本發(fā)明涉及一種新型2.5D類緞紋織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，屬于立體織物織造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)織物是由兩個系統(tǒng)的紗線交織而成，沿織物長度方向排列是經(jīng)紗，沿織物幅寬方向排列的是緯紗，織物厚度一般較薄，故視為二維織物。運(yùn)用玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維和碳纖維等高性能纖維織造的二維織物，經(jīng)鋪層工藝能夠制造出具有高比強(qiáng)度、高比模量、質(zhì)量輕的鋪層復(fù)合材料。在使用中二維織物復(fù)合材料最大的缺點是厚度方向性能弱，在承受較大的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力時容易在層間結(jié)合弱出產(chǎn)生分層，加速復(fù)合材料在受載條件下的破壞?？狗謱幽芰θ醯娜秉c限制了由二維織物鋪層復(fù)合而成的鋪層復(fù)合材料的使用。

三維機(jī)織物是一種替代短纖維和鋪層板增強(qiáng)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，三維機(jī)織技術(shù)利用多層經(jīng)紗織造方法，將若干經(jīng)紗和緯紗層相互接結(jié)而形成具有一定厚度的三維預(yù)制體。也就是說，三維機(jī)織物織造工藝就是把經(jīng)向紗、緯向紗和Z向紗通過多種方式整合為一體的交織成型工藝。三維機(jī)織物通常分為兩類：三向正交機(jī)織物和三維角連鎖機(jī)織物。三向正交機(jī)織物由經(jīng)紗、緯紗和Z向紗三個系統(tǒng)的紗線組成，其結(jié)構(gòu)特點為經(jīng)緯紗線在織物中相互成90°沿長度方向排列，Z向紗貫穿整個厚度方向?qū)⒖椢锔鞲鹘?jīng)緯層連接在一起，形成一個完整的結(jié)構(gòu)。三向正交織物中紗線屈曲小，厚度方向由Z向進(jìn)行連接。因此，三向正交織物增強(qiáng)復(fù)合材料在主纖維方向具有很好的剛度和強(qiáng)度，在厚度方向具有良好的抗沖擊性能及抗分層性能。三維角連鎖織物中經(jīng)紗與相鄰層面的緯紗接結(jié)，通過經(jīng)緯紗接結(jié)層層相連形成一個三維結(jié)構(gòu)。根據(jù)經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)和接結(jié)層數(shù)可分為層層斜交角聯(lián)、層層正交角聯(lián)鎖、P層斜交角聯(lián)鎖機(jī)織物、P層正交角連鎖機(jī)織物、通厚度斜交角聯(lián)鎖、通厚度正交角聯(lián)鎖織物(三維正交織物)，上述Z向紗沒有貫穿厚度的結(jié)構(gòu)稱為2.5D結(jié)構(gòu)。針對不同的使用要求，可以在長度、寬度和厚度方向增加紗線進(jìn)行增強(qiáng)，故又分為經(jīng)向增強(qiáng)2.5D織物、緯向增強(qiáng)2.5D織物、經(jīng)緯雙向增強(qiáng)2.5D織物和法向增強(qiáng)2.5D織物。

在設(shè)計和織造2.5D緞紋織物時，經(jīng)紗往往需要穿過數(shù)層經(jīng)緯紗才能與緯紗產(chǎn)生交織，使其在織造中開口引緯工序比織造2.5D平紋織物繁瑣。在厚度較小的2.5D緞紋織物中，經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)導(dǎo)致單位體積內(nèi)2.5D緞紋織物中經(jīng)紗的纖維體積含量遠(yuǎn)小于2.5D平紋織物，使2.5D緞紋織物不能作為預(yù)制件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)使用于經(jīng)向拉伸性能要求較高的復(fù)合材料。因此，具有較高經(jīng)紗纖維體積含量的2.5D緞紋織物能夠代替2.5D緞紋織物，應(yīng)用于功能型、仿生型、異形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，作為預(yù)制件織物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是一種2.5D類緞紋的設(shè)計方法，設(shè)計的織物具有2.5D緞紋浮長線結(jié)構(gòu)特征，但是在結(jié)構(gòu)上與2.5D緞紋織物完全不同，是一種新型的2.5D緞紋織物。2.5D類緞紋織物設(shè)計思路如下：兩個具有相同循環(huán)數(shù)的平面織物中，平面織物中經(jīng)緯紗呈互相擠緊狀態(tài)，將平面織中相鄰的經(jīng)緯紗之間增加一定間距，形成多條經(jīng)緯向引紗通道，在經(jīng)緯向形成的通道中引入下層織物的經(jīng)緯紗，依次層層嵌套組合形成新型2.5D類緞紋結(jié)構(gòu)，伸長的經(jīng)緯紗形成2.5D類緞紋織物中的浮長線。

本發(fā)明所設(shè)計2.5D類緞紋通過改變基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和交織結(jié)構(gòu)能夠衍生出多種2.5D類緞紋結(jié)構(gòu)，設(shè)計方法如下：

1、選擇兩種具有相同循環(huán)數(shù)的簡單平面織物，經(jīng)過結(jié)構(gòu)變形后依次層層嵌套組合形成新型2.5D類緞紋結(jié)構(gòu)，兩種平面織物的組織結(jié)構(gòu)可以相同或不同。

2、緯紗陣列設(shè)計。2.5D類緞紋織物結(jié)構(gòu)是由兩個簡單平面織物交替層層嵌套而成，因此，相鄰的緯紗陣列在厚度方向有一定距離的錯位。

3、設(shè)計2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)。通過改變平面織物組織結(jié)構(gòu)、組合順序、增加平面織物循環(huán)數(shù)以及改變坐標(biāo)系來設(shè)計確定2.5D類緞紋表面紋路結(jié)構(gòu)。

4、經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)。將所有參與嵌套的平面織物層層交錯堆疊，控制部分經(jīng)浮長線與其它層緯紗產(chǎn)生交織，位于上層織物中的經(jīng)紗可以將下層織物中的緯紗捆綁在一起形成一個完整的新型2.5D緞紋織物。

2.5D類緞紋織物結(jié)構(gòu)設(shè)計方法路線為：確定簡單平面織物組織結(jié)構(gòu)→確定2.5D類緞紋緯紗框架結(jié)構(gòu)→確定2.5D類緞紋表面織物紋路→確定2.5D類緞紋織物中經(jīng)緯紗交織方式→完成一種2.5D類緞紋緞紋織物結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體內(nèi)容如下：

1、選擇兩種具有相同最小循環(huán)數(shù)的簡單平面織物，經(jīng)過結(jié)構(gòu)變形后依次層層嵌套組合形成新型2.5D類緞紋結(jié)構(gòu)。平面織物組織結(jié)構(gòu)是循環(huán)數(shù)n≥3的所有緞紋織物組織結(jié)構(gòu)。構(gòu)成2.5D織物的兩個平面織物組織可以是相同的，也可以是不同的。

2、2.5D類緞紋織物緯紗陣列。本專利設(shè)計的2.5D類緞紋織物結(jié)構(gòu)是由兩個簡單平面織物交替層層嵌套而成。因此，相鄰的緯紗陣列在厚度方向有一定距離的錯位。由兩個平面織物(循環(huán)數(shù)為n)嵌套形成的2.5D類緞紋織物，其最小循環(huán)數(shù)為2n；緯紗陣列以M：M+1根間隔排列。根據(jù)n和M的大小可以預(yù)先設(shè)置2.5D類緞紋織物結(jié)構(gòu)中緯紗陣列結(jié)構(gòu)。

3、2.5D類緞紋織物表面紋路設(shè)計。用坐標(biāo)對平面織物組織結(jié)構(gòu)和2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號。將兩個平面織物組織結(jié)構(gòu)通過變換平面織物組織結(jié)構(gòu)、變換坐標(biāo)系以及增加平面織物循環(huán)數(shù)設(shè)計2.5D織物表面紋路。設(shè)計的表面紋路可以確定2.5D織物中經(jīng)緯紗交織點的起始位置，控制交織點處經(jīng)紗與緯紗的交織，可使每個平面緞紋逐層連接起來形成一個完整的2.5D織物結(jié)構(gòu)。

4、2.5D類緞紋織物結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗交織。本專利所設(shè)計的2.5D織物結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗有多種交織方式，可以分為如下三類：

(1)倒三角形交織。依照表面紋路圖，在一個2.5D類緞紋織物中，經(jīng)紗與各層緯紗交織后，經(jīng)紗在織物中穿過的路勁呈倒三角形。

(2)倒梯形交織。依照表面紋路圖，在一個2.5D類緞紋織物中，經(jīng)紗與各層緯紗交織后，經(jīng)紗在織物中穿過的路徑呈倒梯形。

(3)可以將(1)和(2)中所提的兩種交織方式混合運(yùn)用。

5、將各個經(jīng)紗列按照交織點的位置和經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)與緯紗陣列相互組合，就可完成2.5D織物結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是經(jīng)過結(jié)構(gòu)變形的平面織物層層嵌套形成2.5D類緞紋織物的思路圖，其中曲線為經(jīng)紗，橢圓為緯紗。

圖2和圖3分別是列數(shù)為2n的緯紗陣列的右視圖和俯視圖。

圖4～圖7為平面織物的坐標(biāo)系，圖8為2.5D類緞紋的坐標(biāo)系。

圖9為2n×2n空白方格，在其中繪制2.5D類緞紋織物表面紋路組織點。

圖10和圖11是經(jīng)緯紗的兩種交織方式，圖10為倒三角形交織，圖11為倒梯形交織。

圖12～圖15是n＝3的平面織物組織結(jié)構(gòu)圖，圖中黑色點代表經(jīng)紗與緯紗的交織點，白色點代表緯紗。

圖16是以2n＝6，M＝4為參數(shù)的2.5D類緞紋織物緯紗陣列結(jié)構(gòu)圖。

圖17～圖26以2n＝6為參數(shù)的2.5D類緞紋織物表面紋路設(shè)計圖，其中，圖17、19、22和24為坐標(biāo)系編號圖，圖18、20、21、23、25和26組織結(jié)構(gòu)合成圖。

圖27是以2n＝6為參數(shù)的2.5D類緞紋織物中一根經(jīng)紗與緯紗列的交織。

圖28是以2n＝6為參數(shù)的2.5D類緞紋織物中一列經(jīng)紗與緯紗列的交織。

圖29是最終完成的2.5D類緞紋織物的三維結(jié)構(gòu)示意圖，其參數(shù)為2n＝6，M＝4。

圖30和圖31是n＝的緞紋織物組織結(jié)構(gòu)圖，圖中黑色點代表經(jīng)紗與緯紗的交織點，白色點代表緯紗。

圖32是以2n＝8，M＝4為參數(shù)的2.5D類緞紋織物緯紗陣列結(jié)構(gòu)圖。

圖33～圖35是以2n＝8為參數(shù)的2.5D類緞紋織物表面紋路設(shè)計圖，其中，圖33為坐標(biāo)系編號圖，圖34和35組織結(jié)構(gòu)合成圖。

圖36是以2n＝8為參數(shù)的2.5D類緞紋織物中一根經(jīng)紗與緯紗列的交織。

圖37是以2n＝8為參數(shù)的2.5D類緞紋織物中一列經(jīng)紗與緯紗列的交織。

圖38是最終完成的2.5D類緞紋織物的三維結(jié)構(gòu)示意圖，其參數(shù)為2n＝8，M＝4。

具體實施方式

1、確定兩個具有相同循環(huán)數(shù)的平面織物結(jié)構(gòu)。兩個平面織物的循環(huán)數(shù)n≥3，兩個平面織物可以是相同的組織結(jié)構(gòu)，也可以是不同的組織結(jié)構(gòu)。

2、2.5D類緞紋織物緯紗陣列。確定了平面織物循環(huán)數(shù)n后，就能夠確定2.5D類緞紋織物循環(huán)數(shù)2n的大小，并設(shè)計M的大小，M與n無關(guān)，可自由設(shè)計。確定2n和M的大小后，繪制2.5D類緞紋織物緯紗陣列結(jié)構(gòu)圖，陣列圖由多個緯紗列構(gòu)成，由于平面織物嵌套作用如圖1所示，使圖2所示2.5D類緞紋織物緯紗陣列具有錯位效果，圖3所示為2n個緯紗列組成的緯紗陣列的俯視圖。

3、2.5D類緞紋織物表面紋路設(shè)計。用坐標(biāo)系對平面織物組織結(jié)構(gòu)圖(n×n)和2.5D類緞紋織物表面結(jié)構(gòu)圖(2n×2n)交織點進(jìn)行編號，如X-Y，X代表行數(shù)，Y代表列數(shù)；平面織物有兩種坐標(biāo)系，第一種如圖4和圖5所示，第二種如圖6和圖7所示；2.5D類緞紋坐標(biāo)系如圖8所示。完成標(biāo)號后，可通過變換平面織物組織結(jié)構(gòu)、變換坐標(biāo)系以及增加平面織物循環(huán)數(shù)設(shè)計2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)圖，并將坐標(biāo)系確定的組織點畫入圖9所示的2n×2n方格中。設(shè)計的2.5D類緞紋表面紋路交織點可以確定2.5D類緞紋織物中經(jīng)緯紗交織點的起始位置，控制交織點處經(jīng)紗與緯紗的交織，可使每個平面緞紋逐層連接起來形成一個完整的2.5D類緞紋織物結(jié)構(gòu)。

4、2.5D類緞紋織物結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗交織。本專利所設(shè)計的2.5D織物結(jié)構(gòu)中經(jīng)緯紗有多種交織方式，可以分為如下三類：

(1)倒三角形交織。圖10所示，依照表面紋路圖，在一個2.5D類緞紋織物中，經(jīng)紗與各層緯紗交織后，經(jīng)紗在織物中穿過的路勁呈倒三角形。

(2)倒梯形交織。圖11所示，依照表面紋路圖，在一個2.5D類緞紋織物中，經(jīng)紗與各層緯紗交織后，經(jīng)紗在織物中穿過的路徑呈倒梯形。

(3)可以將(1)和(2)中所提的兩種交織方式混合運(yùn)用。

5、將各個經(jīng)紗列按照交織點的位置和經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)與緯紗陣列相互組合，就可完成2.5D織物結(jié)構(gòu)。

實施例

實施例1

1、確定平面織物結(jié)構(gòu)。選用循環(huán)數(shù)n＝3的平面織物，可以選用兩個相同組織結(jié)構(gòu)或兩個不同組織結(jié)構(gòu)。循環(huán)數(shù)n＝3的緞紋織物組織結(jié)構(gòu)采用如圖12～15所示的4種結(jié)構(gòu)。

2、確定2.5D類緞紋織物的緯紗陣列。2.5D緯紗陣列列數(shù)為2n＝6，設(shè)計M＝4，則循環(huán)數(shù)為6的2.5D類緞紋織物緯紗陣列圖如圖16所示，其中緯紗以5∶4間隔排列。

3、2.5D類緞紋織物表面紋路設(shè)計。平面緞紋組織結(jié)構(gòu)用3×3的坐標(biāo)系進(jìn)行編號，2.5D類緞紋表面紋路結(jié)構(gòu)用6×6的坐標(biāo)系進(jìn)行編號。

(1)兩個相同平面緞紋組織結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)。

用圖17(a)和(b)坐標(biāo)系對圖18(a)和(b)中的組織點進(jìn)行編號，每個組織點都有各自的坐標(biāo)編號，用對應(yīng)坐標(biāo)編號在圖17(c)中找到對應(yīng)位置，并將組織點填入空白的6×6的表格中，形成如圖18(c)所示的2.5D類緞紋表面結(jié)構(gòu)圖。

(2)改變平面緞紋組織結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)。

用圖19(a)和(b)坐標(biāo)系對圖20(a)、(b)和21(a)、(b)中的組織點進(jìn)行編號，每個組織點都有各自的坐標(biāo)編號，用對應(yīng)坐標(biāo)編號在圖19(c)中找到對應(yīng)位置，并將組織點填入空白的6×6的表格中，形成如圖20(c)和21(c)所示的2.5D類緞紋表面結(jié)構(gòu)圖。

(3)改變坐標(biāo)系設(shè)計2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)。

改變2.5D類緞紋坐標(biāo)系，將坐標(biāo)系顛倒左右方向形成如圖22所示坐標(biāo)系。用圖22(a)和(b)坐標(biāo)系對圖23(a)和(b)中的組織點進(jìn)行編號，每個組織點都有各自的坐標(biāo)編號，用對應(yīng)坐標(biāo)編號在圖22(c)中找到對應(yīng)位置，并將組織點填入空白的6×6的表格中，形成如圖23(c)所示的2.5D類緞紋表面結(jié)構(gòu)圖。

改變平面織物坐標(biāo)系，同圖7和圖8所示坐標(biāo)系，對應(yīng)坐標(biāo)系如圖24所示。用圖24(a)和(b)坐標(biāo)系對圖25(a)、(b)和26(a)、(b)中的組織點進(jìn)行編號，每個組織點都有各自的坐標(biāo)編號，用對應(yīng)坐標(biāo)編號在圖24(c)中找到對應(yīng)位置，并將組織點填入空白的6×6的表格中，形成如圖25(c)和26(c)所示的2.5D類緞紋表面結(jié)構(gòu)圖。

最終選定圖23(c)為循環(huán)數(shù)2n＝6的2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)。

4、選擇經(jīng)緯紗交織方式。選用倒三角經(jīng)緯紗交織方式，經(jīng)過經(jīng)緯紗交織設(shè)計后，循環(huán)數(shù)2n＝6的2.5D類緞紋織物中經(jīng)緯紗的交織方式如圖27所示，在圖27的基礎(chǔ)上完成該列經(jīng)紗與緯紗的交織設(shè)計，如圖28所示。

5、參照圖23(c)中所示2.5D類緞紋織物表面紋路，確定每組經(jīng)紗列的交織起始點，以圖28中經(jīng)緯紗交織形成過程為例，完成其余5組經(jīng)紗列與緯紗列的交織配置，最后形成一個完整的2.5D類緞紋經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)圖，如圖29所示。

實施例2

實施例2

補(bǔ)充說明實施例1。主要對增加循環(huán)數(shù)設(shè)計2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)圖加以說明。

具體內(nèi)容如下：

1、確定平面織物結(jié)構(gòu)。選用循環(huán)數(shù)n＝4的平面織物，選用兩個不同的組織結(jié)構(gòu)，確定所用的結(jié)構(gòu)如圖30和圖31所示。

2、確定2.5D類緞紋織物的緯紗陣列。2.5D緯紗陣列列數(shù)為2n＝8，設(shè)計M＝4，則循環(huán)數(shù)為8的2.5D類緞紋織物緯紗陣列圖如圖32所示，其中緯紗以5∶4間隔排列。

3、2.5D類緞紋織物表面紋路設(shè)計。平面緞紋組織結(jié)構(gòu)用4×4的坐標(biāo)系進(jìn)行編號，2.5D類緞紋表面紋路結(jié)構(gòu)用8×8的坐標(biāo)系進(jìn)行編號。

(1)兩個相同平面緞紋組織結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)。

用圖33(a)和(b)坐標(biāo)系對圖34(a)和(b)中的組織點進(jìn)行編號，每個組織點都有各自的坐標(biāo)編號，用對應(yīng)坐標(biāo)編號在圖33(c)中找到對應(yīng)位置，并將組織點填入空白的8×8的表格中，形成如圖34(c)所示的2.5D類緞紋表面結(jié)構(gòu)圖。

(2)改變平面緞紋組織結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)。

用圖33(a)和(b)坐標(biāo)系對圖35(a)、(b)中的組織點進(jìn)行編號，每個組織點都有各自的坐標(biāo)編號，用對應(yīng)坐標(biāo)編號在圖33(c)中找到對應(yīng)位置，并將組織點填入空白的8×8的表格中，形成如圖35(c)所示的2.5D類緞紋表面結(jié)構(gòu)圖。

(3)改變坐標(biāo)系設(shè)計2.5D類緞紋織物表面結(jié)構(gòu)方法參見實施例1。

最終選定圖35(c)為循環(huán)數(shù)2n＝8的2.5D類緞紋織物表面紋路結(jié)構(gòu)。

4、選擇經(jīng)緯紗交織方式。選用倒三角經(jīng)緯紗交織方式，經(jīng)過經(jīng)緯紗交織設(shè)計后，循環(huán)數(shù)2n＝6的2.5D類緞紋織物中經(jīng)緯紗的交織方式如圖36所示，在圖36的基礎(chǔ)上完成該列經(jīng)紗與緯紗的交織設(shè)計，如圖37所示。

5、參照圖35(c)中所示2.5D類緞紋織物表面紋路，確定每組經(jīng)紗列的交織起始點，以圖36中經(jīng)緯紗交織形成過程為例，完成其余7組經(jīng)紗列與緯紗列的交織配置，最后形成一個完整的2.5D類緞紋經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)圖，如圖38所示。