编织机及编织工艺的发展
编织是一种通过沿织物成型方向取向的三根或多根纤维（纱线）按照特定的规律倾斜交叉，使纤维（纱线）交织在一起的工艺。20世纪60年代末美国通用电气公司发明“Ominiweave” 编织机，1982年美国Cumagna公司发明“Magnaweave”编织机。如今，编织机已经发展成为一种重要的预制件成型设备。二维编织可编织的纱线根数已接近1000，大型三维编织目前可同时编织数万根纱线；编织机可编织包括圆形和平面二维织物、规则和异形三维织物等在内的多种结构织物。
编织复合材料具有不分层整体结构、沿编织方向截面可连续变化、复杂结构构件一次成型等特点，耐冲击、抗分层、抗蠕变等的优异性能。编织复合材料在航空航天飞行器、发动机、汽车、船舶、建筑、生物工程等领域得到大量应用。
本文系统地介绍编织机、工作原理、各种编织结构及编织结构代表性的单胞结构，讨论了编织机的主要研究方向及应用。
1.二维编织机
1.1 工作原理
二维编织机是通过喇叭状叶轮的旋转带动携纱器分别沿顺时针和逆时针方向运动，使两组纱线在表面分别沿+θ和-θ角交织，形成织物，如图1所示。编织角θ介于00到800之间，锭数可达800锭。图1展示了二维编织机喇叭状叶轮的配置，标注了纱锭的旋转方向。携纱器在叶轮的带动下在叶轮中心连线两侧交替，运动轨迹如图2所示。
图1 二维编织机叶轮配置
图2 携纱器的运动轨迹示意图
1.2 分类
编织机按照携纱器在空间的取向及携纱器与编织盘轴心的相对方向分为立式（Vertical）、卧式（Horizontal）和径向（Radial）编织机, 如图3所示。立式编织机如图4（a）所示。立式编织机通常锭数少，编织速度快，常用来编织绳索、细管及线缆保护层等。卧式编织机如图4（b）所示。卧式编织机可以方便地添加芯轴，因此不仅可编织绳索、细管等立式编织机可编的织物，还可以通过控制芯轴截面，编织变截面织物。还可通过控制芯轴往复运动进行多层编织。径向编织机如图4（c）所示。由于携纱器在圆盘内层运转，携纱器直接指向积聚面，大大缩短了收敛区的长度，纱线只通过一次张力装置，降低了纱线张力的差异，减小纱线间的摩擦，可大大降低断纱率。同时借助机械臂，径向编织机能灵活地进行往复编织，改变芯轴的取向。
图3 二维编织设备 （a）立式编织机 （b）卧式编织机 （c）径向编织机
1.3 编织的织物结构
二维编织机编织的织物的基本结构分为菱形编织（Diamond braid）、常规编织（Regular braid）和赫格利斯编织（Hercules braid），分别如图5（a）、（b）、（c）所示。菱形编织结构如图5（a）所示，每根纤维（纱线）交替并重复地覆盖单根纤维（纱线）又被单根纤维（纱线）所覆盖。常规编织结构如图5（b）所示，每根纤维（纱线）交替并重复地覆盖两根相邻纤维（纱线）又被两根相邻纤维（纱线）所覆盖。赫格利斯编织结构如图4（c）所示，每根纤维（纱线）交替并重复地覆盖三根连续纤维（纱线）又被连续三根纤维（纱线）所覆盖。二维编织物中影响纤维的取向和覆盖系数主要因素为芯轴直径、纱线层叠的宽度、芯轴速度和方向及编织速度。
图4 编织结构 （a）菱形编织 （b）常规编织 （c）赫格利斯编织
平面编织物是对传统二维编织机进行一定的改造后编织出的织物。去掉编织机一个叶轮或对其相邻的两个叶轮进行改造，使纤维（纱线）在开始和末端不能交织，编织出的织物展开为平面状，称为平面编织物。其携纱器的运动轨迹如图5 所示。相应的菱形编织物结构类似于平纹结构，常规编织物结构类似于斜纹2/2结构，赫格利斯编织物结构类似于斜纹3/3结构。
图5 平面编织携纱器轨迹图
二维三轴编织物是在编织过程中添加轴向纱编织出的织物。在二维三轴编织机上，将传统二维编织机的叶轮更换成开有中心孔的叶轮，并在中心孔中添加沿编织方向的纤维或者纱线，编织成的织物就称为二维三周编织物。其中添加的纱线被称为轴向0o纤维（纱线）。轴向0o纤维（纱线）可以在编织物整周全部添加或者按需求部分添加。轴向0o纤维（纱线）被夹持在编织纱中间，没有屈曲。因此可增加编织物轴向的强力，减小了编织物轴向的伸长率。
1.4 织物模型
二维编织物几何模型的研究目前集中在分析二维编织复合材料内部细观结构，建立的三维实体模型。2010年Birkefeld等利用光学测量仪器和显微照相设备对编织参数不同的二维织物进行了研究分析，利用WiseTex软件根据不同的编织参数快速建立了二维编织物三维实体模型。2012年Alpyildiz提出了一种改进的二维管状编织物三维实体模型。该模型不仅考虑了纤维（纱线）的屈曲，同时考虑了管状编织物的圆管的曲率。模型可适用于不同的编织结构，还可根据编织参数变化进行调整。Ha和xu等在借鉴了Goyal等建立的编织物有限元模型，考虑了内部被压纱线截面的变化，建立了不同类型二维编织物的精确有限元单胞模型并对编织物进行了有限元模拟，模拟结果和实验结果相符。
2.三维编织机
2.1 工作原理
根据一个编织循环中携纱器依次完成移动所需步数的不同，三维编织机的编织工艺可分为二步法、四步法、多步法。二步法中一个编织循环携纱器的运动如图6所示。二步法一个循环由两步组成，每一步相间配置的多排携纱器相向运动，编织纱沿着两个方向依次移动；携纱器完成两步动作，一个编织循环结束。二步法编织的织物中除了编织纱，还包含轴向纱。编织过程中轴纱保持不动，由编织纱将轴向纱捆绑在一起，形成三维织物。
图6 二步法示意图
四步法中携纱器的运动如图7所示。四步法一个循环由四步组成，每一步两组相间配置的携纱器相向运动，编织纱沿着正交的两个方向依次往复移动；携纱器完成四步运动，一个编织循环结束。
图7 四步法示意图
多步法是在1994年由KOSTAR和CHOU两人提出的。多步法是在四步法的基础上研发出来的，因此编织纱也是在正交的两个方向往复运动的。根据多步法中完成一个编织循环携纱器一次运动所需步数的不同，多步法又分为六步法、八步法等。图8为八步法编织过程中携纱器的运动示意图。每步中两组相间配置的相向运动；与四步法不同的是，每个编织循环中每个同样携纱器运动都出现两次。
图8 八步法示意图
2.2 分类
目前三维编织机主要分为笛卡尔式或纵横式（Cartesian or track and column）编织机和旋转式（rotary）编织机两类。编织机的编织盘的形状又可分为矩形、圆形和异形等。
笛卡尔式或纵横式编织机的构造如图9所示，由多排和多列携纱器、基座、导轨等组成。笛卡尔式编织机通常按照四步法或多步法编织工艺工作，编制过程的每一步数排或数列上的携纱器按照设定的方向沿着基座上的机械导轨移动，一个编织循环之后携纱器回到起始位置，编织纱交织形成三维织物。由于这种编织机底盘上的导轨纵横交错，纱锭在运动过程中很容易出现卡死现象。为避免这种问题，就对机械导轨的加工精度和携纱器运动过程中的定位精度提出较高要求。
图9 笛卡尔式编织机构造示意图
旋转式编织机是由二维Maypole 编织机发展而来的。二步法、四步法、多步法编织工艺均可应用于此种编织机旋转式。编织机编织盘构造如图10 所示。编织过程中通过叶轮的旋转带动纱锭运动，在交换点处选择性地调整纱锭的运动方向使纱锭沿着预定轨道运动，编织纱在空间交织，形成三维织物。旋转式编织机的喇叭状叶轮最多安装四个纱锭，并带动纱锭顺时针或逆时针旋转。旋转式编织机中单个纱锭的运动由叶轮控制，编织物制造过程设计时，可以通过调整叶轮的旋转方向和纱锭在相邻叶轮间的转移，调整单个纱锭的运动轨迹，大大增加了设计的灵活度；类似于二维编织机，旋转式编织机通过对叶轮的改造，选择性地添加轴向0o纱。
图10旋转式编织示意图
除了笛卡尔式和旋转式三维编织机外，1996年美国alantic公司研发了耗资1000多万美元研发了三维径向编织机。类似于二维径向编织机，三维径向编织机的载纱器指向编织盘中心。但此编织机处于严格保密状态。
2.3编织的织物
笛卡尔式三维编织机和旋转式三维编织机采用同种编织工艺编织的织物就其内部结构而言是相同的。
根据三维编织物内部纱线空间取向总数的多少，三维编织物分为三维四向织物、三维五向织物、三维六向织物、三维七向织物。三维四向织物是在三维编织机通过四步法编织出的织物，织物内部纱线空间取向为四个。三维五向织物、三维六向织物、三维七向织物是在实际应用中，根据需要在四步法编织过程中，在长、宽、高三个方向分别添加轴向纱编织出的织物。由于轴向纱的存在，编织物内部纱线空间取向相应增加，编织物该轴向的力学性能得到改善。利用二步法在编织机上编织的编织物内部纱线在空间内有五个取向，也被称为二步法三维五向织物。
另外，通过调整携纱器的起始配置和轨迹不仅可以获得规则截面的三维编织物，还可编织出不规则截面的编织物，即异形编织物。例如中空、I形、U形、T形、X形等；在编织过程中可根据需要调整纱线的粗细，添加或减少编织纱的数量，使编织物的截面发生连续变化，可编织出变截面三维编织物。变截面编织物在旋转式编织机上编织起来较方便，可直接通过调整变换（switch）开关，使编织物的截面面积连续变化。
2.4 织物模型
汪星明和邢誉峰、孙慧玉等都专门对三维编织物几何模型的研究进行过总结。本文中将选择性介绍部分代表性和改进的模型。三维编织物几何模型的研究主要分为早期的简化模型和现在的精细三维实体几何模型。
早期的简化模型主要包括“取向平均模型”、“‘米’字枝状模型”和“纤维倾斜模型”。“米”字枝状模型将三维编织物单胞结构简化成几根相互正交的纱线和四根对角线。“米”字枝状模型为简化的模型，计算量小，但是无法描述内部细观结构，模型精度难以提高。对于添加轴向纱的三维织物可通过对米子模型进行适当调整，在轴向增加垂直或水平的纱线来建立其简化模型。
纤维倾斜模型将编织复合材料简化成由不对称的倾斜交叉的层合板做成的集合体，使用的是经典层合板理论和等应力和等应变假设。该模型第一次讲经典层合板理论应用于编织复合材料便于计算。但内部纤维形态过于简单，没有考虑纤维的屈曲和截面变化。
近年来Tolosana等利用开发的Braid3DTEX软件，通过模拟旋转式编织机的编制过程，使用非均匀有理B样条曲线，自动生成三维编织物单胞的几何模型。
2012年张和徐提出的三维四向织物的多胞模型，包含表面单胞、内部单胞和角单胞三种单胞。多胞模型考虑了编织纱的空间构型，也考虑了纱线的挤压情况。Shokrieh和Mazloomi提出了三维四向编织物的另一种多胞模型，包括内部单胞、内表面单胞、外表面单胞和角单胞。此多单胞模型不仅考虑了内部、表面、角落纱线空间构造和几何特征的不同，又将表面单胞细化分为两个次单胞。
2011年Li和 Yao分析总结了先前三维五向编织物单胞模型研究，考虑了纤维的截面变化和纤维表面的接触，建立了新的三维五向织物参数化的单胞模型。2012年李和潘等不仅考虑了编织物内部纱线挤压变形还考虑到纱线的扭转，建立了另一种新的三维五向编织物的单胞模型。
三维编织物细观模型的研究主要问题是无法精确模拟纱线在三维编织物内部的空间形态。由于编织过程和复合材料加工过程对纱线造成的牵拉挤压，造成纱线的截面变化、扭转及屈曲等，这些都是三维模型研究中需要进一步关注的问题。
3.应用
3.1 工程领域
缅因大学和A&P科技公司联合研发设计了使用碳纤维编织拱肋的公路桥梁。该桥梁克服了严酷环境的腐蚀，延长了桥梁的寿命，降低维护成本；大大缩短了桥梁的建造周期，桥梁设计完成后，30天内就能完成桥梁的制造、运输和安装。
在建筑中，碳纤维和玻璃纤维编织棒被用来增强水泥由于编织物表面的特殊纹理，水泥和编织棒间接触更加牢固。编织棒具有良好的耐剪切性能，可通过调整轴心碳纤维和玻璃纤维的含量比改变编织棒的机械性能。编织棒还具有良好的应变传递性，可用作建筑物中的应变传感器。
3.2 交通工具领域
部分汽车中，编织复合材料已经取代金属，作为前纵梁。与金属相比，编织复合材料具有更高的能量吸收率。在汽车发生碰撞时可吸收更多能量。此外制造商使用编织复合材料作为汽车的A柱、B柱、C柱、车顶梁等，减轻汽车重量。
高档公路赛车制造商使用编织结构中控车架代替传统金属车架，减小公路赛车的质量。
3.3 航空航天领域
美国通用电气公司在其为波音787和747-8飞机设计的GEnx发动机上使用了编织喷气发动机风扇机匣，发动机密封性能提升30%，单个发动机的重量也减少了350磅。相对于金属，编织机匣具有更好的耐冲击性和耐疲劳性。
NLR国家航空航天实验室成功研发了直升机编织结构起落架组件。与金属材料起落架组件比，编织结构起落架组件质量减少20%，制造成本降低15%，设计和制造时缩短。
我国“嫦娥一号”探月卫星上使用了编织结构的空间桁架。神州八号飞船上也使用三维编织增强材料作为关键部件的增强骨架材料。
4.编织机发展方向
如今编织织物及编织复合材料广泛应用于多个领域，随着编织织物性能要求的提升，对编织机的要求也将越来越高。虽然经过50多年的研发与改进，编织机的发展仍处于相对初级的阶段。尤其是三维编织效率低、体积庞大、造价高、产品均匀性和可重复性差等问题严重限制了其发展及普及。
针对编织存在的问题和生产需求，科研人员也做了大量的研究，目前集中于以下几个方向：
（1）提高编织机自动化程度，提高编织效率。
二维编织机结构简单，自动化程度相对较高，机器运行参数已实现数字化控制。但三维编织机机构复杂，纱锭数多。二维编织机的纱锭安装需要几十分钟到几个小时，但三维编织机的纱锭安装需要几十小时甚至几天的时间。三维编织机编织复杂构件时需要手工辅助打紧纱线，引纬纱，增减纱等；更换编织织物类型时需要手动调整基座上的携纱器运行轨道。这些过程费时费力，操作不当直接影响织物质量，造成编织物均匀度低、重复性差。万振凯、郭建民针对使用四步法的大型三维编织机进行了研究，开发了适用于此设备的控制系统和监控系统，提高了编织机的效率和自诊断故障功能。
（2）增加携纱器数量，缩小编织机体积。
编织机可挂纱锭数直接影响到编织织物的尺寸。纱锭数越多，可编织的织物尺寸也越大。美国Atlantic Research公司耗资千万研制了可挂14000根纱线的圆型三维编织机，天津工业大学研制了计算机控制的可挂4万根纱线的方型三维编织机。但增大携纱器数量，编织机的体积会相应变大。三维编织机的编织盘与最终的立体编织物的尺寸相差很大，差距可达30倍。编织大型复杂构件就需要纱锭数几万甚至几十万的编织机，由于编织机过于庞大，编织机的制造和编织难度加大，成本也增加。
为了在不减少纱锭的前提下，缩小编织机体积，加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）先进纤维材料实验室（AFML）和德国亚琛工业大学（RWTH）纺织技术学院联合开发了六角编织机的原型机。新型六角编织机采用六角凸轮，每个凸轮上最多可安装6个携纱器。第二代六角编织机引入了类似于蕾丝编织机的转换装置，两个携纱器在凸轮间通过此装置交换位置，从而使每个凸轮都能安装6个携纱器。与传统旋转式编织机相比，纱锭的密度增大，编织盘的面积缩小，能够编织微细长丝，同时一定程度上克服了由于传统编织机体积限制造成的编织织物尺寸的限制。
（3）编织过程精确控制。
编织机动力装置的选择决定了编织速度和牵拉速度的精度。编织速度和牵拉速度直接影响最终编织织物的结构和性能。采用伺服自动控制系统、气动、液压控制系统代替传统电机和手工操作，能大大提供编织工程中各项工艺参数的精度，提高编织织物均匀性、质量的稳定性。
（4）编织技术和其他技术联合使用。
编织技术结合其他技术，制作的产品可以克服编织物横观力学性能较差等缺点，提升编织物的力学性能。A&P公司已经将往复编织和缠绕过程结合在一起，并实现了自动化生产。
（5）编织物结构更加复杂、编织物朝着大尺寸和小尺寸两个方向发展。
利用编织物一次成型的不分层整体结构的特点，科研人员将开发更多的复杂结构的构件，以减少设备中主承力件间需要连接的次数，降低设备骨架在连接处断裂的风险，同时弥补金属材料性能上的缺陷。尤其在航空航天、国防等领域，就要求编织机能够织造尺寸更大、内部结构更复杂的、力学性能更有优异的编织结构件。
在医学领域，编织物被用做人工植入体替换人体内病变器官。人体内的器官结构复杂、尺寸相对较小，这就要求编织机能能够编织出更加精细、尺寸更小的构件。
编织技术已经发展成为一种重要的预制件成型技术。随着编织织物在越来越多的领域应用，对于编织机械和编织技术的研究将越来越多。
特别声明：
本文章引用自：赵展,Md.Hasab Ikbal,李炜.编织机及编织工艺的发展[J].玻璃钢／复合材料, 2014(10):7.DOI:10.3969/j.issn.1003-0999.2014.10.018.
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