纬编衬纱织物变形研究

纬编双轴向多层衬纱针织物(MultilayeredBiaxialWeftKnittedFabrics，简称MBWK织物)是一种用于复合材料增强体的新型织物。它以针织组织结构中的1+1罗纹组织为基础，在罗纹的编织过程中同时衬入经纱和纬纱，衬入纱以平直状态存在于织物中。国内最早研制出该织物的是天津工业大学邱冠雄教授等，他们于2001年成功开发出了以1+1罗纹组织为绑缚系统的MBWK织物，之后又对V型横机进行改造和设计，目前最多可衬入五层衬纱，最大厚度达8mm。该产品于2001年获得专利［1-3］。国外对MBWK织物进行研究的机构主要有:①德国的德莱斯顿(Dresden)大学;②美国南卡的CollinsCarftComposites公司［4］。自MBWK织物问世以来，先后有研究人员对其线圈结构、剪切性能、成型性能、拉伸性能、弯曲性能、压缩性能、冲击性能等进行研究［5-11］。而对MBWK织物增强的半球形薄壳体的变形研究目前尚未进行。本文基于前期的多项研究(包括线圈结构、成型性能等)，采用快速摄影法和试验手段，研究了MBWK织物在半球形成型后撤销外力后的变形趋势，揭示了纤维分布不均匀度、线圈分布不匀等因素对构件变形的影响，为减小和控制变形提供了科学依据。

1试验部分

姜亚明、张艳明等［3，6］对MBWK织物的铺覆成型性能进行了深入系统的研究，结果表明，MBWK织物具有良好的成型性能，能够一次成型形状复杂的构件。

1．1试验仪器与织物样品半球形模型直径分别为14．16、18．20cm，数码照相机、玻璃细绳、剪刀、彩笔、直尺。试验用MBWK织物含3层衬纱(1层衬经，2层衬纬)，衬纱原料为玻璃纤维，绑缚纱线原料为16．7tex涤纶低弹丝，织物厚度为0．6mm，织物面密度为669．2g/m2。其他织物参数见表1。

1．2试验方法与内容本研究主要进行两项试验:一是MBWK织物半球铺覆试验，主要研究MBWK织物在半球成型的过程中纱线、线圈的分布情况及半球各部分纤维的体积含量。二是MBWK织物半球形铺覆成型撤销外力后的变形试验。将MBWK织物铺覆在半球形模型上，使织物的边缘贴齐半球的边缘，用细绳沿半球形模型边缘捆住织物，使其完全贴覆在半球形模型上。将半球体倒置在纸板平面上，纸板中心挖一个小孔，使其固定。将数码照相机固定于三脚架上，对准半球体模型，准备拍摄。剪断细绳，用相机俯视拍摄整个织物边缘的变化过程，并采用图像处理技术分析得到织物边缘变形的规律和趋势。

2试验结果与分析

2．1MBWK织物半球形铺覆试验MBWK织物具有良好的成型性能，可以一次成型曲面复杂的构件。由于经纬方向上织物的伸张特性不同，在成型过程中各个部位所受的力也不一样，要确定在成型后构件型面的变形情况，需要先了解织物在铺覆过程中的受力情况。第一项试验主要研究MBWK织物在成型过程中纱线的滑移、织物中的纤维取向和纤维聚集情况。铺覆后纱线和线圈的滑移和聚集情况以及完全贴覆在半球形上的织物形状如图1所示。由图1(a)可见，织物产生了经纬向收缩差异，分析其原因主要在于织物经纬向的结构不同，经向衬入的经纱被罗纹线圈缠绕，使罗纹线圈被撑开，罗纹线圈受到向内收缩的应力。由于纬向罗纹线圈与经向罗纹线圈相比伸直较明显，经向线圈的弹性大于纬向线圈，故织物在经向收缩比较大，纬向收缩比较小。而经纬向之间45°方向线圈受经向和纬向应力的综合作用，故四角收缩的情况比较均衡。织物成型后从半球体模型上取下，平铺于平面上，织物的形状如图1(b)所示，它并非呈圆形，这也主要与MBWK织物的结构特性有关。因为织物中的衬入纱线可以以角链接的形式相互滑移，具有良好的成型性能，在球体表面无起皱现象，这就使得在球体侧面存在纱线聚集的情况，如图1(c)所示。而球体顶部织物所受张力较大，使纱线出现分散趋势，球体表面织物纤维体积含量存在规律性差异，即顶部纤维体积含量最小，经向与纬向纤维体积含量适中，经纬向之间45°方向纱线和线圈聚集，导致纤维体积含量最大，产生相当大的内应力。

2．2MBWK织物半球形铺覆成型撤销外力后的变形试验结果与分析在外力撤销以后，织物会产生向外扩张趋势，这是一个动态变化过程。通过对照相机拍摄到的半球体赤道截面上织物从初始位置到松开绳子前5s的边缘变化过程图进行对比，可以看出织物的经、纬向的对角线上变形较大，并且呈现逐步扩大的趋势，织物边缘形状由圆形逐步变形成为椭圆形，如图2(a)所示。并且释放后织物边缘的高度也产生了变化，45°方向织物的高度下降较明显(本研究中定经向为X方向，纬向为Y方向)，如图2(b)所示。图3分别为铺覆在直径14．16、18．20cm模型上的织物边缘在前几秒内的变化趋势。可以看出，织物轮廓在前1s内的变化最大，之后呈缓慢变化的趋势，织物在变形过程中总是在经、纬向的对角线(即图3中X、Y轴间的45°)方向变化较大。在只受重力的情况下，织物总是向着45°及225°方向向外扩张，这种变形趋势主要与织物结构和纱线的弯曲性能有关。即在球体顶部织物所受张力最大，纱线出现分散趋势，顶部纤维体积含量最小，经向与纬向纤维体积含量适中，经纬向之间45°方向纱线和线圈聚集，导致纤维体积含量最大，产生相当大的内应力，从而使织物在45°方向容易变形。经过多次试验得知，织物的变形程度不仅与织物结构有关，还与半球直径有关。可以初步假定在原始位置时，织物边缘的形状为圆形，经过变形后，织物边缘形状在45°方向向外扩张，在135°方向往里收缩，从而使得织物边缘形状由圆形变成类椭圆形。假定45°方向为长轴a，135°方向为短轴b，直径为D，则织物边缘的变形程度为由此可知，半球形的直径对织物边缘的变形影响很大，直径越大，织物的边缘变形越大。由上述试验可以得到:MBWK织物作为增强体在成型过程中织物内的纱线会产生滑移，纤维取向也会发生改变，导致半球体上各个部分的纤维体积含量发生变化，产生纤维、线圈聚集，交织纱线交织角度发生改变。由于各部分的纤维体积含量不同及纤维和线圈的内应力方向不同，各个部位产生的向外扩张的趋势也不同，纤维和线圈聚集的地方内应力较大，向外扩张的趋势相对也较大，故产生的变形也较大。

3结语

MBWK织物具有良好的成型性能而受到用户的青睐，但是由于它是整体成型，作用力相对较复杂，也更容易产生形变，导致制造的构件在形状和尺寸上难以控制，从而影响生产效率，且易造成不必要的浪费。因而研究MBWK织物作为增强体对薄壳体形变的影响是相当有必要的。本研究目前尚处于初步阶段，还存在很多问题亟待解决。