懸掛穿孔法測(cè)試織物彎曲懸垂性

陳文苗 劉成霞

摘要： 為探究同時(shí)測(cè)試織物彎曲性和懸垂性的方法，文章以24塊常見(jiàn)機(jī)織物為研究對(duì)象，分別用斜面懸臂梁法和圓臺(tái)法測(cè)試抗彎剛度和懸垂系數(shù)，之后自行設(shè)計(jì)懸掛穿孔法測(cè)試裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提取得到四項(xiàng)特征指標(biāo)：側(cè)輪廓面積、底輪廓面積、載荷峰差值、峰值膨脹角。相關(guān)分析和回歸分析的結(jié)果表明：懸掛穿孔法可以同時(shí)測(cè)量織物彎曲性和懸垂性，且四項(xiàng)特征指標(biāo)都與抗彎剛度、懸垂系數(shù)具有高度相關(guān)性，得到的兩個(gè)回歸方程可用于預(yù)測(cè)織物整體的抗彎剛度和懸垂系數(shù)。懸掛穿孔法只用一塊試樣就能綜合表達(dá)織物整體的彎曲懸垂性，既節(jié)約測(cè)試時(shí)間，又節(jié)省測(cè)試面料。

關(guān)鍵詞： 織物;彎曲性懸垂性;抗彎剛度;懸垂系數(shù);懸掛穿孔法

中圖分類號(hào)： TS101.923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 10017003（2021）08004007

引用頁(yè)碼： 081108

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.08.008（篇序）

Measurement of fabric bending and draping properties by hanging & perforating method

CHEN Wenmiaoa， LIU Chengxiaa，b，c

（a.School of Fashion Design & Engineering; b.Zhejiang Province Engineering Laboratory of Clothing Digital Technology;c.Key Laboratory of Silk Culture Heritage and Products Design Digital Technology， Ministry of Culture and Tourism，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： To investigate fabric bending and draping properties， as well as relevant measurement methods， 24 common woven fabric were selected as the research object. Then， the bending rigidity and draping coefficient were tested using method of cantilever beam on bevel and circular table. Next， a hanging & perforating testing device was designed for the experiment. As a result， four indexes were extracted： lateral outline area， bottom outline basal area， the difference of load peak value with original value， the flare angle with a peak value. Results of correlation analysis and regression analysis indicate that hanging & perforating method can be used to test fabric bending and draping properties simultaneously. And the four indexes are highly correlated with bending rigidity and draping coefficient. Finally， two regression equations obtained can be used to predict the fabric overall bending rigidity and draping coefficient. The hanging & perforating method can comprehensively reflect fabric overall bending and draping properties only by means of a fabric sample. It can save both the testing time and the testing fabric.

Key words： fabric; bending & draping properties; bending rigidity; draping coefficient; hanging & perforating method

收稿日期： 20210301;

修回日期： 20210712

基金項(xiàng)目： 浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY20E050017）

作者簡(jiǎn)介： 陳文苗（1996），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榧徔椃b檢測(cè)技術(shù)。通信作者：劉成霞，教授，glorior_liu@163.com。

彎曲性和懸垂性是影響和決定織物外觀、風(fēng)格的重要屬性，其測(cè)試方法一直受到紡織學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。目前最常用的方法是斜面懸臂梁法測(cè)彎曲性和圓臺(tái)法測(cè)懸垂性，近年來(lái)眾多科技工作者利用新科技與新裝置探究和優(yōu)化織物彎曲性、懸垂性的測(cè)試方法，如利用織物彎曲形態(tài)曲線[2]、水滴法[3]及KES-FB型織物風(fēng)格儀[4]測(cè)試織物彎曲性;運(yùn)用3D掃描技術(shù)[5]、三維形態(tài)立體測(cè)試法[6]及結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)[7]測(cè)織物懸垂性等。這些方法雖然對(duì)彎曲、懸垂性的測(cè)試進(jìn)行了創(chuàng)新，測(cè)試精度和效率比傳統(tǒng)方法有了較大提升，但織物彎曲性和懸垂性的測(cè)試[8]一直都是分開進(jìn)行的，且一塊試樣只能測(cè)試織物某一方向的彎曲性[9]。而織物具有明顯的各向異性，要想得到織物多方向的彎曲性[10]，需要裁剪多塊試樣進(jìn)行多次測(cè)試，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還要耗費(fèi)大量原材料，尤其對(duì)于高檔試樣來(lái)說(shuō)，成本耗費(fèi)較大。

實(shí)際上彎曲性和懸垂性是相互影響、密切關(guān)聯(lián)的，容易彎曲的織物一般有較好的懸垂性;懸垂性差的織物也不易彎曲，比較硬挺，如能將其合二為一，則將大大節(jié)約測(cè)試時(shí)間和成本。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文嘗試探索一種能同時(shí)測(cè)量織物整體彎曲性和懸垂性的方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣的選取與儀器

選取彎曲性和懸垂性差別較大的常見(jiàn)機(jī)織物共24種，規(guī)格參數(shù)如表1所示。

所需儀器：YG（B）022D型自動(dòng)織物硬挺度試驗(yàn)儀（溫州際高檢測(cè)儀器有限公司），YG811型織物懸垂性測(cè)定儀（武漢國(guó)量?jī)x器有限公司），INSTRON3367型雙立柱臺(tái)式電子試驗(yàn)機(jī)（英斯特朗公司），佳能700D相機(jī)（市售）。

1.2 測(cè)試織物彎曲性和懸垂性

根據(jù)GB/T 18318—2001《紡織品織物彎曲長(zhǎng)度的測(cè)定》，用YG（B）022D型自動(dòng)織物硬挺度試驗(yàn)儀測(cè)試織物經(jīng)向（0°）、緯向（90°）、45°、135°四個(gè)方向（每個(gè)方向5塊試樣求平均值）的抗彎剛度，并計(jì)算平均抗彎剛度B（cN·cm）作為最終結(jié)果;根據(jù)GB/T 23329—2009《紡織品織物懸垂性的測(cè)定》，用YG811型織物懸垂性測(cè)定儀測(cè)試懸垂系數(shù)F。所有測(cè)試均在恒溫恒濕的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中進(jìn)行，結(jié)果如表1所示。

1.3 懸掛穿孔法測(cè)試織物彎曲懸垂性

1.3.1 測(cè)試裝置及原理

實(shí)驗(yàn)裝置由提升桿（其下端設(shè)有直徑3 cm的小圓臺(tái)）、圓孔蓋（外圓直徑24 cm和內(nèi)圓直徑5 cm的圓環(huán)形）、無(wú)孔蓋（直徑24 cm）、外筒壁（直徑24 cm）組成，如圖1（a）所示。圓孔蓋的孔徑是經(jīng)過(guò)多次預(yù)實(shí)驗(yàn)后確定的，研究發(fā)現(xiàn)直徑5 cm最合理，孔徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致織物穿孔過(guò)程中受摩擦力影響過(guò)大，提拉所需的載荷值與織物的彎曲懸垂性相關(guān)性較差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想;而孔徑過(guò)大會(huì)使一些較柔軟、極易懸垂的織物穿孔時(shí)過(guò)于輕松，提拉所需的載荷峰值非常不明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不理想。圓孔直徑在5 cm左右時(shí)，穿孔提拉時(shí)的載荷峰值較明顯，且比較穩(wěn)定。

使織物在提升桿的小圓臺(tái)上懸掛并自然下垂，彎曲懸垂性不同的織物形成的形狀也不相同，即通過(guò)靜態(tài)懸掛形狀來(lái)表征織物彎曲懸垂性;然后將帶有織物的提升桿從圓孔蓋的中空?qǐng)A心勻速穿出，彎曲懸垂性不同的織物在穿孔過(guò)程中的

形變和拉力不同，即通過(guò)形變和拉力來(lái)表征織物彎曲懸垂性，故將其命名為“懸掛穿孔法”。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在提升桿上靜態(tài)懸掛下的圓形試樣側(cè)截面和底截面各不相同，抗彎剛度和懸垂系數(shù)越大的織物，形成的側(cè)面和底面面積越大;抗彎剛度、懸垂系數(shù)越接近的織物，側(cè)面和底面的輪廓形狀、張開角度也非常相似;而在勻速提升織物穿孔的過(guò)程中，抗彎剛度和懸垂系數(shù)越大的織物，提升所需的拉力也越大，且抗彎剛度和懸垂系數(shù)不同的織物，拉力達(dá)到峰值時(shí)織物收縮形成的輪廓和夾角也不相同，而抗彎剛度和懸垂系數(shù)越接近的織物，這些數(shù)值也越接近。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1）實(shí)驗(yàn)工具：自制圖1（a）所示的裝置，佳能700D相機(jī)，支架，INSTRON3367型雙立柱臺(tái)式電子試驗(yàn)機(jī)。

2）實(shí)驗(yàn)試樣：將織物熨燙平整，并裁剪成直徑24 cm的圓形，正中心剪出直徑1 cm的圓孔（用來(lái)穿過(guò)提升桿）。

3）測(cè)試條件：恒溫恒濕的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境，室內(nèi)光照均勻且充足，在測(cè)試前已將試樣在此條件下進(jìn)行調(diào)濕24 h。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)流程

步驟（1）：將織物中心圓孔穿過(guò)提升桿，置于小圓臺(tái)上而自然下垂，使提升桿固定在無(wú)孔蓋中心，如圖1（b）所示。

步驟（2）：將相機(jī)固定在支架上，分別在外筒壁四周等距離處和外筒壁正下方，拍攝織物自然下垂后的形狀。得到試樣的5張靜態(tài)照片（包括4張側(cè)面圖和1張底面圖）。

步驟（3）：取下無(wú)孔蓋，換上圓孔蓋，使提升桿從圓孔蓋中穿出，固定在INSTRON3367型雙立柱臺(tái)式電子試驗(yàn)機(jī)的上夾板中，如圖1（c）所示。試驗(yàn)機(jī)的提拉速度為15 mm/min。

步驟（4）：用相機(jī)從側(cè)面錄制步驟（3）中織物形變視頻，即記錄提升桿在試驗(yàn)機(jī)拉伸力的作用下將試樣從圓孔中緩慢向上提拉，直至被完全抽出，隨后恢復(fù)自然下垂形態(tài)的整個(gè)形變過(guò)程。由試驗(yàn)機(jī)可得到時(shí)間（s）-載荷（N）的關(guān)系曲線。步驟（4）與步驟（3）同時(shí)進(jìn)行。

步驟（5）：利用視頻處理軟件，截取織物從圓孔蓋抽出前的時(shí)刻，將其定義為初始時(shí)刻（0 s），得到試樣從0～142 s的載荷及形變曲線。

1.3.4 特征值選取

如前所述，彎曲性及懸垂性不同的織物自由下垂形成的形狀輪廓、向上提升時(shí)的載荷及形變均不同，因此引入側(cè)輪廓面積、底輪廓面積、載荷峰差值、峰值膨脹角作為織物截面特征值。

1）側(cè)輪廓面積S：織物懸掛自由下垂時(shí)形成的4個(gè)側(cè)面輪廓面積S1、S2、S3、S4的平均值;

2）底輪廓面積S0：織物懸掛自由下垂時(shí)形成的底面輪廓面積;

3）載荷峰差值f1、f2、f3：時(shí)間-載荷曲線中的3個(gè)載荷峰值與未啟動(dòng)拉伸時(shí)的載荷值之差;

4）峰值膨脹角θ：時(shí)間-載荷曲線中，峰值時(shí)刻的織物兩條邊緣形成的夾角。兩條邊緣指的是視頻中截取峰值時(shí)刻的圖片，此時(shí)圖中所能看到的織物以提升桿為頂點(diǎn)張開的最大角的邊緣。

研究發(fā)現(xiàn)：織物時(shí)間-載荷曲線存在3個(gè)峰值，第一個(gè)峰值最明顯，此時(shí)的膨脹角隨織物的彎曲懸垂性不同而變化更大，所以峰值膨脹角以第一峰值時(shí)刻為準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 懸掛穿孔法所得測(cè)試結(jié)果

表2列出了利用本文提出的懸掛穿孔法測(cè)試時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。

將表2中24種織物的第一載荷峰值f1從小到大排列，依次為：17#、23#、5#、21#、19#、22#、14#、1#、4#、2#、7#、3#、12#、15#、18#、9#、11#、24#、10#、8#、20#、13#、16#、6#。按此順序做抗彎剛度、懸垂系數(shù)隨第一載荷峰值增大的折線圖，圖2（a）（b）中橫坐標(biāo)均為按第一載荷峰值從小到大的排序，即橫坐標(biāo)的1～24分別對(duì)應(yīng)17#、23#、5#……16#、6#織物，作為編號(hào)排序。圖2顯示，隨著第一載荷峰值的增大，抗彎剛度和懸垂系數(shù)也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明第一載荷峰值f1與抗彎剛度B、懸垂系數(shù)F具有較明顯的相關(guān)性。

2.2 懸掛穿孔法的時(shí)間-載荷曲線

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，24種織物的時(shí)間-載荷曲線中都具有3個(gè)明顯的載荷峰值，由于篇幅有限，本文從中選出4個(gè)較有代表性的織物（3#、9#、10#、13#），其時(shí)間-載荷曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，不同織物的第一載荷峰值f1差別較明顯，4種織物按f1從小到大依次為3#、9#、10#、13#，其中9#和10#織物的f1非常接近。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3#織物的B（84.98 cN·cm）和F（0575）都較小，9#、10#織物的B（187.71、179.42 cN·cm）和F（0584、0.592）稍大且十分接近，13#織物的B（281.43 cN·cm）和F（0.752）都較大，即彎曲性、懸垂性越好的織物，穿孔過(guò)程中第一次峰值時(shí)的載荷越小，與2.1相吻合。究其原因，越易彎曲、懸垂性越好的織物，懸掛自然下垂形成的夾角越小，因而更容易穿過(guò)圓孔，即所需拉力越小，故f1較小。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中會(huì)進(jìn)一步分析探究f2和f3與織物彎曲性和懸垂性的關(guān)系。

2.3 懸掛穿孔法所得指標(biāo)與抗彎剛度、懸垂系數(shù)之間的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步明確利用本文提出的新指標(biāo)是否與傳統(tǒng)指標(biāo)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)性，對(duì)4個(gè)新指標(biāo)與抗彎剛度B和懸垂系數(shù)F之間進(jìn)行pearson相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)如表3所示。

從表3可看出，懸掛穿孔法中的側(cè)輪廓面積S、底輪廓面積S0、載荷峰差值f1、f2、f3、峰值膨脹角θ都與抗彎剛度B和懸垂系數(shù)F呈顯著正相關(guān)關(guān)系。即B和F越大的織物，用懸掛穿孔法所得的4項(xiàng)新指標(biāo)也越大，可以解釋為：越硬挺的面料，自然懸掛時(shí)越不易彎曲和下垂，張開的輪廓和角度越大，提升時(shí)穿過(guò)圓孔所受的摩擦阻力就越大，即越不易穿過(guò)圓孔，所以提拉織物需要的力（即載荷）就越大。3個(gè)載荷峰差值與B、F的相關(guān)性從大到小依次是f1、f3、f2，因此僅選擇f1代表載荷峰差值。與B相關(guān)性從大到小依次是載荷峰差值f1、底輪廓面積S0、側(cè)輪廓面積S、峰值膨脹角θ;與F相關(guān)性從大到小依次是側(cè)輪廓面積S、峰值膨脹角θ、底輪廓面積S0、載荷峰差值f1。

2.4 單一新指標(biāo)與彎曲性及懸垂性之間的關(guān)系

為進(jìn)一步建立新方法中的4個(gè)特征參數(shù)（即f1、S0、S和θ）與傳統(tǒng)方法中的抗彎剛度B及懸垂系數(shù)F之間具體的關(guān)系式，將4個(gè)新指標(biāo)與2個(gè)傳統(tǒng)指標(biāo)之間進(jìn)行曲線擬合，所得結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4和圖5顯示，4個(gè)新指標(biāo)與抗彎剛度、懸垂系數(shù)呈冪函數(shù)或線性關(guān)系，與抗彎剛度擬合優(yōu)度從高到低依次是f1、θ、S0、S，與懸垂系數(shù)的擬合優(yōu)度從高到底依次是f1、S、S0、θ。雖然每個(gè)新指標(biāo)均與抗彎剛度、懸垂系數(shù)存在較密切的關(guān)系，但在運(yùn)用這些關(guān)系式預(yù)測(cè)抗彎剛度和懸垂系數(shù)時(shí)不是非常方便。

2.5 新指標(biāo)與抗彎剛度及懸垂系數(shù)的綜合關(guān)系式

2.5.1 抗彎剛度的預(yù)測(cè)方程

運(yùn)用多元逐步回歸進(jìn)一步探究懸掛穿孔法中的4個(gè)新指標(biāo)與抗彎剛度B的關(guān)系，最終得到包含載荷峰差值f1和峰值膨脹角θ的回歸方程：

B=129.253f1+1.649θ-56.613（1）

式（1）通過(guò)了F檢驗(yàn)，擬合優(yōu)度為0.901。f1與θ的回歸系數(shù)均小于0.05，即通過(guò)了t檢驗(yàn)，所以該方程能用來(lái)預(yù)測(cè)抗彎剛度B。

2.5.2 懸垂系數(shù)的預(yù)測(cè)方程

用與2.5.1同樣的方法，得到了包含側(cè)輪廓面積S、底輪廓面積S0的回歸方程：

F=0.584S+0.224S0-0.264（2）

經(jīng)檢驗(yàn)，式（2）也通過(guò)了F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)，擬合優(yōu)度為0.851。

綜合以上分析，利用懸掛穿孔法可以實(shí)現(xiàn)織物彎曲性和懸垂性的表征，本文提出的側(cè)輪廓面積、底輪廓面積、載荷峰差值、峰值膨脹角特征指標(biāo)與抗彎剛度及懸垂系數(shù)都存在密切的關(guān)系，且構(gòu)建了可以利用新指標(biāo)預(yù)測(cè)抗彎剛度和懸垂系數(shù)的方程，實(shí)現(xiàn)織物抗彎剛度與懸垂系數(shù)的二合一測(cè)試，能較為高效地表達(dá)織物多個(gè)方向綜合的彎曲性和懸垂性。

3 結(jié) 論

以24塊試樣為研究對(duì)象，利用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合INSTRON3367型雙立柱臺(tái)式電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)織物進(jìn)行測(cè)試，提取了側(cè)輪廓面積S、底面輪廓面積S0、載荷峰差值f1、峰值膨脹角θ這4個(gè)特征指標(biāo)，經(jīng)研究得到以下結(jié)論。

1）懸掛穿孔法中的4項(xiàng)特征指標(biāo)與斜面懸臂梁法中的抗彎剛度、圓臺(tái)法中的懸垂系數(shù)都具有高度正相關(guān)關(guān)系，表明利用本文提出的懸掛穿孔法測(cè)試織物彎曲性和懸垂性具有一定的可行性。

2）與斜面懸臂梁法中的抗彎剛度相關(guān)性從大到小依次是f1、S0、S、θ;與圓臺(tái)法中的懸垂系數(shù)相關(guān)性從大到小依次是S、θ、S0、f1。

3）利用懸掛穿孔法中的側(cè)輪廓面積S、底輪廓面積S0、載荷峰差值f1和峰值膨脹角θ，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)織物抗彎剛度B和懸垂系數(shù)F的預(yù)測(cè)。

4）懸掛穿孔法只需一塊圓形試樣就可測(cè)得織物多方向綜合的彎曲性，且能實(shí)現(xiàn)彎曲性和懸垂性的二合一，有助于節(jié)約測(cè)試時(shí)間和測(cè)試原料。

懸掛穿孔法不同于另一種織物風(fēng)格測(cè)試儀PhabrOmeter的地方是：PhabrOmeter對(duì)于穿孔過(guò)程的記錄僅僅是載荷-位移變化，而懸掛穿孔法除了記錄拉力（即載荷變化），還能定點(diǎn)拍攝穿孔全過(guò)程，記錄織物試樣的形狀變化，可在曲線圖上找到任意時(shí)刻（從視頻中截取該時(shí)刻）的織物形狀，進(jìn)而提取形狀變化特征值，即可多方面、更準(zhǔn)確地表征織物形變時(shí)的彎曲懸垂性。

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