紗線截面壓縮變形仿真與驗(yàn)證

李冠志, 趙 強(qiáng), 汪 軍, GONG Hugh

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 中國(guó)紡織科學(xué)研究院， 北京 100025； 3. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 4. 曼徹斯特大學(xué) 材料學(xué)院, 曼徹斯特 M60 1QD)

紗線截面壓縮變形仿真與驗(yàn)證

李冠志1,2, 趙 強(qiáng)1,2, 汪 軍1,3, GONG Hugh4

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 中國(guó)紡織科學(xué)研究院， 北京 100025； 3. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 4. 曼徹斯特大學(xué) 材料學(xué)院, 曼徹斯特 M60 1QD)

為了改進(jìn)現(xiàn)有紗線條干均勻度測(cè)試儀在預(yù)測(cè)織物外觀質(zhì)量上的缺陷，對(duì)棉型平紋織物織造過(guò)程中的紗線截面面積、紗線截面周長(zhǎng)、纖維空隙率、紗線壓扁率, 紗線密度等紗線截面參數(shù)的變化建立分析模型并優(yōu)選參數(shù)，并采用有限元分析和實(shí)驗(yàn)論證的方法，進(jìn)一步分析織造過(guò)程中紗線截面面積及周長(zhǎng)的變化。通過(guò)分析得出，在紗線到織物的織造變形過(guò)程中，紗線截面周長(zhǎng)的變化遠(yuǎn)小于其截面面積的變化，紗線截面面積的變化率約是紗線截面周長(zhǎng)變化率的2～3倍。通過(guò)對(duì)紗線截面橢圓長(zhǎng)軸與其截面周長(zhǎng)、截面面積分別進(jìn)行相關(guān)性分析，得出紗線截面周長(zhǎng)與橢圓長(zhǎng)軸呈弱相關(guān)，紗線截面面積與長(zhǎng)軸間無(wú)相關(guān)性。

紗線條干均勻度； 紗線壓扁率； 有限元分析； 圖像處理

紗線截面形狀(紗線外觀條干不勻)對(duì)織物外觀有重要影響，在1969年Hearle教授認(rèn)為紗線截面形狀是不規(guī)則多邊形[1]，這種紗線截面形狀的差異本質(zhì)上是紗線徑向上纖維分布不勻。單紗經(jīng)歷織造工序，受力拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓縮交織成織物后，纖維分布不勻現(xiàn)象加劇，其截面形狀的變化將更大，從而進(jìn)一步影響織物外觀質(zhì)量。

一直以來(lái)，利用單紗質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)織物質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是極具挑戰(zhàn)性的。USTER公司電容式紗線條干均勻度測(cè)試儀[2]測(cè)得的條干數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)織物外觀質(zhì)量，單紗經(jīng)過(guò)織造過(guò)程織成織物后，紗線截面的纖維根數(shù)基本不變，但是對(duì)織物外觀造成影響的不僅有紗線中纖維根數(shù)，還有纖維間空隙，這二者共同決定了紗線外觀直徑；因此，電容式條干儀在預(yù)測(cè)織物外觀質(zhì)量方面不可避免地存在缺陷。為此，近年來(lái)業(yè)內(nèi)各式電容式條干儀紛紛加裝了測(cè)量紗線外觀直徑的光電模塊用之于織物仿真[2]，或利用圖像式紗線外觀測(cè)試分析儀器預(yù)測(cè)布面質(zhì)量[3-5]。上述改進(jìn)雖然預(yù)測(cè)效果略有提高，但尚不能完全滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。

究其原因，以往的方法均是紡紗廠從生產(chǎn)控制的視角來(lái)評(píng)價(jià)紗線綜合質(zhì)量，很少?gòu)目椢锿庥^角度來(lái)評(píng)價(jià)紗線外觀質(zhì)量，深究單紗經(jīng)過(guò)織造過(guò)程后影響織物外觀的紗線截面參數(shù)變化，這些參數(shù)是建立起由紗線質(zhì)量到布面質(zhì)量準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和一致性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。本文依據(jù)相關(guān)學(xué)者關(guān)于單紗紗線截面模型[6-8]、織物中紗線截面模型[9-13]和紗線壓縮變形[14-15]的研究成果，結(jié)合紗線質(zhì)量與布面質(zhì)量的一致性評(píng)價(jià)需要，將單紗和織物中的紗線截面模型統(tǒng)一假定為橢圓形。通過(guò)研究織造過(guò)程中影響織物外觀的紗線截面參數(shù)的變化，探索改進(jìn)現(xiàn)有織物外觀質(zhì)量預(yù)測(cè)方法的新思路。

1 理論分析

1.1 理論分析及參數(shù)選取

在織造過(guò)程中，紗線截面受力拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓縮而變形，在這一過(guò)程中紗線截面參數(shù)是不斷變化的，這些參數(shù)主要有紗線截面面積Sy、截面周長(zhǎng)Sp、纖維空隙率Vf、紗線壓扁率f, 紗線密度ρy,下面探究紗線這些截面參數(shù)在織物中的變化規(guī)律。

圖1 紗線截面模型Fig.1 Yarn cross-section model. (a) Individual yarn; (b) Yarn in fabrics

假設(shè)織造前后紗線中的纖維不發(fā)生軸向的滑移，且纖維根數(shù)n，纖維截面積Sf，纖維密度ρf均不變。

(1)

綜上可以看出，Vf、ρy均由Sy所決定。而Sp由Sy和f的共同決定，所以，這里紗線截面參數(shù)主要考慮Sy和紗線截面周長(zhǎng)Sp即可。

Sy和Sp由最外圍纖維排列所決定的，這里假設(shè)最外圍纖維相互間緊密排列。此時(shí)，紗線截面形態(tài)的變化與外圍纖維所圍繞成閉合區(qū)域的纖維空隙率Vf有較大關(guān)系。圖2示出紗線壓縮形變分析。當(dāng)閉合區(qū)域的Vf最小時(shí)：纖維如圖2(a)所示緊密排列，在紗線受壓變形過(guò)程中，外圍纖維所擬合成橢圓截面后得到的Sp呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，Sy基本不變，如圖2(b)所示；當(dāng)閉合區(qū)域Vf最大時(shí)，外圍纖維如圖2(c)所示緊密環(huán)繞排列，紗線受壓變形過(guò)程中，若外圍纖維仍緊密排列，不向內(nèi)部坍縮滑移，則最終Sp基本不變，Sy減小，如圖2(d)所示；若發(fā)生坍縮內(nèi)移，則最終Sp減小，Sy減小如圖2(f)所示；交織過(guò)程中紗線形態(tài)應(yīng)是形態(tài)1，形態(tài)2和形態(tài)3這3種情況之一。

Sy和Sp在織物中的變形主要是由紗線受力所造成的，這些力的作用時(shí)間和大小受到紗線性質(zhì)、上機(jī)工藝、織物組織結(jié)構(gòu)等較多復(fù)雜因素的影響。為了探究紗線在織造過(guò)程中截面參數(shù)的變化，下面以棉型織物為例利用有限元分析的方法初步探究。

圖2 紗線壓縮形變分析Fig.2 Analysis of yarn compression. (a) F1 before compress; (b) F1 after compress; (c) F2 before compress; (d) F2 after compress; (e) F3 before compress;(f) F3 after compress

1.2 模型建立及仿真

建立織物模型時(shí)本文以18 tex的棉紗織造的平紋織物為參照樣，其經(jīng)向緊度16°，緯向緊度12°。假設(shè)構(gòu)成織物的紗線是由60根纖維堆砌而成的，紗線截面模型長(zhǎng)軸2a=0.2 mm，短軸2b=0.18 mm。Abaqus軟件[16]中設(shè)置的紗線參數(shù)如表1所示，織物交織仿真應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖3。定義緯紗方向3根紗線依次按交織規(guī)律相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)位移為0.42 mm。下面分析交織過(guò)程中時(shí)間對(duì)最中間經(jīng)紗對(duì)交織點(diǎn)處紗線的截面周長(zhǎng)和截面面積的影響，結(jié)果如圖4所示。從該圖中可看出在交織受壓過(guò)程中，紗線截面周長(zhǎng)的變化率小于截面面積。這里用極差系數(shù)(見(jiàn)下式)來(lái)表示交織前后的變化率，圖4中，交織前后紗線周長(zhǎng)減小了9.02%，而面積減小了27.67%。

(2)

式中：J為極差系數(shù)，Xmax為形變前后周長(zhǎng)或面積最大值，Xmin形變前后周長(zhǎng)或面積最小值。

表1 紗線參數(shù)設(shè)置Tab.1 Yarn parameters in abaqus

圖3 織物交織仿真應(yīng)變?cè)茍DFig.3 Contours of the fabric weaving modeling. (a) Before weaving; (b) After weaving; (c) Section view of weaved fabric.

交織完成后選取半個(gè)單胞進(jìn)行分析，如圖3(b)中紅色框選部分所示，等間隔選取10個(gè)紗線截面，如圖5所示，分別計(jì)算紗線截面周長(zhǎng)和截面面積，同樣得出了類(lèi)似的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示，壓縮前后紗線周長(zhǎng)減小了7.54%，而面積減小了17.34%。

圖4 織物交織過(guò)程中紗線截面參數(shù)隨時(shí)間變化Fig.4 Yarn cross-section parameter variations with time during fabric weaving process.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 織物中紗線截面圖像的獲取

連續(xù)獲取織造全部過(guò)程中的紗線截面變化是極其困難的，但考慮到紗線截面變形主要是與紗線受力有關(guān)，織物中單根紗線交織處和非交織處受力不同必然造成紗線截面形變不同。下面通過(guò)研究織物中紗線所處不同位置的截面形狀變化來(lái)研究紗線截面周長(zhǎng)和紗線截面面積的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)材料選用棉紗交織成的平紋織物，該織物由Bonas-Varitex織機(jī)織造，經(jīng)紗緊度16°，緯紗緊度12°，紗線線密度18 tex，紗線捻度890 捻/10 cm，該紗線是由馬克隆值為4.2的棉纖維紡制而成。為保證圖像數(shù)據(jù)的非破壞采集，采用法國(guó)的同步輻射光源ESRF中ID19光束掃描織物，利用2 048像素×2 048像素分辨率的FReLoN相機(jī)對(duì)織物進(jìn)行成像，圖像分辨率為18 149像素，每幅圖像對(duì)應(yīng)的實(shí)物大小為2.8 mm×2.8 mm。下面隨機(jī)選取1/2個(gè)單胞圖像進(jìn)行分析，圖7所示。

圖5 織物交織后同一紗線不同截面Fig.5 Different section views of the same yarn in fabric. (a) Section 1; (b) Section 2; (c) Section 3; (d) Section 4; (e) Section 5; (f) Section 6; (g) Section 7; (h) Section 8; (i) Section 9; (j) Section 10

圖6 交織為織物后同一根紗線紗線不同位置截面參數(shù)變化Fig.6 Yarn cross-section parameter variations at different section views of the simulated yarn

圖7 織物中同一紗線不同位置截面形狀變化Fig.7 Yarn cross-section parameter variations at different section views of the same yarn in a real fabric. (a) Section 1; (b) Section 2; (c) Section 3; (d) Section 4; (e) Section 5; (f) Section 6; (g) Section 7; (h) Section 8; (i) Section 9; (j) Section 10

2.2 紗線截面圖像紗線周長(zhǎng)和面積的提取

紗線截面圖像首先進(jìn)行中值濾波的降噪處理，二值化、閉運(yùn)算后，為消除閉運(yùn)算后圖像有部分黏連。利用分水嶺算法(watershed)再次分割，并調(diào)用imimposemi函數(shù)過(guò)濾掉一些特別小的局部最小分割區(qū)域。分割完成后然后調(diào)用bwareaopen函數(shù)消除較小的閉合面積，并選用canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，從而得到清晰的紗線外沿輪廓。最后根據(jù)該輪廓調(diào)用fitellipse函數(shù)進(jìn)行橢圓擬合，計(jì)算出橢圓長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度，流程如圖8所示。

圖8 紗線截面參數(shù)提取Fig.8 Extraction of yarn cross-section parameters: (a)Original; (b)Median; (c)Binaryzation; (d)Imclose; (e)Watershed; (f)Bwareaopen; (g)Eage detection; (h)Ellipse fitting

3 結(jié)果分析

對(duì)上述紗線截面1～10依次進(jìn)行處理后，得到表2中數(shù)據(jù)，從表中f可以看出，f在交織點(diǎn)處最小，壓扁最厲害；而兩交織點(diǎn)中間最大，即該處更接近于圓形。f由交織點(diǎn)中間向交織點(diǎn)處移動(dòng)的過(guò)程中呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)。在此過(guò)程中，橢圓紗線截面的面積和周長(zhǎng)也呈減小趨勢(shì)，由圖9可以明顯看出紗線截面周長(zhǎng)的減小趨勢(shì)相較于紗線截面面積則更為平緩。通過(guò)表2計(jì)算極差系數(shù)，交織前后紗線周長(zhǎng)減小了17.33%，而面積減小了41.60%，與仿真結(jié)論趨勢(shì)一致，但比仿真結(jié)果偏大，其原因是仿真過(guò)程中假定各紗線截面均相等，纖維截面為標(biāo)準(zhǔn)圓形且纖維間等距離堆砌，這些理想化假設(shè)與實(shí)際情況均有差異。

為進(jìn)一步佐證，本文用同樣方法計(jì)算了Hirai[14-15]中壓縮紗線后紗線截面圖像的紗線截面周長(zhǎng)和紗線截面面積數(shù)據(jù)，得出5、50、1 000 cN這3種拉力下的紗線壓縮前后紗線周長(zhǎng)減小了12.24%，而面積減小了35.81%，這一變化趨勢(shì)與在紗線壓縮時(shí)表現(xiàn)出的特性保持一致，且與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致。

表2 織物組織中不同截面紗線截面參數(shù)Tab.2 Yarn cross-section parameters of different yarn cross sections in a fabric.

圖9 紗線截面周長(zhǎng)和紗線截面面積變化Fig.9 Yarn cross-section perimeter and area variations of section 1-10

織物中尤其經(jīng)緯密較大的織物，其紗線在交織點(diǎn)處呈壓扁狀態(tài)，織物外觀主要受到被壓紗線截面的橢圓長(zhǎng)軸影響[7]。下面分別對(duì)紗線截面周長(zhǎng)和截面面積與紗線截面長(zhǎng)軸進(jìn)行相關(guān)性分析，圖10示出紗線截面周長(zhǎng)與橢圓長(zhǎng)軸呈弱相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R=0.2，而紗線截面面積與長(zhǎng)軸無(wú)相關(guān)性，R=0.07。因此，紗線截面周長(zhǎng)預(yù)測(cè)織物質(zhì)量時(shí)相對(duì)于紗線截面面積更有優(yōu)勢(shì)。

圖10 紗線截面周長(zhǎng)與截面面積與橢圓長(zhǎng)軸相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis of ellipse major axes with yarn cross-section perimeter and area of sections 1-10

4 結(jié) 論

在橢圓形紗線截面模型的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)有限元分析和實(shí)驗(yàn)論證，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)紗線在交織為織物受擠壓變形的過(guò)程中，紗線外圍纖維傾向于坍縮內(nèi)移(形態(tài)3)，紗線截面周長(zhǎng)和截面面積在這一過(guò)程中均減小。

2)紗線交織受壓變形過(guò)程中受影響的紗線截面參數(shù)中紗線截面面積、紗線截面周長(zhǎng)、纖維空隙率、紗線壓扁率, 紗線密度，最終可簡(jiǎn)化為紗線截面周長(zhǎng)和紗線截面面積這兩個(gè)參數(shù)。

3)截面周長(zhǎng)和紗線截面面積在紗線到織物的變形過(guò)程中，紗線截面周長(zhǎng)的變化遠(yuǎn)小于紗線截面面積的變化，紗線截面面積的變化約是紗線截面周長(zhǎng)變化的2～3倍，紗線截面周長(zhǎng)的變化率在8%～17%之間，紗線截面面積的變化率在17%～42%之間。

4)織物外觀主要受到織物中被壓紗線橢圓截面的長(zhǎng)軸所影響，數(shù)據(jù)表明，紗線截面周長(zhǎng)與橢圓長(zhǎng)軸呈弱相關(guān)，紗線截面面積與紗線橢圓截面的長(zhǎng)軸無(wú)相關(guān)性，紗線截面周長(zhǎng)在預(yù)測(cè)織物質(zhì)量時(shí)相對(duì)于紗線截面面積更有優(yōu)勢(shì)。

這些結(jié)論有助于改善紗線質(zhì)量到布面質(zhì)量客觀一致性評(píng)價(jià)，對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有織物外觀質(zhì)量預(yù)測(cè)手段提供了新思路。

FZXB

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Modeling and experimental study on yarn′s cross-section compression deformation

LI Guanzhi1,2, ZHAO Qiang1,2, WANG Jun1,3, GONG Hugh4

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.ChinaTextileAcademy,Beijing100025,China; 3.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,Shanghai201620,China； 4.SchoolofMaterials,UniversityofManchester,ManchesterM60 1QD,UK)

In order to overcome drawbacks of the conventional yarn evenness tester in predicting fabric appearance quality, this paper presents the characterization of the individual yarn deformation and its influence on the resulting quality of the fabric appearance. In the model, the yarn deformation parameters such as the cross-sectional area, the yarn cross-sectional perimeter, the void ratio, the yarn flattening ratio f and yarn density were evaluated. Using mathematical modeling, the cross-sectional area and perimeter were presumed as the critical yarn cross-sectional parameters for predicting the fabric appearance quality. Then the finite element modeling (FEM) method and experiment verification were performed to analyze the variation of the cross-sectional area and perimeter in the process of weaving. The results show that the cross-sectional area varhes almost 2 to 3 times greater than the cross-sectional perimeter. The correlation analysis among the major ellipse radius, the cross-sectional perimeter, and the cross-sectional area are further conducted. The findings reveal a weak correlation between major ellipse radius and cross-sectional perimeter, while major ellipse radius and cross-sectional area are uncorrelated.

yarn evenness; yarn flattening ratio; finite element analysis; image processing

10.13475/j.fzxb.20161004207

2016-10-17

2016-11-11

東華大學(xué)博士生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CUSF-DH-D-2015014)

李冠志 (1987—)，男，博士生。研究方向?yàn)榧喚€條干均勻度測(cè)試及布面質(zhì)量預(yù)測(cè)。汪軍，通信作者，E-mail: junwang@dhu.edu.cn。

TS 101.9

A