三维编织管及制作该三维编织管的三维编织机和编织工艺的制作方法

本发明涉及三维编织领域中的基于空间群P4的三维编织管及该制作该三维编织管的三维编织机和编织工艺。

背景技术：

近年来三维编织复合材料作为一种新型的工程材料得到广泛应用，因其具有完整结构、一次成型和省时省力等优点，这种编织物被广泛的应用于各个领域，并得到织造技术研究院相当大的关注。

为了能够得到几何结构更加稳定，力学性能更加优异的编织材料，从基于空间群P3到基于空间群P4，人们对编织结构一直进行着新的尝试。中国专利CN105063885A公开了一种“基于空间群P4对称性的三维编织材料”，该文件公开了一种基于空间群P4的四纱线纺织结构，该四纱线纺织结构包括多个在横向和纵向上顺序相接的代表性体积单元，该代表性体积单元如公开文件的图1所示：包括四根纱线节，任意一根纱线节穿插于其相邻两个纱线节之间，各代表性体积单元在横向上和纵向上顺序相接而形成一块平面结构的三维编织织物。现有的这种三维编织织物存在的问题在于：该三维编织织物为平面结构，而在实际生产应用中，管状的三维编织物更有应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于空间群P4的三维编织管；本发明的目的还在于提供一种制作该三维编织管的三维编织机和编织工艺。

为了解决上述问题，本发明中三维编织管的技术方案为：

基于空间群P4的三维编织管，包括多个代表性体积单元，每个代表性体积单元均由两根由对应周向携纱器周向运动而形成的周向纱线节和两根由对应径向携纱器径向移动而形成的径向纱线节构成，同一个代表性体积单元中任意一根纱线节穿插于其相邻两根纱线节之间，各代表性体积单元排列成各纱线节在圆周方向上对应顺序相接、在轴向上对应顺序相接的圆管结构。

在垂直于圆管结构的轴向截面上，三维编织管包括至少两个由单层所述代表性体积单元形成的编织层。

本发明中三维编织机的技术方案为：

三维编织机，包括2n个同轴线设置有的周向移动轨道，周向移动轨道上导向移动装配有多个沿圆周方向均匀间隔布置的周向携纱器，不同周向移动轨道上的对应周向携纱器以周向移动轨道的中心辐射状分布，定义位于同一辐射线上的周向携纱器形成一列，三维编织机还包括与周向携纱器列数对应的多列以周向移动轨道的中心辐射状分布的可沿周向移动轨道径向移动的径向携纱器，各列径向携纱器分别位于对应相邻两列周向携纱器之间，每列径向携纱器中径向携纱器的个数为2n个，任意一列径向携纱器的相邻两列径向携纱器中的对应两个径向携纱器处于以周向移动轨道的中心为圆心的同一半径上，各径向携纱器与其相邻的周向携纱器在圆周方向上错位布置，任意一列周向携纱器的相邻两列径向携纱器中，其中一列径向携纱器的最外侧径向携纱器位于该列周向携纱器的最外侧周向携纱器的外侧且可沿圆周方向移动，另外一列径向携纱器的最内侧径向携纱器位于该列周向携纱器的最内侧周向携纱器的内侧且可沿圆周方向移动，n取正整数。

本发明中编织工艺的技术方案为：

编织工艺，包括多个重复的编织步骤单元，每个编织步骤单元包括以下步骤，第一步，相邻两个周向移动轨道上的周向携纱器分别沿对应周向移动轨道朝向反方向移动一个周向角度，周向角度等于相邻两列周向携纱器的夹角；第二步，相邻两列径向携纱器分别沿周向移动轨道的径向朝向反方向移动一个径向距离，径向距离等于同一列径向携纱器中相邻两个径向携纱器的间距；第三步，相邻两列径向携纱器中，距离周向移动轨道中心最近的径向携纱器和距离周向移动轨道中心最远的径向携纱器沿周向朝向反方向移动一个所述周向角度。

本发明的有益效果为：本发明中周向携纱器沿周向移动轨道的周向移动形成周向纱线节，径向携纱器沿径向移动形成径向纱线节，每个代表性体积单元均包含均由两个周向纱线节和两个径向纱线节构成，从而形成了基于空间群P4的三维编织管，相对于平面结构的P4编织而言，有更广阔的应用价值。

附图说明

图1是本发明中三维编织管的一个实施例的结构示意图；

图2是图1的理论模型图；

图3是图1中的A处放大图；

图4是图1中处于中间位置的单个代表性体积单元的结构示意图；

图5是图4的立体图；

图6是图1中处于内侧边缘位置的单个代表性体积单元的结构示意图；

图7是图1中处于外侧边缘位置的单个代表性体积单元的结构示意图；

图8是本发明中代表性体积单元的拓扑结构图；

图9是本发明中三维编织工艺中各周向携纱器和径向携纱器的移动示意图。

具体实施方式

基于空间群P4的三维编织管的实施例如图1～7所示：该三维编织管10包括五个由单层代表性体积单元11形成的编织层，每个代表性体积单元11均由两根由对应周向携纱器周向于运动而形成的周向纱线节12和两根由对应径向携纱器径向移动而形成的径向纱线节13构成，同一个代表性体积单元11中任意一根纱线节穿插于其相邻两根纱线节之间。各代表性体积单元排列成各纱线节在圆周方向上对应顺序相接、在轴向上对应顺序相接的圆管结构。

由于具有多个编织层，处于内侧边缘位置的代表性体积单元、处于外侧边缘位置处的代表性体积单元和处于中间位置(即由内至外数的第二层、第三层和第四层)的代表性体积单元的径向纱线节会有所不同，处于中间位置的代表性体积单元的结构如图4-5所示，处于内侧边缘位置的代表性体积单元的结构如图6所示，处于外侧边缘位置的代表性体积单元的结构如图7所示，从图中可以看出，处于内侧边缘位置的代表性体积单元的径向纱线节的内端在周向上具有内侧拐角结构，处于外侧边缘位置的代表性体积单元的径向纱线节的外端在周向上具有外侧拐角，而处于中间位置的代表性体积单元的径向纱线节无上述的拐角结构，在俯视方向上径向纱线节的轨迹为方环形。不同位置的代表性体积单元的周向纱线节的形状是一致的，只不过在半径上有所区别，外层的代表性体积单元的周向纱线节的半径会大于内层的代表性体积单元的周向纱线节的半径。图中△θ为每个代表性单元的圆心角；γ'表示周向纱线节12与径向纱线节13的夹角，该夹角大于90度；△R表示代表性单元的半径增量；α'、β'分别代表编织角；h'表示代表性单元的高度。

三维编织机的实施例如图9所示：包括2n个同轴线设置有的周向移动轨道22，本实施例中n取2，n值就意味着编织层的层数，使用该实施例中的三维编织机可以编织出两层结构的三维编织管，周向移动轨道22上导向移动装配有多个沿圆周方向均匀间隔布置的周向携纱器20(图9中实心点表示)，不同周向移动轨道上的对应周向携纱器以周向移动轨道的中心辐射状分布，定义位于同一辐射线上的周向携纱器形成一列，三维编织机还包括与周向携纱器列数对应的多列以周向移动轨道的中心辐射状分布的可沿周向移动轨道径向移动的径向携纱器21(图9中空心圈表示)，各列径向携纱器分别位于对应相邻两列周向携纱器之间，每列径向携纱器中径向携纱器的个数为2n即4个，任意一列径向携纱器的相邻两列径向携纱器中的对应两个径向携纱器处于以周向移动轨道的中心为圆心的同一半径上，各径向携纱器与其相邻的周向携纱器在圆周方向上错位布置，任意一列周向携纱器的相邻两列径向携纱器中，其中一列径向携纱器的最外侧径向携纱器位于该列周向携纱器的最外侧周向携纱器的外侧且可沿圆周方向移动，另外一列径向携纱器的最内侧径向携纱器位于该列周向携纱器的最内侧周向携纱器的内侧且可沿圆周方向移动。同一半径上的各周向携纱器沿圆周方向均匀间隔布置，同一半径上的各径向携纱器沿圆周方向均匀间隔布置，即相邻两列周向携纱器的夹角与相邻两列径向携纱器的夹角相同。

在本发明的其它实施例中，根据所需编织的层数，n还可以取1、3、4等其它正整数。

使用上述三维编织机制作三维编织管的编织工艺的实施例如图9所示：包括多个重复的编织步骤单元，编织步骤单元包括以下步骤，第一步如图9中的A所示，相邻两个周向移动轨道上的周向携纱器分别沿对应周向移动轨道朝向反方向移动一个周向角度，周向角度等于相邻两列周向携纱器的夹角；第二步如图9中的B所示，相邻两列径向携纱器分别沿周向移动轨道的径向朝向反方向移动一个径向距离，径向距离等于同一列径向携纱器中相邻两个径向携纱器的间距；第三步如图9中的C所示，相邻两列径向携纱器中，距离周向移动轨道中心最近的径向携纱器和距离周向移动轨道中心最远的径向携纱器沿周向朝向反方向移动一个所述周向角度，三步以后，各携纱器回到了原始排列，然后打紧，重复上述步骤数次即可获得一种满足空间群P4对称性的新型三维编织管的预制件，从俯视方向上，周向携纱器的运动轨迹是一个圆形环，径向携纱器的运动轨迹是一个方形环。

三维编织管的预制件中纱线轨迹如图8所示：‘1-6’表示每种纱线的拓扑结构。‘1-4’为径向纱线节的拓扑结构。1和2分别代表外表面和内表面纱线的拓扑结构。3和4代表预制件中径向纱线节的移动规律。5和6为周向纱线节的拓扑结构，重复Step1、Step2、Step3和打紧可形成新型三维编织管。该新型三维编织管的理论模型可通过空间群P4的平移对称操作获得。