三维编织预制件的工艺参数设计''
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第
23 卷 第 1 2004 年 2 月
期
天 津 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY
Vol. 23 No. 1 February 2004
三维编织预制件的工艺参数设计 Ξ
周 清 , 焦亚男 , 李嘉禄
(天津工业大学 复合材料研究所 , 天津 300160)
其纱线结构可以用编织角 β和花节长度 h 表示.
β定义为预制件表面的纹路线与编织轴向的夹角 ; h
和 wh 分别为一个携纱器运动循环所织出的预制件长
度和宽度. 由图 1 可以确认 :
tan β= wh/ h
(1)
从整个预制件角度看 :
wh = 2 W/ m
(2)
式中 , W 为预制件的宽度 ; m 为沿宽度方向的主体纱
图 4 Vy 随 γ角变化曲线 Fig. 4 Yarn volume fraction as a function of angleγ
4. 3 实例设计 设计题例中预制件参数的步骤为 : ①设计编织角 为 25°; ②利用 (12) 、(13) 式得出 Ny = 303 , m 设计值为 29 , n 为设计值 9 ; ③由 ( 1) 式计算花节长度 h = 3. 8 mm ; ④制定工艺单给操作工人进行实际验证.
=
πa 8 bcos
γ
(9)
3. 2 定长预制件法
内部单胞法只考虑内部结构部分. 当预制件外形
尺寸较小时 ,就需要考虑表面影响. 可以取一段既包括
内部又包括表面的预制件来计算.
Vy = Ny ×L y ×Ay/ Lp WT
(10)
式中 , Ny 为纱线总根数 ; L y 为预制件内纱线长度 (mm
1 几点假设
为分析各参数间理论关系 ,建立以下假设 : (1) 预制件结构为四步法 1 ×1 方型编织形式 ; (2) 编织工艺至少在一定长度内稳定 ,以保证结 构均匀一致 ;
(3) 预制件内部编织纱的横截面为一等效椭圆 形 ,长 、短半轴分别标识为 a 和 b (mm) ; (4) 预制件中纱线为相同材料 ,具有相同的纱线 参数 ,包括密度 、细度 、填充因子等.
预制件编织完成后 , 通常采用称重法来检测纤维
体积含量 :
Vf = G/ ρWTH
(14)
式中 , G 为预制件干重 (g) ; H 为预制件总长度 (mm) .
这种测量方法比较直接 ,误差也较小 ,可作为检验
设计的实测值.
4 三维编织工艺设计窗口
设计和生产预制件时 , 纱线挤紧状态是一个几何 边界条件[4] . 在此状态下 , 纱线彼此接触 , 造成最紧可 能结构. 故三维编织工艺参数设计有一定范围限制. 4. 1 编织角 由 (6) 式解得 γ= 54. 7°时 , 椭圆长短轴相等 , 纱线 横截面近似圆形 ,此时为最紧密状态. 由于纱线上张力 作用 ,实际 γ角变化从 0°～54. 7°, 超过 54. 7°的编织 角一般达不到. 相应地 ,编织角β变化从 0°～45°,常用 编织角范围在 20°～30°.
2 三维编织预制件的工艺参数和结构参数
三维编织是通过携纱器的规律运动 ,使其所引导
的高性能纱线相互交织在一起 ,形成整体网状结构的
过程. 因预制件中没有传统意义的“层”,所以编织参数
与二维铺层复合材料的参数不同 ,包括纱线排列 、编织
角 、花节长度 、纱线参数 (细度 、密度 、填充因子) 等工艺
参数和外形尺寸 、纤维体积含量等结构参数. 一般地
说 ,工艺参数决定结构参数.
工程应用中 ,使用单位多给出结构参数要求和纱
线参数. 例如 ,某单位欲利用四步法 1 ×1 结构编织截
面尺寸为 30 mm ×10 mm 规格的方型预制件. 纤维选
用
T300212
K
碳纤维
,纤维体积含量要求
(50
±2)
(4)
图 3 三维编织预制件内部单胞模型 Fig. 3 Interior unit cell model of 32D braided preform
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
初始纱线为同心圆模式的开式排列 , 填充系数近似
0. 75. 最紧密状态为六边形模式的闭式排列 , 填充系数
约为 0. 91. 三维编织物中纱线的 k 一般取 0. 91 , 纱线
体积含量 Vy 的计算方法有以下几种.
3. 1 内部单胞法
单胞是预制件内的代表性重复单元. 不考虑表面
影响时 ,内部单胞的 Vy 代表整个织物的 Vy. 根据文献
0 0
.
设计
者需要充分了解各参数间的关系 ,以便合理制定出编
Ξ 收稿日期 :2003 - 09 - 03 基金项目 :天津市自然科学基金资助项目 (023604911 ,023604811) 作者简介 :周 清 (1965 —) ,女 ,天津市人 ,助理实验师.
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
4. 2 纱线体积含量 同样 ,γ = 54. 7°时纱线体积含量达到最大值. 由 (9) 式 , Vymax = 0. 68. 常用的 Vy 范围在 0. 50～0. 60 ,对 应的 Vf 范围为 0. 45～0. 55. Vy 随 γ变化的曲线如图 4. 不同线形代表不同截面形状 ,即不同的 a/ b 值.
第 1 期 周 清等 :三维编织预制件的工艺参数设计 — 17 —
单胞高度为 h ,宽度 Wc = 4 b ,厚度 Tc = 4 b.
纱线总体积
Y
=
4
×h 2cos
γ
×πab
=
2πhab cos γ
(8)
纱线体积含量
Vy
=
Y hWc Tc
分析[2] ,三维编织物内部代表性单胞结构如图 3 所示.
图 2 预制件内部纱线倾斜角和编织角的关系 Fig. 2 Relationship between interior yarn inclination angle and braid angle
由图 2 可确认 :
tan γ= 22tan β
数量. 将式 (2) 代入 (1) 得 :
tan β= 2 W/ mh
(3)
由式 (3) 可知 , 编织角与预制件宽度 、纱线排列和
花节长度相关. W 和 m 确定后 , 编织角随 h 的增大而
Hale Waihona Puke Baidu
减小. 编织过程中 , 编织角测量误差较大. 花节长度的
测量较准确 ,并可在线及时调整.
2. 2 内部纱线倾斜角 γ与编织角β
W = 2 2 ( m + 0. 5) b
(5)
T = 2 2 ( n + 0. 5) b
三维编织预制件中纱线相互接触时 , 其椭圆截面
长 、短半轴关系为 :
a = 3 bcos γ
(6)
因此 ,在纱线排列 m 、n 不改变的情况下 ,γ角增
大时 ,外形尺寸增大. 若不改变外形尺寸而增大 γ角 ,
) ; Ay 为纱线等效截面积 (mm2) ; Lp 为预制件长度 (mm) ,Lp = L y ×cos γ. 纱线等效截面积按下式计算 :
Ay =λ/ ρ
(11)
式中 ,λ 为 纱 线 线 密 度 ( g/ m) ;ρ 为 纱 线 体 密 度 ( g/
cm3) . 给定 Vy 情况下 ,可用式 (10) 、式 (11) 推导出用纱
Key words : three2dimensional braiding ; composite ; process parameter ; fiber volume fraction
三维编织复合材料以其高性能 、可设计的优势在 纺织复合材料领域占有重要位置. 其中 ,预制件的工艺 设计对内部结构和力学性能影响较大 ,是制作复合材 料的关键工序之一. 三维编织物是呈空间网状的整体 结构[1] ,主要参数包括编织角 、花节长度 、纤维体积含 量 、外形尺寸 、纱线参数等. 这些参数不是独立的 ,而是 通过一定的关系相互制约 ,又一起决定了材料的结构. 作为设计者和使用者应了解这些参数间的关系 ,在提 出要求和参数设计过程中避免走弯路. 本文从设计实 例出发 ,讨论三维编织主要工艺参数和结构参数之间 的关系 ,建立了预制件编织工艺设计窗口 ,以期为编织 复合材料从理论研究进入实际应用领域提供依据.
则需调整纱线排列 ,否则纤维体积含量就会变化了.
3 纤维体积含量 Vf 的计算
纤维体积含量是复合材料一个重要结构参数 , 与
工艺参数高度相关 ,直接影响复合材料的最终性能 ,通
常等于纱线体积含量 Vy 乘以纱线填充因子 k ,即 :
Vf = kVy
(7)
k 的值取决于纤维在纱线中排列的紧密程度[3] .
摘 要 :以实际应用为基础 ,讨论了三维编织预制件成型过程中编织角 、花节长度 、纤维体积含量 、纱线排列 、外形 尺寸等参数间的关系及其相互制约特性 ,分析了纤维体积含量的 3 种计算方法 ,给出常规参数范围 ,建立 了预制件编织工艺设计窗口 ,为使用者和设计者提供了理论参考依据.
关键词 :三维编织 ; 复合材料 ; 工艺参数 ; 纤维体积含量 中图分类号 :TB332 文献标识码 : A 文章编号 : 16712024X(2004) 0120015203
Process parameters design of three2dimensional braiding preforms
ZHOU Qing , J IAO Ya2nan , LI Jia2lu
( Institute of Composite Materials , Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300160 , China)
三维编织物内部的纱线基本成斜线状态 , 遇到表
面后弯折. 图 2 为内部纱线与表面纱线的相对状态.
式中 ,γ为内部纱线倾斜角. 纱线倾斜方向直接影响 材料的力学性能分配 , 使用单位可根据实际情况提出 要求. 2. 3 外形尺寸 ( W ×T) 与纱线排列 ( m ×n) 由陈利等人对三维方型编织预制件内部结构的分 析可知[2] ,预制件的外形尺寸与纱线排列和纱线参数 相关 :
数量的计算公式 :
N y
=
Vy WTcos Ay
γ =
Vf
WTρcos kλ
γ
(12)
在四步法编织中 ,纱线总根数为
Ny = mn + m + n
(13)
可利用式 (12) 、式 (13) 求解纱线排列. 注意因为携
纱器的矩形排列要求 , m 和 n 需根据情况取整数.
3. 3 称重法
— 16 — 天 津 工 业 大 学 学 报 第 23 卷
织工艺. 2. 1 编织角 β与花节长度 h 三维编织预制件的表面状态如图 1 所示[2] .
图 1 三维编织预制件的表面状态 Fig. 1 Surface of 32D braided preform
Abstract : Based on the practical application , the relationship between process parameters such as braiding angles , pitch length , fiber volume fraction , columns and rows of yarn arrangement , contour size and so on is discussed. Three methods to calculate fiber volume fraction are analyzed too. The aim is to build the design window of 32D braiding and provide the reliability theoretical formula foundation for practical process.
23 卷 第 1 2004 年 2 月
期
天 津 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY
Vol. 23 No. 1 February 2004
三维编织预制件的工艺参数设计 Ξ
周 清 , 焦亚男 , 李嘉禄
(天津工业大学 复合材料研究所 , 天津 300160)
其纱线结构可以用编织角 β和花节长度 h 表示.
β定义为预制件表面的纹路线与编织轴向的夹角 ; h
和 wh 分别为一个携纱器运动循环所织出的预制件长
度和宽度. 由图 1 可以确认 :
tan β= wh/ h
(1)
从整个预制件角度看 :
wh = 2 W/ m
(2)
式中 , W 为预制件的宽度 ; m 为沿宽度方向的主体纱
图 4 Vy 随 γ角变化曲线 Fig. 4 Yarn volume fraction as a function of angleγ
4. 3 实例设计 设计题例中预制件参数的步骤为 : ①设计编织角 为 25°; ②利用 (12) 、(13) 式得出 Ny = 303 , m 设计值为 29 , n 为设计值 9 ; ③由 ( 1) 式计算花节长度 h = 3. 8 mm ; ④制定工艺单给操作工人进行实际验证.
=
πa 8 bcos
γ
(9)
3. 2 定长预制件法
内部单胞法只考虑内部结构部分. 当预制件外形
尺寸较小时 ,就需要考虑表面影响. 可以取一段既包括
内部又包括表面的预制件来计算.
Vy = Ny ×L y ×Ay/ Lp WT
(10)
式中 , Ny 为纱线总根数 ; L y 为预制件内纱线长度 (mm
1 几点假设
为分析各参数间理论关系 ,建立以下假设 : (1) 预制件结构为四步法 1 ×1 方型编织形式 ; (2) 编织工艺至少在一定长度内稳定 ,以保证结 构均匀一致 ;
(3) 预制件内部编织纱的横截面为一等效椭圆 形 ,长 、短半轴分别标识为 a 和 b (mm) ; (4) 预制件中纱线为相同材料 ,具有相同的纱线 参数 ,包括密度 、细度 、填充因子等.
预制件编织完成后 , 通常采用称重法来检测纤维
体积含量 :
Vf = G/ ρWTH
(14)
式中 , G 为预制件干重 (g) ; H 为预制件总长度 (mm) .
这种测量方法比较直接 ,误差也较小 ,可作为检验
设计的实测值.
4 三维编织工艺设计窗口
设计和生产预制件时 , 纱线挤紧状态是一个几何 边界条件[4] . 在此状态下 , 纱线彼此接触 , 造成最紧可 能结构. 故三维编织工艺参数设计有一定范围限制. 4. 1 编织角 由 (6) 式解得 γ= 54. 7°时 , 椭圆长短轴相等 , 纱线 横截面近似圆形 ,此时为最紧密状态. 由于纱线上张力 作用 ,实际 γ角变化从 0°～54. 7°, 超过 54. 7°的编织 角一般达不到. 相应地 ,编织角β变化从 0°～45°,常用 编织角范围在 20°～30°.
2 三维编织预制件的工艺参数和结构参数
三维编织是通过携纱器的规律运动 ,使其所引导
的高性能纱线相互交织在一起 ,形成整体网状结构的
过程. 因预制件中没有传统意义的“层”,所以编织参数
与二维铺层复合材料的参数不同 ,包括纱线排列 、编织
角 、花节长度 、纱线参数 (细度 、密度 、填充因子) 等工艺
参数和外形尺寸 、纤维体积含量等结构参数. 一般地
说 ,工艺参数决定结构参数.
工程应用中 ,使用单位多给出结构参数要求和纱
线参数. 例如 ,某单位欲利用四步法 1 ×1 结构编织截
面尺寸为 30 mm ×10 mm 规格的方型预制件. 纤维选
用
T300212
K
碳纤维
,纤维体积含量要求
(50
±2)
(4)
图 3 三维编织预制件内部单胞模型 Fig. 3 Interior unit cell model of 32D braided preform
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
初始纱线为同心圆模式的开式排列 , 填充系数近似
0. 75. 最紧密状态为六边形模式的闭式排列 , 填充系数
约为 0. 91. 三维编织物中纱线的 k 一般取 0. 91 , 纱线
体积含量 Vy 的计算方法有以下几种.
3. 1 内部单胞法
单胞是预制件内的代表性重复单元. 不考虑表面
影响时 ,内部单胞的 Vy 代表整个织物的 Vy. 根据文献
0 0
.
设计
者需要充分了解各参数间的关系 ,以便合理制定出编
Ξ 收稿日期 :2003 - 09 - 03 基金项目 :天津市自然科学基金资助项目 (023604911 ,023604811) 作者简介 :周 清 (1965 —) ,女 ,天津市人 ,助理实验师.
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
4. 2 纱线体积含量 同样 ,γ = 54. 7°时纱线体积含量达到最大值. 由 (9) 式 , Vymax = 0. 68. 常用的 Vy 范围在 0. 50～0. 60 ,对 应的 Vf 范围为 0. 45～0. 55. Vy 随 γ变化的曲线如图 4. 不同线形代表不同截面形状 ,即不同的 a/ b 值.
第 1 期 周 清等 :三维编织预制件的工艺参数设计 — 17 —
单胞高度为 h ,宽度 Wc = 4 b ,厚度 Tc = 4 b.
纱线总体积
Y
=
4
×h 2cos
γ
×πab
=
2πhab cos γ
(8)
纱线体积含量
Vy
=
Y hWc Tc
分析[2] ,三维编织物内部代表性单胞结构如图 3 所示.
图 2 预制件内部纱线倾斜角和编织角的关系 Fig. 2 Relationship between interior yarn inclination angle and braid angle
由图 2 可确认 :
tan γ= 22tan β
数量. 将式 (2) 代入 (1) 得 :
tan β= 2 W/ mh
(3)
由式 (3) 可知 , 编织角与预制件宽度 、纱线排列和
花节长度相关. W 和 m 确定后 , 编织角随 h 的增大而
Hale Waihona Puke Baidu
减小. 编织过程中 , 编织角测量误差较大. 花节长度的
测量较准确 ,并可在线及时调整.
2. 2 内部纱线倾斜角 γ与编织角β
W = 2 2 ( m + 0. 5) b
(5)
T = 2 2 ( n + 0. 5) b
三维编织预制件中纱线相互接触时 , 其椭圆截面
长 、短半轴关系为 :
a = 3 bcos γ
(6)
因此 ,在纱线排列 m 、n 不改变的情况下 ,γ角增
大时 ,外形尺寸增大. 若不改变外形尺寸而增大 γ角 ,
) ; Ay 为纱线等效截面积 (mm2) ; Lp 为预制件长度 (mm) ,Lp = L y ×cos γ. 纱线等效截面积按下式计算 :
Ay =λ/ ρ
(11)
式中 ,λ 为 纱 线 线 密 度 ( g/ m) ;ρ 为 纱 线 体 密 度 ( g/
cm3) . 给定 Vy 情况下 ,可用式 (10) 、式 (11) 推导出用纱
Key words : three2dimensional braiding ; composite ; process parameter ; fiber volume fraction
三维编织复合材料以其高性能 、可设计的优势在 纺织复合材料领域占有重要位置. 其中 ,预制件的工艺 设计对内部结构和力学性能影响较大 ,是制作复合材 料的关键工序之一. 三维编织物是呈空间网状的整体 结构[1] ,主要参数包括编织角 、花节长度 、纤维体积含 量 、外形尺寸 、纱线参数等. 这些参数不是独立的 ,而是 通过一定的关系相互制约 ,又一起决定了材料的结构. 作为设计者和使用者应了解这些参数间的关系 ,在提 出要求和参数设计过程中避免走弯路. 本文从设计实 例出发 ,讨论三维编织主要工艺参数和结构参数之间 的关系 ,建立了预制件编织工艺设计窗口 ,以期为编织 复合材料从理论研究进入实际应用领域提供依据.
则需调整纱线排列 ,否则纤维体积含量就会变化了.
3 纤维体积含量 Vf 的计算
纤维体积含量是复合材料一个重要结构参数 , 与
工艺参数高度相关 ,直接影响复合材料的最终性能 ,通
常等于纱线体积含量 Vy 乘以纱线填充因子 k ,即 :
Vf = kVy
(7)
k 的值取决于纤维在纱线中排列的紧密程度[3] .
摘 要 :以实际应用为基础 ,讨论了三维编织预制件成型过程中编织角 、花节长度 、纤维体积含量 、纱线排列 、外形 尺寸等参数间的关系及其相互制约特性 ,分析了纤维体积含量的 3 种计算方法 ,给出常规参数范围 ,建立 了预制件编织工艺设计窗口 ,为使用者和设计者提供了理论参考依据.
关键词 :三维编织 ; 复合材料 ; 工艺参数 ; 纤维体积含量 中图分类号 :TB332 文献标识码 : A 文章编号 : 16712024X(2004) 0120015203
Process parameters design of three2dimensional braiding preforms
ZHOU Qing , J IAO Ya2nan , LI Jia2lu
( Institute of Composite Materials , Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300160 , China)
三维编织物内部的纱线基本成斜线状态 , 遇到表
面后弯折. 图 2 为内部纱线与表面纱线的相对状态.
式中 ,γ为内部纱线倾斜角. 纱线倾斜方向直接影响 材料的力学性能分配 , 使用单位可根据实际情况提出 要求. 2. 3 外形尺寸 ( W ×T) 与纱线排列 ( m ×n) 由陈利等人对三维方型编织预制件内部结构的分 析可知[2] ,预制件的外形尺寸与纱线排列和纱线参数 相关 :
数量的计算公式 :
N y
=
Vy WTcos Ay
γ =
Vf
WTρcos kλ
γ
(12)
在四步法编织中 ,纱线总根数为
Ny = mn + m + n
(13)
可利用式 (12) 、式 (13) 求解纱线排列. 注意因为携
纱器的矩形排列要求 , m 和 n 需根据情况取整数.
3. 3 称重法
— 16 — 天 津 工 业 大 学 学 报 第 23 卷
织工艺. 2. 1 编织角 β与花节长度 h 三维编织预制件的表面状态如图 1 所示[2] .
图 1 三维编织预制件的表面状态 Fig. 1 Surface of 32D braided preform
Abstract : Based on the practical application , the relationship between process parameters such as braiding angles , pitch length , fiber volume fraction , columns and rows of yarn arrangement , contour size and so on is discussed. Three methods to calculate fiber volume fraction are analyzed too. The aim is to build the design window of 32D braiding and provide the reliability theoretical formula foundation for practical process.