱锭5沿着行间隙穿过主体纱锭，贯穿舵轴区i和舵面区ii，且相邻的纬纱纱锭5的运动方向相反，参见附图9。

(6)压紧纱线：在主体纱锭构成的列间隙中，插入压纱机构，压纱机构向织口平移，将法向纱和纬纱压入织口，然后压纬机构退出织物。

(7)重复所述工艺步骤(3)-(6)，编织至36纬，达到控制舵的舵面区织物的目标长度60mm，舵面区停止编织，将纱线从织口处减掉。

(8)继续舵轴区编织，重复所述工艺步骤(3)-(6)，编织至54纬，达到控制舵的舵轴区织物的目标长度90mm，即得到整体舵增强织物。

实施例2

研制一个整体舵增强织物(参见附图10)，舵轴位于控制舵中间，舵轴的为80×80mm、内孔为20×20mm、长度为600mm；左舵面的宽度为150mm、厚度为80mm、长度为300mm，右舵面的宽度为200mm、厚度为80mm、长度为300mm。经纱4、法向纱6、+θ斜向纱7和-θ斜向纱8均为12k碳纤维，纬纱5为3k×5股碳纤维。织物横截面内纱线排列密度为5×5根/cm²，纬纱密度为6根/cm²，斜向纱排列为[θ/-θ]3。

织物工艺参数设计：

(1)舵轴区i的纱线行(列)数：纱线行(列)数＝织物横截面厚度(宽度)×纱线行(列)密度+1，外切正方形内纱线行(列)数n＝80/10×5+1＝41行(列)，内接正方形内纱线行(列)数c＝20/10×5+1＝11行(列)。

(2)左舵面区ii的纱线行(列)数：纱线行数＝织物横截面厚度×纱线行密度+1，n＝80/10×5+1＝41行；舵面与舵轴的横截面沿宽度方向连接，所以，舵面横截面的纱线列数＝织物横截面宽度×纱线列密度，m＝150/10×5＝75列。

(3)右舵面区iii的纱线行(列)数：纱线行数＝织物横截面厚度×纱线行密度+1，n＝80/10×5+1＝41行；纱线列数＝织物横截面宽度×纱线列密度，m＝200/10×5＝100列。

(4)舵轴区i的斜向纱组数：斜向纱排列的最大组数＝(外切正方形内纱线行(列)数-内接正方形内纱线行(列)数)/2/2＝(41-11)/2/2＝7.5。舵轴内斜向纱的组数n取值为1-7组。本实施例中n＝3组。

(4)斜向纱线的倾斜角：斜向纱线的倾斜角的正且tan(θ)＝纬纱密度/纱线行(列)密度，θ＝tan^-1(6/5)＝50.2°。

(5)舵面区织物的纬数：舵面区的纬数＝舵面长度×织物纬密＝300/10×6＝180纬。

(6)舵轴区织物的纬数：舵轴区的纬数＝舵轴长度×织物纬密＝600/10×6＝360纬。

具体实施步骤：

(1)初始排纱：参加附图11。①主体纱锭排列。编织机上主体纱锭的排列分为舵轴区i、左舵面区ii和右舵面区iii，舵轴区i的主体纱锭排列为中空的正方形，排列为41行41列且中空11行11列；左舵面区ii的主体纱锭排列为矩形，排列为41行75列，右舵面区iii的主体纱锭排列为矩形，排列为41行100列。②法向纱纱锭排列。在主体纱锭外围的列间，按间隔方式排列法向纱纱锭6；在舵轴区i的中空内侧的列间，按间隔方式排列法向纱纱锭6。③纬纱纱锭排列。在主体纱锭外围的行间，按间隔方式排列纬纱纱锭5；在舵轴区i的中空内侧的行间，按间隔方式排列纬纱纱锭5。在每个纱锭上悬挂纱线。

(2)纱锭运动设计：舵轴区i以轴心为中心点，从内向外设计6个同心的八边形轨迹，相邻两个八边形轨迹为一组，轨迹上的纱锭分别沿逆时针方向和顺时针方向运动，轨迹外的纱锭在编织过程中保持不动；左舵面区ii和右舵面区iii的纱锭在编织过程中始终保持不动。逆时针运动的纱锭携带的纱线为+θ斜向纱线7，顺时针运动的纱锭携带的纱线为-θ斜向纱线8，不动纱锭携带的纱线为经纱4，参加附图11。

(3)斜向纱运动：舵轴区i的八边形轨迹上的纱锭携带+θ斜向纱7和-θ斜向纱8分别沿逆时针方向和顺时针方向运动，且每步运动1个纱锭位置。

(4)法向纱运动：法向纱纱锭6沿着列间隙穿过主体纱锭，且相邻的法向纱纱锭6的运动方向相反。

(5)纬纱运动：纬纱纱锭5沿着行间隙穿过主体纱锭，贯穿左舵面区ii、舵轴区i和右舵面区iii，且相邻的纬纱纱锭5的运动方向相反。

(6)压紧纱线：在主体纱锭构成的列间隙中，插入压纱机构，压纱机构向织口平移，将法向纱和纬纱压入织口，然后压纬机构退出织物。

(7)重复所述工艺步骤(3)-(6)，编织至36纬，达到控制舵的舵面区织物的目标长度180mm，舵面区停止编织，将纱线从织口处减掉。

(8)继续舵轴区编织，重复所述工艺步骤(3)-(6)，编织至360纬，达到控制舵的舵轴区织物的目标长度600mm，即得到整体舵增强织物。