紗線打結拓撲結構的穩(wěn)定性研究

趙文銳 賀秋森 張婧怡 馬 雪 劉建立

（江南大學，江蘇無錫，214122）

“打結”是人類最古老的技術之一，是紡織生產(chǎn)中最常見的操作，結頭的形式影響其相對穩(wěn)定性。盡管人們已經(jīng)對打結技術研究了多個世紀，形成不同形式的結頭，在眾多領域廣泛應用。但是，對于紗線結頭形成的拓撲結構和力學之間的相互作用仍然知之甚少。為此，本研究以紗線結頭為研究對象，從理論上研究結頭拓撲結構與其相對穩(wěn)定性的關系，通過試驗方法驗證結頭形式與其牢度的關系，為紡織生產(chǎn)提出更加科學的打結方式[1]。

紡織生產(chǎn)中，在高速絡筒機上自動結頭技術得到了廣泛的應用。隨著電子清紗器的廣泛應用，紗線上的疵點即可被切除，使得產(chǎn)品質量得到了大幅度提高[2]。但同時這樣的技術也帶來了新的問題，結頭的質量對后道工序的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量都有很大影響，紗線上增加了大量結頭，例如傳統(tǒng)的自緊結和織布結因結頭結構及結頭尾部長度等因素的影響，對后道工序的生產(chǎn)及質量也帶來了較多的問題。目前，國內(nèi)已有基于剛柔接觸動力學的打結器虛擬打結方法，利用ADAMS的Bushing連接建立動力學模型用于評價優(yōu)劣、保證打結器一次性制造成功[3]。國外已經(jīng)有學者通過變色光子纖維研究結的力學性質[4]。

在現(xiàn)代紡織技術的發(fā)展過程當中，不同工藝流程下的不同結頭及其拓撲結構影響著紡織品的質量，我們可以利用拓撲結構理論系統(tǒng)來研究紡織生產(chǎn)中結頭形式的穩(wěn)定性差異[5]，指導紡紗、整經(jīng)、漿紗和織造等工序合理選擇結頭形式[6]。因此，本研究對紡織過程中常用的4種結頭形式進行了針對性試驗，對其斷裂伸長、斷裂強力、強力有效率、伸長有效率進行了分析，并利用ANSYS中的workbench模塊對不同結頭的受力情況進行模擬仿真，以驗證最終結論的正確性。

1 結頭的三維建模

在進行實際的試驗操作前，首先建立編織結、盤頭結、反手結1、反手結2的三維模型，并利用ANSYS中的workbench模塊對其進行仿真受力分析，可以在一定程度上判斷出各個結頭的結構及受力差異[7]。由于結頭的分析屬于高度非線性模型，操作難度較大，因此，將結頭在一定程度上進行了簡化，將多股紗線簡化為單股圓柱形紗線，方便虛擬仿真試驗的進行，結頭的三維模型如圖1所示。

圖1 結頭的三維模型

2 虛擬仿真測試

在workbench模塊中對試驗所用材料——棉進行參數(shù)填寫，若將模型具體至股線加捻纏結的受力分析[8]，該分析過程將會異常復雜，各股線間的關系也嚴重影響試驗結果的準確性，因此將多股線加捻模型簡化為單根紗線的受力分析模型。簡化后的編織結三維模型如圖2所示。

圖2 簡化后的編織結三維模型

在model模塊中，在打結紗線的CD端施加Fixed support將其固定，AB端施加隨時間增長而恒速率增加的拉伸力，直至模型達到應力極限并斷裂。通過1 mm的網(wǎng)格化處理后，得出紗線拓撲結構受力的最大值、最小值點并作出標記，如圖3所示。

圖3 紗線拓撲結構受力的最大最小應力點

不同結頭形式的紗線在相同軸向受力情況下，應力變化各不相同[9]，其應力極值點的分布隨繩結拓撲結構的變化而變化，根據(jù)各極值點的位置可以初步得出：編織結、盤頭結的最大應力點處于拓撲結構中部，反手結1、反手結2的最大應力點處于拓撲結構的尾部。將各結頭模型仿真得出的極值應力點在后續(xù)力學試驗的結頭試樣上進行標記。

3 紗線結頭的力學試驗

對前期收集到的不同結頭形式的穩(wěn)定性進行量化統(tǒng)計[10]，采用C 14.8 tex集聚紗進行打結試驗，通過島津AGS?X型材料試驗機進行打結紗線的拉力試驗。為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，需要充分觀察結頭的斷裂位置，確保每種結頭的20組數(shù)據(jù)都在結頭最大應力點標記處斷開，以便后續(xù)對張力進行對比分析，紗線結頭的力學試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 紗線結頭的力學試驗數(shù)據(jù)

在表1中引入拓撲糾纏數(shù)、強力有效率和伸長有效率的概念。拓撲糾纏數(shù)即結頭的抽象拓撲結構所包含的糾纏個數(shù)，在一定程度上反映了拓撲結構的穩(wěn)定性和力學性能。強力有效率即結頭后的紗線斷裂強力與未結頭的紗線斷裂強力的百分比，用此來表示結頭的斷裂強力特性，見式（1）。伸長有效率即結頭后的紗線斷裂伸長與未結頭的紗線斷裂伸長的百分比，用此來表示結頭的斷裂長度特性，見式（2）。

式中：ηF為強力有效率，F(xiàn) i為結頭的斷裂強力，F(xiàn)0為紗線的正常斷裂強力。

式中：ηL為伸長有效率，L i為結頭的斷裂伸長，L0為紗線的正常斷裂伸長。

由表1可以得出，編織結雖斷裂伸長達到原紗線的93.19%，但斷裂強力僅達原紗線的82.78%，結頭易斷裂；反手結1的斷裂伸長及斷裂強力均降低，僅達原紗線的84%，總體性能較差；盤頭結的斷裂強力達原紗線的96.69%，斷裂伸長超過原紗線，該結頭不易斷裂且斷裂伸長較長，適宜使用；反手結2與編織結的性能類似，雖斷裂伸長達原紗的93.51%，但斷裂強力僅達原紗的82.61%。綜上所述，盤頭結的斷裂伸長及斷裂強力較高，適宜在生產(chǎn)流程中使用[11]。

4 結論

通過ANSYS進行紗線結頭斷裂的仿真試驗，得出初步結論后，利用島津AGS?X型材料試驗機測定純棉紗正常拉斷時的斷裂強力并與4種不同結頭形式的斷裂強力、斷裂伸長進行對比，驗證仿真試驗的結果，最終可以得出以下結論。

（1）根據(jù)試驗結論及ANSYS的仿真結果，盤頭結的力學性能最佳，盤頭結的斷裂強力達原紗線的96.69%，斷裂伸長超過原紗線，根據(jù)AN?SYS的力學受力圖不難得出，產(chǎn)生這種情況的原因是盤頭結的拓撲結構比其他結頭形式更加穩(wěn)定，其拓撲數(shù)、股線交叉次數(shù)、股線扭曲的方向以及收緊扭結時相鄰股線的滑動方向都優(yōu)于其他3種結頭。

（2）盤頭結作為紡織日常生產(chǎn)流程中常用到的結頭之一，有著優(yōu)異的斷裂強力與斷裂伸長，為斷頭后重結紗線的后續(xù)工藝流程提供了較高的保障，減少了結頭后續(xù)再斷的風險，推薦各企業(yè)在紡紗、整經(jīng)、漿紗和織造等工序使用該種結頭。

（3）不同的拓撲結構對結頭的穩(wěn)定性起著至關重要的影響，盤頭結的性能優(yōu)異主要是由于其纏結數(shù)多于其他3種結頭形式，所受拉力在主軸方向得到分散，從而減輕了結頭處的受力。