摘 要：为了解决多层圆筒织物织造困难、经密分布不均等问题，设计了两种多层圆筒织物的织造工艺，分别为圆弧形添经织造法和平板形添经织造法。首先根据多层圆筒织物结构，设计织物的经向截面图，然后确定相应的添经工艺，并且绘制出纹板图，最后在织机上试织两种多层圆筒织物。结果表明：通过合理的添经工艺设计，织造多层圆筒形经向管状织物是可行的。认为：应保持每层经纱的张力一致，避免纱线堆积，以提高织物质量。
关键词:多层圆筒织物;圆弧形添经;平板形添经;添经工艺;经向管状织物;
多层三维织物作为优质的复合材料预制体，以其优良的层间抗剪切性能和抗冲击损伤性能被广泛应用于军工、国防等领域[1,2,3]。其中多层三维圆筒织物的织造始终是一个难题，目前国内外关于多层三维圆筒织物的织造主要是依靠人工手动织造。祝成炎提出了一种非平面状3D结构织物及其织造技术，并阐述了圆形3D织物通过压扁-织造-还原法在传统织机上的织造过程[4]。王观桔等人提出了两种异形3D管状机织物的织造工艺，采用分区织造法设计出各区经向截面图，然后确定打纬顺序和组织图[5]。王晶晶等人通过合理的设计，成功织造出了规定形状的异形截面3D管状机织物[6]。黄晓梅介绍了几种三维管状预制体的组织结构以及织造方法[7,8]。周申华等人提出了一种立体管状织物成型法，即三维圆织法；该方法将经纱沿径向排布，通过引纬器将纬纱在圆周方向引入实现织造[9]。
本研究探讨两种多层圆筒织物的织造工艺，即圆弧形添经织造法和平板形添经织造法，重点介绍了织造原理、经向截面图设计、纹板图设计和小样织造。
1 圆弧形添经圆筒织物的设计与织造
圆弧形添经织造法是将织物分为3个区域，分别为A区、B区和C区，其织物模拟图如图1所示。B区是上下对称分布的平板织物结构，A区和C区的织造采用添经工艺在B区两端形成圆弧形层-层正交角联锁织物结构。
1.1 织造原理
1.1.1 二级提综工艺
本研究提出的圆弧形添经圆筒织物的织造原理如图2所示。其中，长条矩形代表综框，其上端对应的数字表示综框页数，a为芯模，b为钢筘，d为引纬点，将20层经纱分为上、下各10层经纱，上方10层经纱对应前10页综框，下方10层经纱对应后10页综框。采用两级提综工艺实现上下分层，分别对应图中c1、c2和c3提综位置，c1为二级提综位置，c2为一级提综位置，c3为提综初始位置。上10层纱线初始位置在c1处，下10层纱线初始位置在c3处，图中以织造20层三维圆筒织物内圈第1层为例，将第10层经纱和第11层经纱都置于一级提综位置，使内圈第1层经纱贴紧芯模，实现上下分层。
1.1.2 半压扁-织造-还原法
采用半压扁-织造-还原法在普通织机上织造多层圆筒织物。织造时，经纱中部添加的芯模将经纱分为上下两部分。在两端连接处通过添经的方式实现经纱的均匀分布。织造层数较多的圆筒织物时，两端连接处不会出现明显的经纱堆积，有利于还原成圆筒状。
芯模结构如图3所示，图中芯模由多根铝条和两端的固定板组成。两端固定板将铝条保持与钢筘筘隙相同的距离，使铝条可以均匀插入钢筘中并且在钢筘打纬过程中不会与芯模产生明显摩擦。芯模将纱线分为上、下两个部分。织造时，纱线紧贴芯模上下表面。
1.2 经向截面图设计
B区的经向截面图如图4所示。B区的织物结构分为上、下两部分，上下各10层经纱，均为层-层正交角联锁织物结构。图中每根曲线代表一层经纱，曲线左端的数字代表经纱层数，黑点代表纬纱。上下两层之间矩形部分为芯模，将纱线分为上、下两部分。
1.3 添经工艺设计
1.3.1 添经工艺原理
添经工艺是在织物两端通过添加经纱，将上、下部分连接到一起，以圆弧形的层-层正交角联锁织物结构，形成完整的圆筒织物。
圆筒织物内层和外层周长不同。如果每层经纱数量相同，就会出现从内到外经密越来越小，从而影响织物性能。通过添经工艺可以使圆筒织物的内外层经密保持一致。
圆筒织物的每层经纱分布与其内径、经密、织物厚度和织物层数有关。圆筒织物的内径为D，织物厚度为T，假设纱线层数为e（至少2层），织物经密为M（根/cm），则第n层所需纱线数N为：
N=πM[D+2T（n－1）/e]/10 （1）
根据添纱工艺要求，每次添纱数必须为整数，假设每织造P层需添1根纱，则有：
P=5e/πTM （2）
在织造过程中，根据不同的织物需求，通过式（1）可以计算出每层所需纱线数量，通过式（2）可以得到添经工艺的添经节点。其中π取3.14。
1.3.2 纬向截面图设计
层-层正交角联锁织物结构每相邻列为起伏规律相反的两列经纱，这两列经纱共同组成织物中的一层。因此，其纬向组织结构截面是两层为一个周期循环，纬向截面图设计也分为前、后两个半周期。如图5所示，其中曲线为纬纱，字母顺序代表引纬顺序，中间的腰圆形区域为芯模，黑色圆圈代表经纱，黑色圆圈内部的数字代表所布经纱的层数，即图1中B区的平板织物部分，两端加粗的圆圈代表添加的经纱，即图1中A区和C区的圆弧形织物部分。
图5（a）所示为圆弧形添经圆筒织物的纬向截面图前半周期。首先，将B区上方第10层纱线和下方第10层纱线分别放下和提起使两层纱线贴紧芯模，然后两端的A区和C区都放下第10层纱线使其贴紧芯模，最后纬纱a引纬一圈，形成第一圈圆筒织物。其次，依次放下和提起B区上下两部分第9层纱线，两端也进行第二次添经，即两端的A区和C区都放下第9层纱线使其贴紧芯模，最后纬纱b引纬一圈形成第二圈织物。如此往复形成一层圆弧形添经圆筒织物。
前半周期织造结束，继续圆弧形添经圆筒织物后半周期，如图5（b）所示。首先，对应B区上方第5层纱线和下方第5层纱线分别放下和提起，使两层纱线贴紧芯模，然后两端的A区和C区都放下第5层纱线使其贴紧芯模，最后纬纱g引纬一圈，形成第一圈圆筒织物。其次，依次放下和提起B区上下两部分第4层纱线，两端也进行第二次添经，即两端的A区和C区都放下第4层纱线使其贴紧芯模，最后纬纱h引纬一圈形成第二圈织物。如此往复形成一层圆弧形添经圆筒织物。
圆弧形添经圆筒织物的两个半周期合成一个引纬周期，如此多个引纬周期形成完整的圆弧形添经圆筒织物。
1.4 纹板图设计
圆弧形添经法织造多层圆筒织物的工艺与传统织物的工艺有明显区别，总体上分为上、下两部分，上部分和下部分的经纱为对称分布。在织造过程中，需要一把梭子在上、下两部分形成的两个开口之间同时进行引纬，形成一个封闭的圆形纬纱圈。因此其对应的纹板图与传统织物的纹板图也有很大不同。
如图6所示为B区的纹板图。其中，横坐标代表综框页数，纵坐标代表引纬顺序，前10页综框代表上方10层经纱，后10页综框代表下方10层经纱。标数字2的方格代表气缸提两级，即纱线处于二级提综位置；标数字1的方格代表气缸提一级，即纱线处于一级提综位置；空白方格代表气缸不提，即纱线处于综平位置。通过两级气缸，我们始终可以将上下两层中的最内层经纱置于中部，并且在芯模上下分别形成两个开口，然后实现上下分层织造。
1.5 织物小样
采用190 tex的玻璃纤维长丝进行织造。B区的经纱为20层（即10层的圆筒织物），每层经纱18根，经密3根/cm，一共360根经纱。A区和C区共添经32根，经密3根/cm。其中，圆筒内径44.5 mm厚度1 mm，根据公式（1）可知每层用纱数，根据公式（2）计算可知每织5层添加1根纱。织造的圆弧形添经圆筒织物为经向管状织物，织物小样如图7所示。织物小样已被还原为圆筒形，其连接部分的经纱分布均匀，未出现经纱堆积现象。
2 平板形添经圆筒织物的设计与织造
平板形添经织造法是将圆筒织物划分为3个区域，分别对3个区域的织造工艺进行设计，然后合并为一个整体再进行织造。如图8所示，将三维圆筒织物划分为A1区、B1区和C1区。其中，A1区和C1区的织造采用添经方式，形成层-层正交角联锁织物结构，B区采用压扁-织造-还原法完成圆筒部分的织造。
2.1 经向截面图设计
平板形添经圆筒织物的A1区和C1区织物结构相同，其经向截面图如图9所示。B1区的织物结构为上下分层设计的层-层正交角联锁结构，其中靠近内层的第4'层与11'层经纱分别为最内层的衬经，其经向截面图如图10所示。图9和图10中曲线代表经纱，曲线左端的数字代表经纱层数，圆点代表纬纱，最左侧两列的圆圈代表织物织造一周期的引纬规律，圆圈内的数字代表一周期内的引纬顺序。
2.2 穿综图设计
采用平板形添经织造法织造的三维圆筒织物是经向管状结构，其两端的A1区和C1区通过添经工艺织造而成。添经工艺的确定离不开穿综图的设计。A1区、B1区和C1区均采用顺穿法。B1区的经向截面图和A1区、C1区的经向截面图相似，因此将各区域交织规律相异部分的经纱穿入不同的综框内，其余相同的部分合并到一个综框内。通过对比图9和图10得到不同的部分为织物的第4层和第12层经纱。如图11所示，A1区、C1区将相异的经纱分别穿在第4个综框和第12个综框，B1区将相异的经纱分别穿在第5页综框和第13页综框。
2.3 纹板图设计
平板形添经织造法的三维圆筒织物纹板图如图12所示。虽然平板形添经织造法中的A1区、B1区和C1区的经向截面图不同，但是通过特殊的穿综图设计使三个区域的组织图相同。因此，平板形添经织造法的纹板图只有一个。
2.4 织物小样
织物采用12K碳纤维织造，B区的经纱为14层，每层经纱30根，经密4根/cm，共420根纱线。A区和C区共添经14层，经密4根/cm，每层经纱单边各10根，共添经280根。平板形添经圆筒织物为经向管状结构，其织物小样如图13所示。织物小样已被还原为圆筒形，织物整体结构完整。由于碳纤维易磨损，织物经纱形成堆积，导致织物表面有部分瑕疵。
3 结语
通过在普通织机上设计与织造两种多层圆筒织物可以得出：通过合理的添经工艺设计，在普通织机上织造多层圆筒经向管状织物是可行的。采用半压扁-织造-还原法织造多层圆筒织物，有利于还原成圆筒状。织造时，保持每层的经纱张力一致，有利于形成开口和减少经纱与钢筘之间的摩擦。
参考文献
[1] 涂莉，孟家光.三维纺织复合材料研究进展[J].上海纺织科技，2019，47（6）：4-7，24.
[2] 陈利.三维纺织技术在航空航天领域的应用[J].航空制造技术，2008（4）：45-47.
[3] 吴莹婷.纺织结构复合材料研究进展[J].江苏丝绸，2021（5）：26-28.
[4] 祝成炎.非平面状3D结构织物及其织造技术综述[J].浙江工程学院学报，2000（2）：3-7.
[5] 王观桔，王晶晶，吕丽华.两种异形3D管状机织物的设计与试织[J].棉纺织技术，2019，47（5）：64-67.
[6] 王晶晶，吕丽华，王观桔.异形截面3D管状机织物的设计与试织[J].毛纺科技，2019，47（8）：7-10.
[7] 黄晓梅. 管状三维织物的组织结构与织造工艺[J].纺织学报，2002（5）：51-52.
[8] 黄晓梅.几种三维管状预成形件的设计与织造[J].棉纺织技术，2002，30（12）：44-46.
[9] 周申华，单鸿波，孙志宏，等.立体管状织物的三维圆织法成型[J]纺织学报，2011，32 (7) : 44-48.
