三维整体编织技术

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5）Byun, J. H.,Whitney , T. J., DU ,G. W.& Chou，T .W. Analytical Characterization of two－step braided Composites. J.Comp Mater.,25(1991) P1599-1618. 1991年 Byun和Chou等人总结了二步法三维编织 预制件中影响复合材料力学性能的纤维束结构。在确 定了微观结构特点同时，提出了一种方法，即根据贯 穿复合材料横截面和花节长度的大单元体进行分析， 认为这对于具有比较复杂结构的编织复合材料来讲是 行之有效的。
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2）W. Li, M. Hammad, and A. El-Shiekh, Structural Analysis of 3-D Braided Preforms for Composites, Part I: The four-step Preforms, J. Text. Inst., 1990, 81, P491-514. Li 在该文中采用实验的方法研究了四步法1*1编 织预制件的内部纱线结构，并在纱线为伸直的圆形横 截面假设基础上，定义了代表性单胞，推导了编织工 艺参数间的关系。Li定义的单胞在拓扑上不同于Ko所 定义的单胞，Li的单胞取向与Ko的单胞关于编织轴有 45º的偏转。同时Li还发现预制件表面的纱线结构不同 于内部的纱线结构。
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5）陈利，李嘉禄、李学明，三维编织中纱线的运动规律 分析，复合材料学报，2002 。 采用最小二乘法拟合了编织纱线的运动轨迹，定义 了三种单胞： 内部、表面、棱角单胞。所有单胞的取向 与预制件的取向相同，有利于力学分析。
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四步法三维编织设备简介
1，携纱器：挂编织纱，装在导轨导 槽内，可运动。
4. 可以编织多种异型构件。
5. 根据不同用途灵活选择轴纱和编织纱种类和规格。
6. 预制件的幅宽比较窄，适用于横截面较小的编织。
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二步法三维编织复合材料的研究情况
1） Popper,P.& McConnel, R, F, US Pat. 4719837. January 1988。1987年，由 Popper和 McConnel最早提出了二步法三维编织工艺并申请了 专利，引起业内人士的关注。他们认为二步法是三 维编织中运动步数最少的一种编织形式，比较容易 实现自动化，采用二步法三维编织同样可以编织各 种异型件，如圆形、工字型和T字型等制件，并且 可以达到轴向增强，使材料轴向性能优越。
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6 ） B yu n , J. H .& Cho u ， T .W. ， Pr o ces s － Microstructure Relationships of 2－step and 4 － step Braided Composites ， Composite Science and Technology ， 56(1996), 235-251. 1996年Byun和Chou等人更进一步的研究了二步 法三维编织复合材料的特性，同时与四步法进行了 对比分析确定了单元体的结构和工艺参数，并通过 预测预制件加工范围估计出相应的工艺参数。
三维编织底盘整体结构图
驱动装置与定位机构
Ⅰ-底盘机架 Ⅱ-编织轨道 Ⅲ-驱动装置
（a）三维异型整体编织底盘轴侧图
（b）三维异型整体编织底盘俯视图
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旋转法编织设备
主要以电机旋转运动驱动 齿轮组运动，从而带动携纱器 锭子在编织台面上交错运动， 这种设备相对较大，只适用于 较小尺寸预制件的编织，但是 驱动方式简单、运行速度快， 能有效降低制件成本。
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美国ALBANY公 司的可挂1000 纱线的角轮式 三维圆形编织 机能够生产相 邻层交织的编 织预制件
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Herzog 公司设计了三维实体编织机，由布置的 多行和多列方阵中的转子组成，通过增加轴向纱和 调整编织纱来改变织物的几何形状，以编织出各种 形状复杂的预制件。 天津工业大学复合材料研究所成功研制了组合 式三维编织机，标准化的编织单元通过灵活组合， 可满足不同形状和尺寸的编织要求。 美国 3Tex 公司也推出组合式角轮式编织机， 可以连续编织截面为 T 形等的预制件
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4）陈利，三维编织复合材料的细观结构及其弹性性能分 析， 天津纺织工学院博士论文， 天津，1998。 论文采用实验和理论分析相结合的方法，系统地分 析了三维编织预制件的细观结构，定义了内部、表面、 棱角的单胞模型。在实验观察的基础上建立了椭圆形纱 线横截面的假设，推导了编织工艺参数的关系，考虑了 复合固化和纱线填充因子对预制件细观结构的影响
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二步法编织机的一般构成
1.轨道盘：机器的主体，装有编 织纱纱锭、驱动装置 及编织纱 运动的轨道。 2.纱线安装系统分为： ⑴ 编织纱； ⑵ 轴纱。 3.成型板或成型环：起织物成型 作用。 4.提升机构 将成型的织物提升移去。
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二步法三维编织的特点
1. 预制件的整体形状一次成型 2. 编织过程中机器运动部件比较少，编织运动规律相对简单。 3. 轴向纤维比率大，可以达到80％。
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2）1988年，Ko.Soebrto 和 Lei 对于轴纱采用碳纤 维，编织纱采用K-49的二步法三维编织预制件的力学 性能进行了测试分析。认为，此种预制件拉伸模量、 强度以及弯曲性能都比较好，适用于一定厚度结构件 的编织，可以用于直接承重，这样把二步法三维编织 的应用推进了一步。
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四步法编织工艺
四步法三维编织的分类
圆型编织： 编织出横 截面为圆 形或圆形 组合的织 物
方型编织： 编织出横 截面为矩 形或矩形 组合的织 物
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四步运 动后的 携纱器 在机器 底盘上 的位置 如图
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四步法编织也称为行列式编 织，其源于Flor-entine 在 1982 年提出的专利方法。编 织纱线以行和列的方式排列 成一个矩阵，每一根编织纱 线由一个携纱器单独控制， 携纱器沿行和列作交替运动， 形成具有一定尺寸和形状的 整体预成型体，其编织纱线 运动如图所示
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3）Wang, Y. Q. and Wang, A. S. D., On the Topological Yarn Structure of 3-D Rectangular and Tubular Braided Preforms, Composites Science and Technology. 1994, 51, P575-586. 该文提出了一种描述三维编织预制件的纱线拓扑结 构分析方法，定义了三种不同的单胞模型，内部、表 面和棱角单胞。内部单胞的几何形状为一长方体，包 含四组相互交织的纱线，纱线结构与Li的结论一致。 表面和角单胞的几何形状均为三棱柱体。表面单胞内 含有两组相互交织的纱线，角单胞中含有一组平行的 编织纱线。
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4） Du,G.W, Popper P.& Chou, T .W. Analysis of 3D Textile Preforms for Multi-direction Reinforcement of Composites , J. Mater.Sci, 26(1991),3438-48. 1996年Du等人给出了二步法方型编织预制件中 的细观结构，纱线的交织情况。认为内部、边上、 角上三个位置的轴纱形状不同。
2，导轨 ：主要部件，上开导槽，中 间可挂不动纱
1）相邻导轨上导槽位置相对时形成 携纱器的一个运动轨道。 2）导轨运动形成另一轨道。 3，驱动装置：电动或气动，可计算 机控制。 4，机器底盘：安装导轨和驱动机构
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编织轨道
编织平面示意图
（1）移动式轨道 厚德 弘毅 博学
（2）固定式轨道 笃行
20 世纪 70 年代中期，法国欧洲动力公司也发明了类似的编 织机;
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Fra Baidu bibliotek
生产阶段
1982年，Floretine 申请了一个专利为“Magnaweave”的机 器设备。同时他提出了21*21由气动驱动的方型四步法编织机， 由开关控制行和列的驱动，纱管直径为1.5英寸，带纱不多。 20世纪 80 年代初，美国 Gumagna 公司发明了磁编技术， 自此三维编织技术得到了迅速发展。
三维整体编织技术
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主要内容
1
三维编织技术的发展历程
2
三维纤维预制体编织工艺
3
三维编织技术研究现状
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1
三维编织技术的发展历程
编织的基本概念
沿织物成型方向取向的三根或 多根纤维（或纱线）按不同的规律 运动，从而使纤维（或纱线）倾斜 交叉，并相互交织在一起，形成织 物。
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3）W. Li, M. Hammad,&A. El-Shiekh, Structural analysis of 3-D Braided Preforms for Composites: part II The two-step Preforms , J.Text. Inst, 1990,81, P515-537. 1990年，Li对二步法圆型和方型三维编织均进行 了分析，给出了细观结构及工艺参数的关系 ，他认 为纱线截面均是圆形的，同时做了大量的试验以验 证理论分析，建立了用以预测纱线取向角，编织尺 寸和纱线体积含量的预制件结构模型。
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前期
19世纪30年代末，编织物仍被认为是一种手工艺品。
19世纪40年代，W. J. Hamburger 在他的文章中首次定义了 一些与管状编织物性能有关的几何因素； 50年代，D. Brunn scheiler 深入研究了管状编织物的成型工 艺以及几何结构和拉伸性能； 60年代，W. A. Douglass详细讨论了编织技术及机理，提出 了编织物作为复合材料增强体可以降低异型构件的制造成本。
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三维四向、五向、六向和七向预制件的细观纱束交织结构
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四步法三维编织复合材料的研究情况 1） Ko. F. K., Three-dimensional Fabrics for Composites---An Introduction to the Magnaweave Structure, Proc. ICCM-4, Japan Soc. Composite Materials, Tokyo, Japan, 1982, P1609. Ko. F. K.在该文中引入了“纤维构造”术语，首次 定义了代表四步法1*1方型编织预制件中纤维构造的 单胞（unit cell）。它是一个立方体具有与预制件 截面相同的取向，长度为一个编织花节，含有四根主 对角线方向的纱线，每根纱线与编织方向的夹角为编 织角γ。
1982年，美国大西洋研究公司生产了一个大型四步法三维 编织机，携纱器64*194。 1989年，美国北卡罗来纳州立大学研制成功了一种全自动连 续喂纱的四步法编织机。
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1996年，天津工业大学 （原天津纺织工学院）复合材 料研究所研制成功了目前世界 上挂纱根数最多的一台由计算 机控制的全自动三维编织机， 可挂编织纱线2万根，不动纱2 万根。编织由计算机控制，可 编织异型构件。
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2
三维纤维预制体编织工艺
三维编织预型件的制作是三维编织复合材料制备的基础，而 且预型件的性能（也包括制作方法和工艺）从根本上决定了所 制成的复合材料的性能。 二步法 纵横步进法编织 三维 编织 旋转法编织 四步法
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二步法编织工艺
编织纱位置 编织纱
轴纱
第一步
第二步
二维编织过程纱线运动图
编织物作为工程材料才又一次引起了人们的关注。
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中期
1969年Bluck 提出高速斜织和编织方法。 1971年，General Electric的研究人员开发的“Omniweave” 是三维编织技术的一个新发展。 1973年，德国人Maistre申请了一个专利，开发了一种编织 三维织物的方法。 20世纪 70 年代初，美国通用电气公司根据常规的编织绳原 理发明了万向编织机;