三维正交织机双向开口机构的设计*

赵 梅 王益轩 路 超 韩斌斌

(西安工程大学机电工程学院，西安，710048)

与传统的二维纺织复合材料相比，三维正交纺织复合材料由于其优异的整体力学性能而得到了广泛的应用。然而随着对纺织复合材料机械性能要求的提高，三维正交非交织纺织复合材料已不能满足人们的要求。为了提高三维正交纺织复合材料的机械性能，人们研发了三维正交交织纺织复合材料。

三维正交交织织物又称为网格状织造的三维织物，它是由多层经纱和两组正交的纬纱相互交织而成的。要织出这种网格状织物结构，织造过程中的开口机构必须采用双向开口方式。Fukuta等提出了使织物的多层经纱与两组正交纬纱充分交织的三维织造技术，该技术不但可以形成织物宽度方向的横向开口，而且可以形成织物厚度方向的纵向开口，当横、纵向开口形成后引入纬纱，这样交替进行可以织出完全交织的三维织物［1］。在此基础上提出了三维正交织机采用双向开口方式。

本文主要介绍三维正交织机采用双向开口方式的开口机构，根据织物组织结构设计了双向平纹开口机构的功能模型，介绍了基本工作原理，并根据传统综框的标准，选定合适的尺寸，在Pro/E中建立双向综框的几何模型，利用 ANSYS/Workbench14.5对双向综框进行了动态特性分析，计算出了碳纤维复合材料综框与铝合金综框的固有频率和振型并作了比较，为双向综框的设计提供了理论依据和参考。

1 三维正交织机双向开口机构织造法

三维正交织机的开口机构采用了双向开口的方式，其用于织造完全交织的三维织物，即多层经纱的纵向和横向分别形成开口，使多层经纱与两组正交纬纱相互交织。多层经纱基本上是直线的，而其余一些与两组正交纬纱交织的纱线是螺旋状的，这样得到的织物是网格状的结构，见图1。

图2为一个双向开口形成过程的示意图。多层经纱最初处于水平位置［图2(a)］，在列方向的开口同时形成［图2(b)］，垂直开口中引入纵向纬纱Y后与多层经纱Z形成交织［图2(c)、图2(d)］，多层经纱在行方向的开口形成后引入横向纬纱 X与多层经纱 Z形成交织［图2(f)、图2(g)、图2(h)］。这样重复进行就可以织成完全交织的三维织物［图2(i)］。

图1 三维正交交织织物的结构示意图

图2 双向开口形成过程

采用这种织造法可以织造出高度整合的织物块，任何所需形状的预制坯都能从其上切割下来。由于这种织物块是完全交织的，所以切割下来的预制坯不需要在外表面进行任何接结操作来提高织物的整体性。双向开口机构织造法较传统织造法更有利于简化和加速织物的生产。

2 三维正交织机开口机构中双向综框的设计

根据织物的组织结构和织物形成过程，构造经纱双向开口机构，通过在三维正交织机的开口机构中采用双向开口可以织造出这种织物。本文仅研究双向平纹开口机构，其余复杂组织的双向开口机构可参考本文的方法设计。和普通的2D织机开口机构一样，双向平纹开口机构也有几种形式，如机械式(连杆机构、凸轮机构)、电子式(伺服电机传动)。本文构造的双向开口机构的基本原理如图3所示。

图3 三维正交织机开口机构原理图

综框10和综框11在两个平行的平面上，它们采用相同的连杆机构来驱动。驱动力矩传递给小齿轮1，通过小齿轮1和大齿轮2的啮合，驱使与大齿轮同轴固定的曲柄3(即偏心盘)作整周转动;曲柄3通过连杆4带动三臂摆杆摆动;通过综框连杆9带动综框10作上下往复运动。另一平面的机构与驱动上下运动综框的机构完全相同，只是综框11作水平往复运动。两个方向运动的综框可以有几十页，该机构能控制各页综框，使之按所需要的开口规律运动，从而织造出各种不同结构的织物，如斜纹、缎纹等。除了水平和垂直两个方向的综框运动要相互配合外，单向开口机构的设计与传统2D织机的开口机构设计完全相同，这里不再介绍，本文仅论述特殊综框的结构设计问题。

图4所示为水平运动的综框2和垂直运动的综框1以及其上的综眼。双向综框的运动使得在织物厚度和宽度方向分别形成了开口，这也是三维正交织机织造交织织物的关键环节。

图4 双向综框

在图4中，综框1和综框2放在两个平行的平面内，综片上有特别设计的综眼，6a称为积极经纱，积极经纱穿过的综眼是综框1的综眼(4ne)、综框2的综眼(4ne)或综框1和综框2综眼的叠加综眼(4se);6p称为消极经纱，消极经纱穿过的综眼是综框1和综框2叠加的长槽状开放空间(5e)。在连杆机构的带动下，综框1作竖直直线运动，综框2作水平直线运动，由于两个方向的综框运动，使得经纱在两个方向上分别形成了开口。综框的横向经纱编号为1～9行，纵向经纱编号为一～九列。奇数行的消极经纱(6p)穿过长槽状开放空间的综眼(5e)，静止不动;奇数行的积极经纱(6a)穿过综框2的综眼(4ne)，由综框2带动作水平往复运动。综框1中的偶数行积极经纱(6a)穿过综框1的综眼(4ne)，由综框1带动作垂直往复运动;而综框2中的偶数行积极经纱(6a)，先穿过综框2的竖直综眼，后穿过综框1的水平综眼，即综眼4se，随相应综框运动。在纵列(二、四、六、八列)中，一些积极经纱(6a)穿过综框2的综眼(4ne)，而该列的其余积极经纱(6a)穿过综眼(4se);在纵列(一、三、五、七、九列)中，所有的积极经纱穿过综框1的综眼(4ne)。

当综框1作垂直运动时，穿过综框1综眼(4ne)和重叠综眼(4se)的积极经纱(6a)随综框1一起上下移动;综框2的竖直综眼有足够的长度使得穿过综眼(4se)的积极经纱(6a)能够竖直移动一定的距离。然而穿过综框2综眼(4ne)的积极经纱(6a)和消极经纱(6p)不移动，这样就与穿过综框1竖直移动的积极经纱(6a)配合形成了水平方向的开口(参见图2)。同理，由综框2的水平运动带动穿过综框2综眼(4ne)和重叠综眼(4se)的积极经纱(6a)作水平运动，与穿过综框1的积极经纱(6a)和消极经纱(6p)形成了竖直方向的开口(参见图2)。在每次开口形成时引入纬纱，这样就实现了经纱和纬纱的完全交织。

根据传统综框的标准，在Pro/E中建立了长1 800 mm，宽1 000 mm的双向综框三维模型，如图5所示。

图5 双向综框三维模型

3 双向综框的动力学特性分析

综框的工作性能与其动态性能密切相关。在处理结构振动问题时，必须对其动态特性有全面的了解。在建模过程中对综框结构进行简化，保留了主要发生振动的侧挡和横梁，这样可以提高计算效率［2］。在此去掉了综片，利用 ANSYS与 Pro/E的无缝连接，在ANSYS Workbench中进行网格划分，如图6所示。

图6 综框的有限元模型

在模态分析时，分别选取了铝合金和碳纤维复合材料进行计算，最后得到了两组综框的固有频率和模态振型并进行了比较。表1为碳纤维复合材料的主要参数，其中ρ为密度，E为弹性模量，G为剪切模量，P为泊松比。铝合金的密度为2 770 kg/m3，弹性模量为 71 GPa，泊松比为 0.33。

表1 碳纤维复合材料性能参数

使综框处于自由状态下进行模态计算，因为自由模态分析可以得到所有结构振型，便于我们设计时参考。这样综框就有6个刚体模态，在模态分析后的前6阶固有频率几乎全为零。表2为综框的前10阶固有频率。

表2 综框前10阶固有频率 (单位：Hz)

铝合金综框的质量为10.421 kg，碳纤维复合材料综框的质量为5.462 kg，综合比较，碳纤维复合材料综框可有效地减小惯性载荷，适应高速。由表2可知，两种综框的固有频率差别不大。其中较典型的振型如图7～图10所示。

图7 1阶振型

图8 4阶振型

图9 6阶综型

图10 9阶振型

由图7～图10可以看出：铝合金综框较碳纤维综框变形程度更大;第1阶振型沿综框平面法线方向发生弯曲变形;铝合金综框的第4阶振型主要表现为综框的弯曲变形，横梁的左侧向前弯曲，右侧向后弯曲，综框的中心部位静止不动，最大变形区出现在综框的两端，同时两边的侧挡上也发生了一定程度的弯曲变形，而碳纤维综框的振型主要表现为侧挡和横梁向一侧弯曲;碳纤维综框和铝合金综框的第9阶振型都是发生弯曲变形，只是铝合金综框的弯曲程度更大。总之，对于同样规格的综框，碳纤维复合材料综框相对于铝合金综框有较好的动态特性。

4 结语

三维正交织机采用了双向开口机构即双向综框，可以织出完全交织的织物，这种织物可以大大提高其力学性能，满足工程织物的需求。本文主要介绍了双向综框的作用及工作原理，并根据传统的综框在 Pro/E中建立了双向综框的模型，利用ANSYS/Workbench14.5进行模态分析。选取碳纤维复合材料和铝合金为综框材料，得到了相应的固有频率和振型，对前10阶振型进行了分析，得出了综框主要以弯曲和弯扭曲变形为主，最大变形区域集中在侧挡、侧挡和横梁的连接处、横梁的中间位置、距离横梁中间位置1/4处及端部。本文的研究结果为双向综框的设计提供了理论参考。

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