織物彎曲性能分析方法綜述

季 慧，蔣耀興，張長(zhǎng)勝

（1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州215021；2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州215123）

織物的彎曲性能對(duì)其尺寸穩(wěn)定性、褶裥耐久性、折皺回復(fù)性及服裝成形性等具有很大影響［1］，優(yōu)良彎曲性形成優(yōu)雅的視覺效果。現(xiàn)今，已有越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注于織物彎曲性的研究。

1 彎曲性能的歷史及評(píng)價(jià)指標(biāo)

織物的彎曲是源于織物的力學(xué)性質(zhì)，所以對(duì)彎曲特性的研究必然離不開其力學(xué)指標(biāo)。

1.1 彎曲性能的歷史

早在20世紀(jì)20年代，織物風(fēng)格這一說(shuō)法被Binns提出。20世紀(jì)30年代，開始有學(xué)者專注于對(duì)織物彎曲性能的研究。直到1937年，英國(guó)物理學(xué)家Peirce引入了懸臂梁模型對(duì)織物彎曲性能進(jìn)行了初步分析，并且提出了一系列力學(xué)指標(biāo)，結(jié)合織物的基本參數(shù)客觀評(píng)價(jià)了織物彎曲柔性等性質(zhì)。進(jìn)入20世紀(jì)60年代，Grosberg／H對(duì)通過(guò)多種織物實(shí)際彎曲情況分析后，提出了織物彎曲摩擦力偶模型。在這之后，Clapp，Peng等人提出織物實(shí)際彎曲時(shí)的表現(xiàn)性質(zhì)可以分為彈性的線性部分和由于摩擦產(chǎn)生的非線性部分。20世紀(jì)70～80年代，Huang，Leaf等人提出了織物雙線性彎曲理論，認(rèn)為在整個(gè)彎曲過(guò)程中，曲率變化是非線性的。之后，T.K.Ghost等人對(duì)織物的彎曲力學(xué)性能做了系統(tǒng)的總結(jié)［2-4］。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

從現(xiàn)已有的研究來(lái)看，對(duì)織物彎曲性能的評(píng)價(jià)主要是客觀的。如斜面法主要通過(guò)測(cè)量織物的有關(guān)力學(xué)參數(shù)，如織物厚度、彎曲長(zhǎng)度、彎曲角、平方米克重等從而計(jì)算出彎曲剛度來(lái)評(píng)價(jià)其彎曲性能。其實(shí)也可以主觀地對(duì)織物彎曲性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是得到的數(shù)據(jù)過(guò)于隨意，準(zhǔn)確率過(guò)低，幾乎沒(méi)有可比性，受人的心情以及環(huán)境的影響很大，適用范圍相對(duì)局限。

2 彎曲性能分析方法

進(jìn)入21世紀(jì)后，織物彎曲性能的理論研究取得了更進(jìn)一步的發(fā)展，隨著電子技術(shù)的日新月異，使得織物彎曲性能的檢測(cè)手段以及分析方法都有了突破性的進(jìn)展。圖像分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及有限元方法陸續(xù)被應(yīng)用于織物彎曲性能的研究，也大大提高了我們對(duì)其認(rèn)識(shí)水平。

2.1 圖象處理技術(shù)

實(shí)驗(yàn)部分與斜面法一致，待織物自由彎曲形態(tài)穩(wěn)定后，采用高速攝影技術(shù)，捕捉該畫面，從而采集到較為準(zhǔn)確的彎曲形態(tài)圖像。將此圖像經(jīng)過(guò)采樣和量化處理后轉(zhuǎn)換成為數(shù)字圖像，然后再進(jìn)行預(yù)處理，如設(shè)置比例尺、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、形態(tài)學(xué)處理、分割等，摒棄無(wú)用信息，保留有用信息，最終得到織物彎曲形態(tài)的擬合曲線，從而獲得各種特征指標(biāo)，如彎曲角、彎曲長(zhǎng)度等［5］。

該方法是在原有斜面法標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)高清攝像頭取得彎曲形態(tài)的圖像從而進(jìn)行分析的，這樣得到的數(shù)據(jù)的精確度更高，誤差更小。但是翻閱大量的文獻(xiàn)，現(xiàn)有的成果主要是利用圖像處理技術(shù)對(duì)織物靜態(tài)彎曲性能的研究，得出的也是其二維特征指標(biāo)。而在日常生活中，服裝無(wú)時(shí)無(wú)刻都是動(dòng)態(tài)的，人們往往是從顏色的明暗搭配以及其線條的流暢對(duì)服裝進(jìn)行評(píng)價(jià)的，從而使織物動(dòng)態(tài)彎曲性能的研究尤為有意義。而且，織物彎曲并不是一種二維現(xiàn)象，而是三維，所以用二維指標(biāo)并不能完全表征其彎曲性能，對(duì)織物三維信息的研究也是勢(shì)在必行。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)根據(jù)正確結(jié)果不停地校正自己的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后獲得一個(gè)滿意的精度。我們?nèi)澢鷦偠葴y(cè)試得到的結(jié)果中的小部分用于模型精度檢驗(yàn)，剩余數(shù)據(jù)用于建模。選取適合的訓(xùn)練函數(shù)后再進(jìn)行尋優(yōu)，挑選幾個(gè)角度以及相應(yīng)其角度方向的彎曲剛度值分別作為網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)。重復(fù)該操作后，選定相對(duì)適合的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理以消除因輸入、輸出數(shù)據(jù)不同指標(biāo)的單位和數(shù)量級(jí)帶來(lái)的差異。用Mat-Lab進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，設(shè)定訓(xùn)練目標(biāo)誤差，得到收斂情況，從而預(yù)測(cè)織物的彎曲性能［6］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輸入到輸出的非線性映射過(guò)程，但是在實(shí)際應(yīng)用中，它的預(yù)測(cè)精度并不夠準(zhǔn)確，若是目標(biāo)函數(shù)過(guò)于復(fù)雜，其算法也會(huì)相對(duì)低效。所以在以后的研究中，還需要通過(guò)進(jìn)一步對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，盡量減少相關(guān)性高的數(shù)據(jù)，使得到的數(shù)據(jù)更加精確。除此之外，也需要同時(shí)改變實(shí)驗(yàn)的環(huán)境以實(shí)驗(yàn)樣品的種類和數(shù)量從而增強(qiáng)其模型的預(yù)測(cè)性能，才能在日常應(yīng)用中發(fā)揮有效的作用。

2.3 有限元方法

現(xiàn)在的有限元方法主要表現(xiàn)為一個(gè)計(jì)算工具。在有限元方法中，整個(gè)解決方案領(lǐng)域又被分為有限個(gè)單元。在每個(gè)單元中，微分控制方程描述運(yùn)動(dòng)行為。各個(gè)單元被拓?fù)鋱D連接在一起，被稱為網(wǎng)格。只要給定問(wèn)題的邊界條件滿足唯一的解決方案，就能通過(guò)一個(gè)解矩陣得到線性代數(shù)方程組的整體系統(tǒng)。關(guān)于織物大變形的預(yù)測(cè)，微分方程的分析和數(shù)值解的處理方法，如龍格庫(kù)塔，射擊，有限差分和有限元（FE）方法，均來(lái)源于歐拉 -伯努利理論推導(dǎo)。在這些研究中，將織物看作一種各方向異性的連續(xù)體，從而對(duì)織物彎曲變形特征進(jìn)行模擬計(jì)算［3］。但是它們把織物的變形歸結(jié)于彎曲剛度，而軸向變形的影響被忽略。鑒于此，后來(lái)使用歐拉 -伯努利理論與非線性應(yīng)變位移關(guān)系的有限元（FE）方法被成功地應(yīng)用于織物的彎曲問(wèn)題之中［7］。

雖然該方法具有高效性、實(shí)用性，但是所有的FE方法需要許多相關(guān)性單元用于負(fù)載遞增過(guò)程。它依賴于其良好品質(zhì)的網(wǎng)格。然而無(wú)網(wǎng)格方法，可以消除概念元素，從而克服了以網(wǎng)格為基礎(chǔ)的方法的缺點(diǎn)。因此，近年來(lái)，無(wú)網(wǎng)格方法已經(jīng)引起研究人員的高度重視。

3 結(jié)語(yǔ)

近幾十年，織物彎曲性能的理論研究和評(píng)價(jià)方法已經(jīng)取得了很大的成果，但總體上，還處于探索狀態(tài)。未來(lái)的工作主要有：織物動(dòng)態(tài)彎曲性能的研究；三維特征指標(biāo)的選擇；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精確度；應(yīng)用無(wú)網(wǎng)格方法的仿真領(lǐng)域等。

［1］ 石風(fēng)俊，胡金蓮.織物的彎曲性能［J］.紡織學(xué)報(bào)，2005，26（03）：15-18.

［2］ 何琦輝.利用織物實(shí)際彎曲形態(tài)測(cè)試織物彎曲性能的方法研究［D］.東華大學(xué)，2005.

［3］ 李瑞敏.強(qiáng)約束條件下織物彎曲特性的測(cè)試方法研究［D］.西安工程大學(xué)，2012.

［4］ 孫炳合，梅興波，王正偉.織物彎曲性能研究的動(dòng)態(tài)和新方法［J］.上海紡織科技，2000，28（03）：7-8.

［5］ 沈丹.基于摩擦性能與彎曲性能的織物手感客觀檢測(cè)研［D］.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2008.

［6］ 倪紅，潘永惠.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的織物斜向彎曲性能的預(yù)測(cè)［J］.紡織學(xué)報(bào)，2009，30（02）：48-51.

［7］ Halit Gun，Samet Caliskan and Ahu Demiroz Gun.A meshless formulation of Euler-Bernoulli beam theory for prediction of large deformation behavior of fabrics［J］.Textile Research Journal，2011，81（10）：1075-1080.