第四章 四步法三维编织,第一节 四步法三维编织的基本原理 一、四步法三维编织的基本概念 携纱器按照行和列的形式分布在编织机底盘上，并在X和Y方向上运动预制件成型于Z方向在一个机器循环中，携纱器运动分四步，且每步运动相邻一个位置 第一步，相邻行中的携纱器沿X方向交替移动一个位置 第二步，相邻列中的携纱器沿Y方向交替移动一个位置 第三步和第四步，携纱器的运动方向分别与第一步和第二步的相反 经过携纱器四步的运动，携纱器在机器底盘上的排列恢复到初始位置，完成一个机器循环在一个机器循环中获得的预制件长度定义为花节长度，用h标识重复上述编织步骤并辅以相应的“打紧”工序使纱线相互交织在一起形成最终结构第1步,第3步,第2步,第4步,二、四步法三维编织的成型原理,1，四步法三维编织的分类 1.1 方型编织： 编织出横截面为矩形或矩形组合的织物 1.2 园型编织： 编织出横截面为园形或园形组合的织物,2，方型编织 2.1 编织纱在机器底盘上的排列形式 1）主体纱----行列方阵 2）边纱----间隔排列于主体纱周围 2.2 编织步骤 第1步：（列运动）相邻列上的携纱器沿相反方向运动 第2步：（行运动）相邻行上的携纱器沿相反方向运动 第3步：（列运动）与第一步运动的方向相反 第4步：（行运动）与第二步运动的方向相反,2.3编织纱线的交织 1）携纱器对偶性交换位置 2）举例编织纱线a连续通过厚度方向 3）边纱b从主体运动到边纱位置，停动一步后返回主体纱内部 4）纱线沿4个倾斜方向运动,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.4命名 以主体行和列根数命名，例如m*n预制件 2.5四步法方型编织形式 根据边纱的多少和轴向纱加入与否，可分为多类： 1*1，1*2，2*2，1*1*1/2F等等 第1个数表示每一行向上边纱的根数或行运动的携纱器位置数 第2个数表示每一列向上边纱的根数或列运动的携纱器位置数 第3个数表示所加不动轴纱与编织纱的比例，加入F后为五向结构,3，园型编织 3.1编织纱线在机器底盘上的排列形式 1）编织纱线按圆周和径向排列构成主体部分 2）主体纱内外间隔排列边纱 *周向排列纱线数为偶数 *边纱排列使每一径向列的纱线根数相同,3.2编织步骤 第1步：相邻径向的携纱器沿径向做相反方向运动 第2步：相邻周向的携纱器沿周向做相反方向运动 第3步：与第1步运动的方向相反 第4步：与第2步运动的方向相反 *机器运动过程中，边纱在机器周向运动时保持不动。
3.3编织纱线的交织 四步运动后的携纱器在机器底盘上的位置如图,实线相连的携纱器在第2步后交换位置，虚线相连的携纱器在第4步后交换位置对偶性交换） 纱线A连续通过织物的厚度方向，且相互交织 纱线B从主体纱运动到边纱位置，停动一步后又返回主体纱内部 编织纱线沿四个方向运动3.4命名 *园型编织中，处于同一直径圆周上的纱线称为一“层”层数用m表示，每层的纱线根数用n表示 织物表示为m*n园型编织物（预制件） 3.5四步法园型编织形式 与方型类似，1*1，1*2，2*2，1*1*1/2F等 1*1为基本形式 较常用的编织形式为1*1*1F，1*1*1/2F等五向交织结构三、四步法三维编织设备简介 以四步法方型编织机为例： 四部分：1，携纱器：挂编织纱，装在导轨导槽内，可运动 2，导轨 ：主要部件，上开导槽，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,四步法三维编织的特点,1，基本的1*1形式使每根纱线都通过织物的长、宽、厚方向，从而使纱线相交形成不分层的三维整体结构织物中，所有纱线的取向均与织物成型方向有一定夹角。
2，基本的1*1织物是三维四向结构在基本形式中加入不动纱线系统，该系统纱线平行或垂直于织物成型方向，编织过程保持不动，形成三维五向结构或六向、七向结构3，适应于多种异型构件的整体成型例如工字、L字等 4，不适合编织尺寸较大的预制件，由于机器设备限制第二节 四步法方型编织工艺分析 一 、简介 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γ2，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。
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，有利于力学分析二、为了分析四步法三维方型编织预制件的细观结构，建立以下假设： 1， 编织纱线具有相同的几何特性 2， 编织过程稳定，编织结构均匀，至少在一定长度内如此 3， 编织纱线具有相同的纱线填充因子ε 假设2基本符合事实假设1,3有一定的局限性，限制了不同纱线的混杂编织(hybrid)三、携纱器在机器底盘上的运动轨迹 1）携纱器在机器底盘上沿一定的轨迹运动，每一条运动轨迹都包含了一组携纱器，并决定了它们的位置，这特别有助于有若干不同类型纱线组成的混杂编织 2）编织过程中，四步完成一个机器循环，运动轨迹相同的携纱器在机器底盘上的排列相差一个机器循环运动间距在同一时间，它们在同一轨迹的不同位置开始运动 3）携纱器经过若干机器循环后都回到原来的位置，对于m*n方型编织，携纱器的个数Nr（纱线根数）: Nr=m+n+mn=(m+1)(n+1)-1 携纱器组数Gr:Gr=mn/m和n的最小公倍数 每一组携纱器的个数 ：Zr=Nr/Gr,,,四、编织纱线运动轨迹的水平投影 携纱器对编织纱线的运动起到导向作用，纱线的实际轨迹在两条平行线之间。
所以： 1，内部区域：为两组不同方向倾斜的平行轨迹，相邻轨迹编织纱的运动方向相反 定义：编织纱线的水平取向角α---内部编织纱在水平面内的投影与制件厚度方向的夹角1*1方型理想状态下此角为45度 2，表面区域：编织纱线的运动共有两个方向，且相邻纱线的运动方向相反五、编织纱线的交织结构和单胞模型,,1 控制单元的选取 相邻行列携纱器运动方向相反，相间携纱器运动规律相同，选取2行2列为研究对象，表面相对内部单元控制 2 花节长度定义 一个编织机器循环编织的预制件长度 3 内部单胞 4 表面单胞 5 棱角单胞,,五、编织纱线的交织结构和单胞模型 1 内部交织结构-内部单胞模型,,,,五、编织纱线的交织结构和单胞模型 1 内部交织结构-内部单胞模型,,,,五、编织纱线的交织结构和单胞模型 1 内部交织结构-内部单胞模型,,,,Wi=d/cosΦ Ti=d/sinΦ Tgγ=(Wi*4)/(2sinΦ*h) =4d/(h*sin2Φ),,五、编织纱线的交织结构和单胞模型 与织物厚度方向夹角为45°的剖面情况,,,1,具有相同水平运动轨迹的纱线，构成各自的纱线层，各纱层中编织纱线保持伸直且相互平行； 2，两组平行叠放的纱线层相互倾斜填充在一起构成织物内部结构，每组平行叠放的纱线层的相邻纱层内编织纱线的取向角关于编织成型方向对称； 3，编织物内部共有四种取向的编织纱线。
五、编织纱线的交织结构和单胞模型 2,交织结构-表面单胞模型,,,,五、编织纱线的交织结构和单胞模型 2）织物的表面结构,,,,,,五、编织纱线的交织结构和单胞模型 3）棱角单胞模型,,五、编织纱线的交织结构和单胞模型 编织角之间的关系,若Wi=Ti,,,六、外形尺寸 织物宽度W，厚度T，纤维体积含量Vf，内部纱线倾斜角γ，纤维总根数Nf，线密度λ，密度ρ 忽略表面和棱角因素影响，三维四向结构的纱线根数计算：,,解方程组得出纱线具体排列m和n具体到三维五向结构：,拓扑分析方法 初始携纱器排列（先行后列）,拓扑分析方法内部,,拓扑分析方法表面,。