本發明涉及一種新型2.5D類緞紋織物的結構設計方法，屬于立體織物織造技術領域。

背景技術：

傳統織物是由兩個系統的紗線交織而成，沿織物長度方向排列是經紗，沿織物幅寬方向排列的是緯紗，織物厚度一般較薄，故視為二維織物。運用玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維和碳纖維等高性能纖維織造的二維織物，經鋪層工藝能夠制造出具有高比強度、高比模量、質量輕的鋪層復合材料。在使用中二維織物復合材料最大的缺點是厚度方向性能弱，在承受較大的彎曲應力和剪切應力時容易在層間結合弱出產生分層，加速復合材料在受載條件下的破壞?？狗謱幽芰θ醯娜秉c限制了由二維織物鋪層復合而成的鋪層復合材料的使用。

三維機織物是一種替代短纖維和鋪層板增強結構增強體結構，三維機織技術利用多層經紗織造方法，將若干經紗和緯紗層相互接結而形成具有一定厚度的三維預制體。也就是說，三維機織物織造工藝就是把經向紗、緯向紗和Z向紗通過多種方式整合為一體的交織成型工藝。三維機織物通常分為兩類：三向正交機織物和三維角連鎖機織物。三向正交機織物由經紗、緯紗和Z向紗三個系統的紗線組成，其結構特點為經緯紗線在織物中相互成90°沿長度方向排列，Z向紗貫穿整個厚度方向將織物各各經緯層連接在一起，形成一個完整的結構。三向正交織物中紗線屈曲小，厚度方向由Z向進行連接。因此，三向正交織物增強復合材料在主纖維方向具有很好的剛度和強度，在厚度方向具有良好的抗沖擊性能及抗分層性能。三維角連鎖織物中經紗與相鄰層面的緯紗接結，通過經緯紗接結層層相連形成一個三維結構。根據經緯紗交織結構和接結層數可分為層層斜交角聯、層層正交角聯鎖、P層斜交角聯鎖機織物、P層正交角連鎖機織物、通厚度斜交角聯鎖、通厚度正交角聯鎖織物(三維正交織物)，上述Z向紗沒有貫穿厚度的結構稱為2.5D結構。針對不同的使用要求，可以在長度、寬度和厚度方向增加紗線進行增強，故又分為經向增強2.5D織物、緯向增強2.5D織物、經緯雙向增強2.5D織物和法向增強2.5D織物。

在設計和織造2.5D緞紋織物時，經紗往往需要穿過數層經緯紗才能與緯紗產生交織，使其在織造中開口引緯工序比織造2.5D平紋織物繁瑣。在厚度較小的2.5D緞紋織物中，經緯紗交織結構導致單位體積內2.5D緞紋織物中經紗的纖維體積含量遠小于2.5D平紋織物，使2.5D緞紋織物不能作為預制件的基礎結構使用于經向拉伸性能要求較高的復合材料。因此，具有較高經紗纖維體積含量的2.5D緞紋織物能夠代替2.5D緞紋織物，應用于功能型、仿生型、異形結構復合材料，作為預制件織物的基礎結構。

技術實現要素：

本發明是一種2.5D類緞紋的設計方法，設計的織物具有2.5D緞紋浮長線結構特征，但是在結構上與2.5D緞紋織物完全不同，是一種新型的2.5D緞紋織物。2.5D類緞紋織物設計思路如下：兩個具有相同循環數的平面織物中，平面織物中經緯紗呈互相擠緊狀態，將平面織中相鄰的經緯紗之間增加一定間距，形成多條經緯向引紗通道，在經緯向形成的通道中引入下層織物的經緯紗，依次層層嵌套組合形成新型2.5D類緞紋結構，伸長的經緯紗形成2.5D類緞紋織物中的浮長線。

本發明所設計2.5D類緞紋通過改變基礎結構和交織結構能夠衍生出多種2.5D類緞紋結構，設計方法如下：

1、選擇兩種具有相同循環數的簡單平面織物，經過結構變形后依次層層嵌套組合形成新型2.5D類緞紋結構，兩種平面織物的組織結構可以相同或不同。

2、緯紗陣列設計。2.5D類緞紋織物結構是由兩個簡單平面織物交替層層嵌套而成，因此，相鄰的緯紗陣列在厚度方向有一定距離的錯位。

3、設計2.5D類緞紋織物表面紋路結構。通過改變平面織物組織結構、組合順序、增加平面織物循環數以及改變坐標系來設計確定2.5D類緞紋表面紋路結構。

4、經緯紗交織結構。將所有參與嵌套的平面織物層層交錯堆疊，控制部分經浮長線與其它層緯紗產生交織，位于上層織物中的經紗可以將下層織物中的緯紗捆綁在一起形成一個完整的新型2.5D緞紋織物。

2.5D類緞紋織物結構設計方法路線為：確定簡單平面織物組織結構→確定2.5D類緞紋緯紗框架結構→確定2.5D類緞紋表面織物紋路→確定2.5D類緞紋織物中經緯紗交織方式→完成一種2.5D類緞紋緞紋織物結構設計。具體內容如下：

1、選擇兩種具有相同最小循環數的簡單平面織物，經過結構變形后依次層層嵌套組合形成新型2.5D類緞紋結構。平面織物組織結構是循環數n≥3的所有緞紋織物組織結構。構成2.5D織物的兩個平面織物組織可以是相同的，也可以是不同的。

2、2.5D類緞紋織物緯紗陣列。本專利設計的2.5D類緞紋織物結構是由兩個簡單平面織物交替層層嵌套而成。因此，相鄰的緯紗陣列在厚度方向有一定距離的錯位。由兩個平面織物(循環數為n)嵌套形成的2.5D類緞紋織物，其最小循環數為2n；緯紗陣列以M：M+1根間隔排列。根據n和M的大小可以預先設置2.5D類緞紋織物結構中緯紗陣列結構。

3、2.5D類緞紋織物表面紋路設計。用坐標對平面織物組織結構和2.5D類緞紋織物表面紋路結構進行編號。將兩個平面織物組織結構通過變換平面織物組織結構、變換坐標系以及增加平面織物循環數設計2.5D織物表面紋路。設計的表面紋路可以確定2.5D織物中經緯紗交織點的起始位置，控制交織點處經紗與緯紗的交織，可使每個平面緞紋逐層連接起來形成一個完整的2.5D織物結構。

4、2.5D類緞紋織物結構中經緯紗交織。本專利所設計的2.5D織物結構中經緯紗有多種交織方式，可以分為如下三類：

(1)倒三角形交織。依照表面紋路圖，在一個2.5D類緞紋織物中，經紗與各層緯紗交織后，經紗在織物中穿過的路勁呈倒三角形。

(2)倒梯形交織。依照表面紋路圖，在一個2.5D類緞紋織物中，經紗與各層緯紗交織后，經紗在織物中穿過的路徑呈倒梯形。

(3)可以將(1)和(2)中所提的兩種交織方式混合運用。

5、將各個經紗列按照交織點的位置和經緯紗交織結構與緯紗陣列相互組合，就可完成2.5D織物結構。

附圖說明

圖1是經過結構變形的平面織物層層嵌套形成2.5D類緞紋織物的思路圖，其中曲線為經紗，橢圓為緯紗。

圖2和圖3分別是列數為2n的緯紗陣列的右視圖和俯視圖。

圖4～圖7為平面織物的坐標系，圖8為2.5D類緞紋的坐標系。

圖9為2n×2n空白方格，在其中繪制2.5D類緞紋織物表面紋路組織點。

圖10和圖11是經緯紗的兩種交織方式，圖10為倒三角形交織，圖11為倒梯形交織。

圖12～圖15是n＝3的平面織物組織結構圖，圖中黑色點代表經紗與緯紗的交織點，白色點代表緯紗。

圖16是以2n＝6，M＝4為參數的2.5D類緞紋織物緯紗陣列結構圖。

圖17～圖26以2n＝6為參數的2.5D類緞紋織物表面紋路設計圖，其中，圖17、19、22和24為坐標系編號圖，圖18、20、21、23、25和26組織結構合成圖。

圖27是以2n＝6為參數的2.5D類緞紋織物中一根經紗與緯紗列的交織。

圖28是以2n＝6為參數的2.5D類緞紋織物中一列經紗與緯紗列的交織。

圖29是最終完成的2.5D類緞紋織物的三維結構示意圖，其參數為2n＝6，M＝4。

圖30和圖31是n＝的緞紋織物組織結構圖，圖中黑色點代表經紗與緯紗的交織點，白色點代表緯紗。

圖32是以2n＝8，M＝4為參數的2.5D類緞紋織物緯紗陣列結構圖。

圖33～圖35是以2n＝8為參數的2.5D類緞紋織物表面紋路設計圖，其中，圖33為坐標系編號圖，圖34和35組織結構合成圖。

圖36是以2n＝8為參數的2.5D類緞紋織物中一根經紗與緯紗列的交織。

圖37是以2n＝8為參數的2.5D類緞紋織物中一列經紗與緯紗列的交織。

圖38是最終完成的2.5D類緞紋織物的三維結構示意圖，其參數為2n＝8，M＝4。

具體實施方式

1、確定兩個具有相同循環數的平面織物結構。兩個平面織物的循環數n≥3，兩個平面織物可以是相同的組織結構，也可以是不同的組織結構。

2、2.5D類緞紋織物緯紗陣列。確定了平面織物循環數n后，就能夠確定2.5D類緞紋織物循環數2n的大小，并設計M的大小，M與n無關，可自由設計。確定2n和M的大小后，繪制2.5D類緞紋織物緯紗陣列結構圖，陣列圖由多個緯紗列構成，由于平面織物嵌套作用如圖1所示，使圖2所示2.5D類緞紋織物緯紗陣列具有錯位效果，圖3所示為2n個緯紗列組成的緯紗陣列的俯視圖。

3、2.5D類緞紋織物表面紋路設計。用坐標系對平面織物組織結構圖(n×n)和2.5D類緞紋織物表面結構圖(2n×2n)交織點進行編號，如X-Y，X代表行數，Y代表列數；平面織物有兩種坐標系，第一種如圖4和圖5所示，第二種如圖6和圖7所示；2.5D類緞紋坐標系如圖8所示。完成標號后，可通過變換平面織物組織結構、變換坐標系以及增加平面織物循環數設計2.5D類緞紋織物表面紋路結構圖，并將坐標系確定的組織點畫入圖9所示的2n×2n方格中。設計的2.5D類緞紋表面紋路交織點可以確定2.5D類緞紋織物中經緯紗交織點的起始位置，控制交織點處經紗與緯紗的交織，可使每個平面緞紋逐層連接起來形成一個完整的2.5D類緞紋織物結構。

4、2.5D類緞紋織物結構中經緯紗交織。本專利所設計的2.5D織物結構中經緯紗有多種交織方式，可以分為如下三類：

(1)倒三角形交織。圖10所示，依照表面紋路圖，在一個2.5D類緞紋織物中，經紗與各層緯紗交織后，經紗在織物中穿過的路勁呈倒三角形。

(2)倒梯形交織。圖11所示，依照表面紋路圖，在一個2.5D類緞紋織物中，經紗與各層緯紗交織后，經紗在織物中穿過的路徑呈倒梯形。

(3)可以將(1)和(2)中所提的兩種交織方式混合運用。

5、將各個經紗列按照交織點的位置和經緯紗交織結構與緯紗陣列相互組合，就可完成2.5D織物結構。

實施例

實施例1

1、確定平面織物結構。選用循環數n＝3的平面織物，可以選用兩個相同組織結構或兩個不同組織結構。循環數n＝3的緞紋織物組織結構采用如圖12～15所示的4種結構。

2、確定2.5D類緞紋織物的緯紗陣列。2.5D緯紗陣列列數為2n＝6，設計M＝4，則循環數為6的2.5D類緞紋織物緯紗陣列圖如圖16所示，其中緯紗以5∶4間隔排列。

3、2.5D類緞紋織物表面紋路設計。平面緞紋組織結構用3×3的坐標系進行編號，2.5D類緞紋表面紋路結構用6×6的坐標系進行編號。

(1)兩個相同平面緞紋組織結構設計2.5D類緞紋織物表面紋路結構。

用圖17(a)和(b)坐標系對圖18(a)和(b)中的組織點進行編號，每個組織點都有各自的坐標編號，用對應坐標編號在圖17(c)中找到對應位置，并將組織點填入空白的6×6的表格中，形成如圖18(c)所示的2.5D類緞紋表面結構圖。

(2)改變平面緞紋組織結構設計2.5D類緞紋織物表面紋路結構。

用圖19(a)和(b)坐標系對圖20(a)、(b)和21(a)、(b)中的組織點進行編號，每個組織點都有各自的坐標編號，用對應坐標編號在圖19(c)中找到對應位置，并將組織點填入空白的6×6的表格中，形成如圖20(c)和21(c)所示的2.5D類緞紋表面結構圖。

(3)改變坐標系設計2.5D類緞紋織物表面紋路結構。

改變2.5D類緞紋坐標系，將坐標系顛倒左右方向形成如圖22所示坐標系。用圖22(a)和(b)坐標系對圖23(a)和(b)中的組織點進行編號，每個組織點都有各自的坐標編號，用對應坐標編號在圖22(c)中找到對應位置，并將組織點填入空白的6×6的表格中，形成如圖23(c)所示的2.5D類緞紋表面結構圖。

改變平面織物坐標系，同圖7和圖8所示坐標系，對應坐標系如圖24所示。用圖24(a)和(b)坐標系對圖25(a)、(b)和26(a)、(b)中的組織點進行編號，每個組織點都有各自的坐標編號，用對應坐標編號在圖24(c)中找到對應位置，并將組織點填入空白的6×6的表格中，形成如圖25(c)和26(c)所示的2.5D類緞紋表面結構圖。

最終選定圖23(c)為循環數2n＝6的2.5D類緞紋織物表面紋路結構。

4、選擇經緯紗交織方式。選用倒三角經緯紗交織方式，經過經緯紗交織設計后，循環數2n＝6的2.5D類緞紋織物中經緯紗的交織方式如圖27所示，在圖27的基礎上完成該列經紗與緯紗的交織設計，如圖28所示。

5、參照圖23(c)中所示2.5D類緞紋織物表面紋路，確定每組經紗列的交織起始點，以圖28中經緯紗交織形成過程為例，完成其余5組經紗列與緯紗列的交織配置，最后形成一個完整的2.5D類緞紋經緯紗交織結構圖，如圖29所示。

實施例2

實施例2

補充說明實施例1。主要對增加循環數設計2.5D類緞紋織物表面紋路結構圖加以說明。

具體內容如下：

1、確定平面織物結構。選用循環數n＝4的平面織物，選用兩個不同的組織結構，確定所用的結構如圖30和圖31所示。

2、確定2.5D類緞紋織物的緯紗陣列。2.5D緯紗陣列列數為2n＝8，設計M＝4，則循環數為8的2.5D類緞紋織物緯紗陣列圖如圖32所示，其中緯紗以5∶4間隔排列。

3、2.5D類緞紋織物表面紋路設計。平面緞紋組織結構用4×4的坐標系進行編號，2.5D類緞紋表面紋路結構用8×8的坐標系進行編號。

(1)兩個相同平面緞紋組織結構設計2.5D類緞紋織物表面紋路結構。

用圖33(a)和(b)坐標系對圖34(a)和(b)中的組織點進行編號，每個組織點都有各自的坐標編號，用對應坐標編號在圖33(c)中找到對應位置，并將組織點填入空白的8×8的表格中，形成如圖34(c)所示的2.5D類緞紋表面結構圖。

(2)改變平面緞紋組織結構設計2.5D類緞紋織物表面紋路結構。

用圖33(a)和(b)坐標系對圖35(a)、(b)中的組織點進行編號，每個組織點都有各自的坐標編號，用對應坐標編號在圖33(c)中找到對應位置，并將組織點填入空白的8×8的表格中，形成如圖35(c)所示的2.5D類緞紋表面結構圖。

(3)改變坐標系設計2.5D類緞紋織物表面結構方法參見實施例1。

最終選定圖35(c)為循環數2n＝8的2.5D類緞紋織物表面紋路結構。

4、選擇經緯紗交織方式。選用倒三角經緯紗交織方式，經過經緯紗交織設計后，循環數2n＝6的2.5D類緞紋織物中經緯紗的交織方式如圖36所示，在圖36的基礎上完成該列經紗與緯紗的交織設計，如圖37所示。

5、參照圖35(c)中所示2.5D類緞紋織物表面紋路，確定每組經紗列的交織起始點，以圖36中經緯紗交織形成過程為例，完成其余7組經紗列與緯紗列的交織配置，最后形成一個完整的2.5D類緞紋經緯紗交織結構圖，如圖38所示。