萊塞爾機織物在風場中的自由動態彎曲性能

李艷芳，楊 波，紀 峰

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

織物彎曲性能直接影響其外觀懸垂風格及服用舒適性，因此，對織物所進行的力學測試、分析、表征一直受到國內外研究人員的重視.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、彎曲模量等力學指標，并結合織物的厚度對織物彎曲柔性等性質進行了客觀評價；王府梅等［2］研究發現紗線的彎曲剛度、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測.但上述研究僅局限于織物的靜態彎曲及規定變形狀態下的準動態彎曲變形，對柔性織物材料的自由動態彎曲的研究尚處于起步階段.較之靜止彎曲狀態，機織物在實際應用中更多地呈現一種自由反復、多向復合的動態彎曲行為，如搖曳的裙擺、飄動的旗幟等，這些現象宏觀上多被稱為動態懸垂變形行為，而微觀上主要是面料各方向動態彎曲構成的綜合變形效果，因此，對織物動態彎曲性能研究非常有必要.

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

1 實 驗

1.1 織物動態彎曲性能測試系統

織物動態彎曲性能測試系統［4－8］由風道區、試樣測試區及觀測區3部分組成，織物動態彎曲性能測試系統如圖1所示.風道區長4.5m，其一端外側放置可調功率風機；靠近風道區出氣口處的一段透明的玻璃管道為試樣測試區，用于放置試樣，并可對其進行觀察和拍攝，該區內部頂端有一夾持鉗口，用于夾持矩形試樣；觀測區位于試樣測試區與風道區所在直線的垂線上，正對測試區.觀測區由三角支架、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彎曲變形行為.

在拍攝之前，首先借助水平儀調節攝像機鏡頭，使鏡頭內的垂直線與測試區的鉛垂線相重合.然后打開風機，借助風速儀調節風速使其達到所需值，待風速穩定后，將織物試樣放入測試區內夾持住.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定、自由的反復彎曲運動狀態，每隔1/24s拍攝織物變形圖像，持續拍攝40s，對各個織物圖像進行處理，計算需要的數據.

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

1.2 織物動態彎曲性能指標

為了對織物的動態彎曲性能進行表征，本文提出并采用動態彎曲角指標，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，動態彎曲角示意圖如圖2所示.

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

圖2 動態彎曲角示意圖Fig.2 Illustration of dynamic bending angle

1.3 織物設計和織造

影響機織物動態彎曲性能的內因復雜多樣，包括纖維和紗線原料、織物組織結構參數、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構參數與織物動態彎曲行為的關系，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計織造.選用27.8tex，14.1tex，9.8tex共3種純萊塞爾紗，采用東華大學教育部重點實驗室紡織面料技術的全自動劍桿小樣織機織造了系列純萊塞爾機織物.下機后采用Y511型織物密度鏡測試織物經緯密度.表1為所用機織物試樣的設計、織造參數，以及下機后測試得到的織物試樣經緯密度和面密度.

表1 織物試樣組織結構參數Table 1 The structural parameters of the fabric samples

1.4 測試數據計算

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

2 結果與討論

24塊純萊塞爾機織物下機后，經過低溫熨燙、自然干燥、消除內應力之后，被裁剪成（20＋1）cm×10cm的矩形試樣.在恒溫恒濕室內調濕24h，測試環境保持在溫度為（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風速下，對每塊試樣的經緯向分別進行測試，得到每隔1/24s的各時刻織物圖像.

2.1 織物試樣動態彎曲角隨時間的變化曲線

織物動態彎曲角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，在設定的氣流環境中，柔性織物材料因與氣流交互作用而產生一種表觀上瞬時無序而實際上呈現內在規律性的彎曲變形行為.由于試樣對氣流的阻礙作用，在試樣局部兩側會產生瞬時壓差，該壓差具有局域性動態變化性，壓差的變化導致試樣內部受力不勻，從而產生進一步變形，這實際上是柔性結構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－釋放能量以適應外力的作用，宏觀上呈現一種動態彎曲變形行為.

圖3 織物試樣9緯向動態彎曲角－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彎曲性的影響

織物試樣9緯向動態彎曲角－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速下一段時間內的動態彎曲角總圍繞著一個相對穩定值上下波動，該穩定值隨試樣及風速而變化.為此，以平均動態彎曲角作為該相對穩定值的

近似或代表值.24塊純萊塞爾機織物試樣平均動態彎曲角測試結果見表2.

表2 織物試樣平均動態彎曲角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構相同的一類面料，在1.0～3.0m/s的風速范圍內，其經/緯向的平均動態彎曲角基本上隨著風速的增加而呈現增大趨勢，說明風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.為進一步研究風速與試樣平均動態彎曲角的關系，對所用試樣的經/緯向平均動態彎曲角與風速做了單因素方差分析［9］，試樣數據分析見表3.從表3可以看出，每塊織物與風帶的顯著性都很明顯，說明風速對織物的平均動態彎曲角有著相當顯著的影響關系.

表3 風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 織物動態彎曲角與織物主要規格參數之間的量化關系

由于眾多因素影響織物的動態彎曲性能，從理論上很難判斷何謂主要因素、次要因素，采用MINITAB［10］對平均動態彎曲角與織物主要規格參數及風速做了相關分析、逐步用回歸及多元回歸進行分析.2.3.1 相關分析 相關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）的皮爾遜方差相關系數及其P值，MINITAB相關分析結果如下（X1為紗線線密度，X2為織物質量，X3為織物厚度，X4為織物緊度，X5為風速，Y為平均動態彎曲角）：

單元格里第一行的內容是皮爾遜相關系數，第二行是相應的P值.用相應假設檢驗判斷兩個變量是否“相關”，即原假設H0：二變量不相關；備擇假設H1：二變量相關.一般規定：P值＜0.05判定他們相關.由檢驗結果可知：X1和X2的相關系數是0.942，P值0.000＜0.05說明X1和X2相關，同理X1與X3，X4相關，X5與X1，X2，X3，X4不相關，Y 與X1，X2，X3，X4，X5相關.

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彎曲角影響程度的大小及回歸方程.下面利用平紋織物經向相關數據進行回歸分析.經過多次回歸運算，最終選擇如下結果：

從分析結果中的方差分析出的P＜0.05，說明紗線線密度與風速對平均動態彎曲角的影響均是顯著的；回歸方程中的P＜0.05，但風速的P值小于紗線線密度的P值，說明風速對平均動態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，正態概率圖也較接近，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彎曲角與紗線線密度及風速之間的量化關系，將文獻［11］對棉的相關測試數據進行回歸分析，得到如下回歸方程：

因此，回歸方程表明，第一，織物的平均動態彎曲角與風速成正相關，風速越大平均動態彎曲角也越大.第二，織物的平均動態彎曲角與紗線線密度的平方成負相關，紗線線密度越大平均動態彎曲角越小.第三，織物的平均動態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系，具體的量化關系還有待進一步研究.

3 結束語

提出動態彎曲角指標，測試和計算了織物試樣的瞬時動態彎曲角、平均動態彎曲角，并繪制了動態彎曲角－時間曲線.經過對動態彎曲角－時間曲線的分析，發現相應織物試樣在一定的氣流環境中呈現一種內在的規則的動態彎曲變形行為，該行為取決于織物自身原因和外界氣流因素.通過對實驗數據的計算和統計分析，發現平均動態彎曲角與紗線線密度的平方成負相關，與風速成正相關.

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