立体管状织物的三维圆织法成型

立体管状织物的三维圆织法成型周申华 单鸿波 孙志宏 毛立民（东华大学 纺织装备教育部工程研究中心，上海, 201620） 摘 要 现有立体纺织的成型主要有三维编织、立体机织、立体缝纫等方法，这些方法在立体管状织物的规格化、 连续化生产上具有一定的局限性。

本文提出了一种新的立体管状织物成型方法，即圆织法，该方法通过引纬器在圆 周方向同时引入连接面内纤维的纬纱及连接各层组织结构的垂纱，结合特定规律的经纱开口运动，以获得近于正交 组织结构的立体管状织物。

该方法可实现经纱的连续供给，成型效率高，适用于立体管状织物的规格化、连续化生 产，具有较好的发展前景。

关键词 立体管状织物； 三维圆织法； 纬向垂纱法 文献标志码：A中图分类号： TS 105Circular Weaving Method for 3D Tubular FabricZHOU Shen-hua, SHAN Hong-bo, SUN Zhi-hong, MAO Li-min(Donghua University, Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery, Ministry of Education, Shanghai 201620, China) Abstract The production methods for 3D fiber textile composites are 3D-braiding, 3D-weaving, 3D-stitching etc, but theyare still not very competent at making 3D tubular fabric due to lacking of standardizing and successive production. This article presents a 3D circular weaving method which can produce 3D tubular fabric of orthogonal weave structure. Weft yarns and binder yarns are put into the tubular fabric circumferentially by shuttles, connect the warp yarns both within weaving plane and through thickness of the fabric. By this method, warp yarns could be supplied continually and 3D tubular fabrics can be produced as a standard series with high continuity and efficiency, which may have a great prospect. Key words 3D tubular fabric; 3D circular weaving; “weft-in” binder yarn管状结构件是工程中广泛应用的基本构 件，采用树脂基高强纤维（如芳纶、碳纤维等） 制成的立体管状结构件具有质量轻、比刚度与 比强度高、耐疲劳性能优异、耐腐蚀性能好等 特点。

目前，随着纤维加工、纺织工程、复合 材料成型技术、先进制造工程等学科的不断发 展，以轻质高强复合材料所制作的立体管状织 物作为一种新兴的产业用纺织品，已成为一种 重要的结构材料，可用于制作各种结构支架、 输送管道、衬套、罩壳、超耐高温隔热管等产 品，在能源输送、环境保护、化学化工、航空 航天、生物化工、医学等多个领域有着广泛的 应用前景[1]，并且也被列入中国 2010-2015 年 产业用纺织品的重点发展领域之一，正得到越 来越广泛的应用。

本文将提出一种新的立体管状织物成型方 法，即三维圆织法，该方法通过一定规律的开 口及引纬动作， 可实现立体管状织物的规格化、 连续化生产，具有较好的发展前景。

1.现有三维织物成型方法分析立体管状织物的三维纺织成型主要有三维 编织、立体机织、立体缝纫等方法。

三维编织法是一种利用载纱器在按成型规 律设计的轨道中按规律运行而获得三维织物结 构件的方法。

如美国专利 5,337,647、4,719,837 和 6,439,096[3~5]等列举了与三维编织法相关的 成型机理及成型设备。

该方法由于在编制过程 中每一根纱线的运动都需要一个载纱器携带完 成，所以在编织大型结构件时，需要载纱器的 数量庞大，能耗大，运动控制复杂；同时，为 了使载纱器在运动过程中保持较低的负载和较 高的速度，载纱器的载纱量受到较大的限制， 连续生产的时间较短；此外，当一个载纱器的 纱线使用完毕后，为了避免后续连续停机更换 其他纱管， 需要将所有载纱器的纱管同时更换， 这样造成了大量的换管、接头的工作量，原材料的浪费较大且难以保证纱线接头的质量[7]。

立体机织方法主要用于织造平幅矩形立体 织物，在某些织物中间打断纱线形成中空形状 的实际案例也被采用。

针对管状及圆筒状立体 织物的立体机织法主要有“全自动机织”技术 [5] ，该技术主要采用与织物内径等径的泡沫塑 料芯来实现，织造时在泡沫塑料芯径向方向上 呈螺旋状植入一系列预先复合好的复合材料刚 性棒，然后将织造纱线依次分别沿周向和轴向 缠绕在刚性棒所形成的通道中形成织物。

该方 法的优点是能够形成各种形态的回转体立体织 物，适用于多品种小批量产品的生产，但在面 向大批量生产时，加工成本较高、速度较慢。

立体缝纫法主要机理是一种将平面织物进 行叠加达到所需的厚度，然后通过缝纫设备将 其用缝线连接为一个整体的成型方法。

其原理 简单，无需研发复杂的专用设备，且所获得的 织物或管状织物的形状较为丰富，但对结构用 复合材料立体织物的预成型件而言，在立体缝 纫工艺过程中缝针穿透织物时会对组织面内的 纤维造成损伤，且会使织物产生扭曲，导致复 合材料性能的降低。

[6][7] 综上所述，现有的三维纺织成型技术种类 较丰富，且各有其特色，可成型多种形态的立 体织物， 然而这些技术普遍共有生产成本较高、 生产速度较慢、生产连续性较差等不足，故其 主要适用于单件或小批量生产，而对于立体 管状织物这种采用系列化、批量化生产的产 业用纺织品而言， 上述方法就显得较难胜任。

平幅机织物面内组织圆织法织物面内组织图 1 两种织物面内组织 Fig.1 The two kinds of fiber structure in plane有纤维进行连接和增强，这一类纤维（纱线） 根据组织的不同被命名为垂纱、捆绑纱、固结 纱等，在项目的研究中，将其其定义为垂纱。

在立体管状织物中，经纱和纬纱分别处于轴向 和周向分布，垂纱呈径向分布。

垂纱与经纱和 纬纱一样，也需要连续不断地输送到织物组织 中，因而垂纱的边界走向通常可分为经向和纬 向两种，即在织造过程中垂纱分别可以由送经 机构或引纬机构以经纱或纬纱的引入方式引 入，对应形成了如图 2 所示的两种立体管状织 物的表面组织形态。

2.2 三维圆织法的成型机理2.三维圆织法及其成型机理2.1 圆织法织物的组织分析圆织法面内成型原理与常见的平幅机织 方法类似， 都是由经纱和纬纱交织构成织物。

不同点在于，常见的机织方法其经纱是水平 排列的，而圆织法的经纱是沿圆周轴向排列 的，纬纱则是沿周向连续引入织口，故在织 物中纬纱呈现为螺旋形态[8]。

相比而言，平 幅机织的纬纱通常沿水平方向分段引入织 口。

图 1 所示为平幅机织与圆织法织物两种 面内组织示意图。

利用圆织法成型的立体织物与二维织物 的显著不同在于：立体管状织物厚度方向上经向垂纱法组织形态纬向垂纱法组织形态图 2 两种立体管状织物的组织形态 Fig.2 The two kinds of 3D tubular structure由前述 2.1 可以分析出，经向垂纱法的成 型机理是利用部分经纱作为垂纱使用，在普通 的经纱形成开口与对应层的纬纱交织后，将这 部分经纱（即垂纱）在多层之间进行交织而形 成立体织物，其的优点是垂纱可像经纱一样连 续供给；但在成型过程中，垂纱也需要像经纱 一样进行开口时序控制， 垂纱引入机构较复杂。

而相比较而言，与经向垂纱法不同，纬向垂纱 法则采用引纬器以纬纱引入的方式向织物组织 内引入垂纱，该方法使垂纱要像纬纱一样定期 更换新纱管并接头，但却极大简化了垂纱引入 机构，便于后期设备的多样性研发，也使得由 于织物结构的不同而产生的设备变型成本较 低，研发柔性较好，正是基于此优点，本文以 纬向垂纱法作为立体管状织物的三维圆织法的 成型机理。

纬向垂纱法是通过引纬器引入垂纱，同时 对经纱的开口规律进行一定的控制，使之在纬 纱束紧时形成具有一定厚度的多层形态，且各 层之间也有纱线（即垂纱）连接，从而获得立 体管状织物的方法。

三维圆织法的基本原理见 图 3，图中所示为管状织物组织沿径向剖切并局部展开的效果，其组织由三组经纱、三组纬 纱和一组垂纱构成，即组织厚度约为 3 个经纱 直径单位。

织造开始前，所有经纱皆在同一圆柱面内 排布，并按规律开口，依次通过引纬器引入 3 组纬纱，形成图 3 (a)所示的交织。

需要指出的 是，经纱开口时每一层经纱所对应的纬纱只与 该层经纱形成交织，而不与其他层经纱交织。

例如图 3(a)的纬纱 1（点划线） ，该纬纱只与经 纱组 1（○）交织，而经纱组 2 和经纱组 3 都只 经过纬纱 1 的下方，不与其发生任何交织。

与 纬纱不同的是，垂纱（实线）是在每 3 根一组 的经纱开口中引入的，其目的是将各层的经纱 连结成一个不可分的整体。

由于引纬器是沿圆周方向不断运动的，因 而在纱线张力的作用下纬纱会自然地圆心收 紧。

因为各层经纱都不与其他层的纬纱形成交 织，所以在纬纱收紧的过程中各层的经纱便形 成分离和位移，并趋向于厚度（即径向）方向， 如图 3 (b)所示，同时垂纱仍然将各层之间进行 连结，从而形成具有一定厚度的三维立体纺织 结构（图 3 (c) ） 。

(a) 平面状态示意图收 紧 方 向 → (b) 多层分离示意图(c) 成型组织示意图 图例说明 经纱组 1 经纱组 2 经纱组 3 纬纱 1 纬纱 2 纬纱 3 垂纱图 3 三维圆织法成型原理示意图（三层经纱单位厚度） Fig.3 The principle for circular weaving method3 结论及展望本文所三维圆织法成型机理是以纬向垂纱 法作为立体管状织物的三维圆织法的成型机 理，并将传统的平幅机织扩展到圆周方向的一 种新的成型方法，通过模拟试验，该成型机理 具有以下特点： 1） 织物组织结构可靠： 获得的立体管状织 物组织形态具有近于正交的结构，织物面内及 厚度方向力学性能可靠。