萊塞爾機織物在風(fēng)場中的自由動態(tài)彎曲性能

李艷芳，楊 波，紀 峰

（1.廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院，廣東 廣州510220；2.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620）

織物彎曲性能直接影響其外觀懸垂風(fēng)格及服用舒適性，因此，對織物所進行的力學(xué)測試、分析、表征一直受到國內(nèi)外研究人員的重視.早在20世紀30年代，PEIRCE［1］首次對織物的力學(xué)性能做了初步研究，以一種彈性紗線理論模型模擬了織物變形，并提出了彎曲長度、柔性剛度、彎曲模量等力學(xué)指標，并結(jié)合織物的厚度對織物彎曲柔性等性質(zhì)進行了客觀評價；王府梅等［2］研究發(fā)現(xiàn)紗線的彎曲剛度、線密度等因素對織物的彎曲性能影響較大；魏銘森等［3］通過對機織物沿任意方向彎曲的受力分析，建立了彎曲剛度理論計算公式，以此對織物的彎曲剛度進行預(yù)測.但上述研究僅局限于織物的靜態(tài)彎曲及規(guī)定變形狀態(tài)下的準動態(tài)彎曲變形，對柔性織物材料的自由動態(tài)彎曲的研究尚處于起步階段.較之靜止彎曲狀態(tài)，機織物在實際應(yīng)用中更多地呈現(xiàn)一種自由反復(fù)、多向復(fù)合的動態(tài)彎曲行為，如搖曳的裙擺、飄動的旗幟等，這些現(xiàn)象宏觀上多被稱為動態(tài)懸垂變形行為，而微觀上主要是面料各方向動態(tài)彎曲構(gòu)成的綜合變形效果，因此，對織物動態(tài)彎曲性能研究非常有必要.

本文基于空氣動力學(xué)原理的測試方法設(shè)計一種實驗裝置，對織物動態(tài)彎曲變形性能進行測試分析，提出動態(tài)彎曲角指標表征織物動態(tài)彎曲性能.采用上述實驗裝置對自制系列萊塞爾機織物進行了動態(tài)彎曲性能測試，得到相應(yīng)萊塞爾機織物試樣動態(tài)彎曲角隨時間的變化曲線和平均動態(tài)彎曲角，從而對試樣的動態(tài)彎曲性能進行分析和評價.

1 實 驗

1.1 織物動態(tài)彎曲性能測試系統(tǒng)

織物動態(tài)彎曲性能測試系統(tǒng)［4－8］由風(fēng)道區(qū)、試樣測試區(qū)及觀測區(qū)3部分組成，織物動態(tài)彎曲性能測試系統(tǒng)如圖1所示.風(fēng)道區(qū)長4.5m，其一端外側(cè)放置可調(diào)功率風(fēng)機；靠近風(fēng)道區(qū)出氣口處的一段透明的玻璃管道為試樣測試區(qū)，用于放置試樣，并可對其進行觀察和拍攝，該區(qū)內(nèi)部頂端有一夾持鉗口，用于夾持矩形試樣；觀測區(qū)位于試樣測試區(qū)與風(fēng)道區(qū)所在直線的垂線上，正對測試區(qū).觀測區(qū)由三角支架、攝像機和水平儀組成，用來拍攝和記錄織物試樣在氣流作用下的自由動態(tài)彎曲變形行為.

在拍攝之前，首先借助水平儀調(diào)節(jié)攝像機鏡頭，使鏡頭內(nèi)的垂直線與測試區(qū)的鉛垂線相重合.然后打開風(fēng)機，借助風(fēng)速儀調(diào)節(jié)風(fēng)速使其達到所需值，待風(fēng)速穩(wěn)定后，將織物試樣放入測試區(qū)內(nèi)夾持住.由于氣流對面料以及面料對氣流的相互作用，管道中的織物試樣處于一種相對穩(wěn)定、自由的反復(fù)彎曲運動狀態(tài)，每隔1/24s拍攝織物變形圖像，持續(xù)拍攝40s，對各個織物圖像進行處理，計算需要的數(shù)據(jù).

圖1 織物動態(tài)彎曲性能測試系統(tǒng)Fig.1 The test system of fabric dynamic bending

1.2 織物動態(tài)彎曲性能指標

為了對織物的動態(tài)彎曲性能進行表征，本文提出并采用動態(tài)彎曲角指標，其定義為織物試樣在氣流作用下進行彎曲擺動變形后，在夾持位置試樣與鉛垂線的夾角θ，動態(tài)彎曲角示意圖如圖2所示.

在實驗中每隔1/24s測試動態(tài)彎曲角，并得到該指標一段時間內(nèi)的平均值和隨時間的變化曲線，以此對相應(yīng)織物的動態(tài)彎曲行為進行分析和表征.

圖2 動態(tài)彎曲角示意圖Fig.2 Illustration of dynamic bending angle

1.3 織物設(shè)計和織造

影響機織物動態(tài)彎曲性能的內(nèi)因復(fù)雜多樣，包括纖維和紗線原料、織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)、各種后整理工藝等.本文著重研究紗線線密度和織物組織結(jié)構(gòu)參數(shù)與織物動態(tài)彎曲行為的關(guān)系，為盡可能消除后整理等因素的干擾，織物試樣全部為自行設(shè)計織造.選用27.8tex，14.1tex，9.8tex共3種純?nèi)R塞爾紗，采用東華大學(xué)教育部重點實驗室紡織面料技術(shù)的全自動劍桿小樣織機織造了系列純?nèi)R塞爾機織物.下機后采用Y511型織物密度鏡測試織物經(jīng)緯密度.表1為所用機織物試樣的設(shè)計、織造參數(shù)，以及下機后測試得到的織物試樣經(jīng)緯密度和面密度.

表1 織物試樣組織結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The structural parameters of the fabric samples

1.4 測試數(shù)據(jù)計算

通過自編的VC＋＋程序WQJ Calculation（Visual Studio2008運行環(huán)境）對每幅圖像進行處理，計算得到該時刻織物試樣動態(tài)彎曲角θi.每個試樣在40s內(nèi)可以計算得到960個動態(tài)彎曲角數(shù)值，對其取平均值，得到平均動態(tài)彎曲角，并可得到動態(tài)彎曲角－時間（θ－t）曲線.

2 結(jié)果與討論

24塊純?nèi)R塞爾機織物下機后，經(jīng)過低溫熨燙、自然干燥、消除內(nèi)應(yīng)力之后，被裁剪成（20＋1）cm×10cm的矩形試樣.在恒溫恒濕室內(nèi)調(diào)濕24h，測試環(huán)境保持在溫度為（20±2）℃和相對濕度為（65±2）%.在1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s風(fēng)速下，對每塊試樣的經(jīng)緯向分別進行測試，得到每隔1/24s的各時刻織物圖像.

2.1 織物試樣動態(tài)彎曲角隨時間的變化曲線

織物動態(tài)彎曲角θi值反映了某時刻下試樣在夾持位置的彎曲變形程度，其值越大，彎曲變形越顯著（參見圖2）.

試樣9緯向在風(fēng)速1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s下的彎角隨時間變化曲線如圖3所示.從圖3可以看出，在設(shè)定的氣流環(huán)境中，柔性織物材料因與氣流交互作用而產(chǎn)生一種表觀上瞬時無序而實際上呈現(xiàn)內(nèi)在規(guī)律性的彎曲變形行為.由于試樣對氣流的阻礙作用，在試樣局部兩側(cè)會產(chǎn)生瞬時壓差，該壓差具有局域性動態(tài)變化性，壓差的變化導(dǎo)致試樣內(nèi)部受力不勻，從而產(chǎn)生進一步變形，這實際上是柔性結(jié)構(gòu)體織物材料在氣流的作用下，通過自身的運動和變形來吸收－釋放能量以適應(yīng)外力的作用，宏觀上呈現(xiàn)一種動態(tài)彎曲變形行為.

圖3 織物試樣9緯向動態(tài)彎曲角－時間曲線Fig.3 The dynamic bending angle－time curve of the fabric sample 9

2.2 氣流對萊塞爾機織物動態(tài)彎曲性的影響

織物試樣9緯向動態(tài)彎曲角－時間曲線如圖3所示.從圖3可以看出，雖然θi隨時間在不停地變化，但一塊試樣在某個風(fēng)速下一段時間內(nèi)的動態(tài)彎曲角總圍繞著一個相對穩(wěn)定值上下波動，該穩(wěn)定值隨試樣及風(fēng)速而變化.為此，以平均動態(tài)彎曲角作為該相對穩(wěn)定值的

近似或代表值.24塊純?nèi)R塞爾機織物試樣平均動態(tài)彎曲角測試結(jié)果見表2.

表2 織物試樣平均動態(tài)彎曲角Table 2 Average dynamic bending angle of fabric samples （°）

從表2可以看出，紗線線密度和組織結(jié)構(gòu)相同的一類面料，在1.0～3.0m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，其經(jīng)/緯向的平均動態(tài)彎曲角基本上隨著風(fēng)速的增加而呈現(xiàn)增大趨勢，說明風(fēng)速的增加一定程度上提高了試樣在運動過程中的重力勢能.為進一步研究風(fēng)速與試樣平均動態(tài)彎曲角的關(guān)系，對所用試樣的經(jīng)/緯向平均動態(tài)彎曲角與風(fēng)速做了單因素方差分析［9］，試樣數(shù)據(jù)分析見表3.從表3可以看出，每塊織物與風(fēng)帶的顯著性都很明顯，說明風(fēng)速對織物的平均動態(tài)彎曲角有著相當(dāng)顯著的影響關(guān)系.

表3 風(fēng)速單因素方差分析表（顯著性水平α＝0.01）Table 3 Variance table analysis of wind speed single factor（Significance levelα＝0.01）

2.3 織物動態(tài)彎曲角與織物主要規(guī)格參數(shù)之間的量化關(guān)系

由于眾多因素影響織物的動態(tài)彎曲性能，從理論上很難判斷何謂主要因素、次要因素，采用MINITAB［10］對平均動態(tài)彎曲角與織物主要規(guī)格參數(shù)及風(fēng)速做了相關(guān)分析、逐步用回歸及多元回歸進行分析.2.3.1 相關(guān)分析 相關(guān)分析用于計算變量清單中，每一對變量之間（即兩兩變量之間）的皮爾遜方差相關(guān)系數(shù)及其P值，MINITAB相關(guān)分析結(jié)果如下（X1為紗線線密度，X2為織物質(zhì)量，X3為織物厚度，X4為織物緊度，X5為風(fēng)速，Y為平均動態(tài)彎曲角）：

單元格里第一行的內(nèi)容是皮爾遜相關(guān)系數(shù)，第二行是相應(yīng)的P值.用相應(yīng)假設(shè)檢驗判斷兩個變量是否“相關(guān)”，即原假設(shè)H0：二變量不相關(guān)；備擇假設(shè)H1：二變量相關(guān).一般規(guī)定：P值＜0.05判定他們相關(guān).由檢驗結(jié)果可知：X1和X2的相關(guān)系數(shù)是0.942，P值0.000＜0.05說明X1和X2相關(guān)，同理X1與X3，X4相關(guān)，X5與X1，X2，X3，X4不相關(guān)，Y 與X1，X2，X3，X4，X5相關(guān).

2.3.2 回歸分析 利用回歸分析討論各因素之間對平均動態(tài)彎曲角影響程度的大小及回歸方程.下面利用平紋織物經(jīng)向相關(guān)數(shù)據(jù)進行回歸分析.經(jīng)過多次回歸運算，最終選擇如下結(jié)果：

從分析結(jié)果中的方差分析出的P＜0.05，說明紗線線密度與風(fēng)速對平均動態(tài)彎曲角的影響均是顯著的；回歸方程中的P＜0.05，但風(fēng)速的P值小于紗線線密度的P值，說明風(fēng)速對平均動態(tài)彎曲角的影響程度大于紗線線密度.回歸方程為＝6.44－0.000 370 X21＋0.519 X5，殘差圖如圖4所示.從圖4可以看出，殘差在±0.5內(nèi)，正態(tài)概率圖也較接近，所以回歸方程準確.

同理，對萊塞爾平紋緯向，斜紋經(jīng)向和斜紋緯向做回歸分析，得到回歸方程如下：

圖4 殘差圖Fig.4 Residual plots

為了驗證測試裝置，進一步確定平均動態(tài)彎曲角與紗線線密度及風(fēng)速之間的量化關(guān)系，將文獻［11］對棉的相關(guān)測試數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到如下回歸方程：

因此，回歸方程表明，第一，織物的平均動態(tài)彎曲角與風(fēng)速成正相關(guān)，風(fēng)速越大平均動態(tài)彎曲角也越大.第二，織物的平均動態(tài)彎曲角與紗線線密度的平方成負相關(guān)，紗線線密度越大平均動態(tài)彎曲角越小.第三，織物的平均動態(tài)彎曲角還與織物厚度、織物緊度、織物面密度等因素有一定的關(guān)系，具體的量化關(guān)系還有待進一步研究.

3 結(jié)束語

提出動態(tài)彎曲角指標，測試和計算了織物試樣的瞬時動態(tài)彎曲角、平均動態(tài)彎曲角，并繪制了動態(tài)彎曲角－時間曲線.經(jīng)過對動態(tài)彎曲角－時間曲線的分析，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)織物試樣在一定的氣流環(huán)境中呈現(xiàn)一種內(nèi)在的規(guī)則的動態(tài)彎曲變形行為，該行為取決于織物自身原因和外界氣流因素.通過對實驗數(shù)據(jù)的計算和統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)平均動態(tài)彎曲角與紗線線密度的平方成負相關(guān)，與風(fēng)速成正相關(guān).

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