棉纖維集合體壓縮力傳遞與密度關系

李 勇， 張 宏， 張有強， 陳曉川， 劉文亮

(1. 塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300； 2. 東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

棉纖維集合體壓縮力傳遞與密度關系

李 勇1， 張 宏1， 張有強1， 陳曉川2， 劉文亮1

(1. 塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300； 2. 東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

為分析棉纖維集合體的壓縮力傳遞特性，在萬能試驗機上對棉纖維集合體進行壓縮試驗，用壓力傳感系統采集受壓棉纖維集合體上、中、下3層的壓強，分析傳感器采集的壓縮強度與棉纖維集合體應變、相對密度的關系。試驗結果表明：隨著棉纖維集合體應變的增加，其各層壓強值均增加; 各層棉纖維集合體壓強值由上而下呈降低趨勢，層間存在顯著壓強差。分析棉纖維集合體的密度-力學性能發現，其相對密度與壓強之間呈極佳的線性關系，即棉隨著纖維集合體相對密度的增加，各層壓強均呈線性增加。同時，相對密度與層間壓強差之間存在良好的關系，表明棉纖維集合體存在顯著的應變率敏感性。

棉纖維集合體； 壓縮力； 傳遞； 相對密度

棉花是新疆地區重要的紡織原料。在儲運、生產加工等環節，棉纖維集合體需被反復多次壓縮、放松，其壓縮性能的優劣與各環節生產效率密切相關。自20世紀50年代以來，國內外學者對各類纖維集合體壓縮力學性能開展大量的壓縮理論推導、力學模型分析和相關試驗研究[1-3]，從力學原理角度分析纖維集合體的壓縮性能，也從壓縮力與壓縮變形力學曲線分析力學特征[4-6]，研究表明，纖維集合體的密度是影響壓縮力學參數最重要的指標，且纖維集合體密度與壓縮力之間存在著密切關系[7-9]。

目前，棉纖維集合體的壓縮力學指標與其壓縮密度演化過程分析、棉纖維集合體內部應力分布、傳遞與密度梯度的建模與理論分析推導等方面的研究鮮有報道。針對此類問題的研究，有助于分析籽棉打垛、原棉打包等壓縮環節中棉纖維集合體的壓縮壓力與其受壓縮集合體內部緊密度程度變化以及纖維集合體壓力傳遞之間聯系。

基于前人的研究，本文以棉纖維集合體為對象，采用壓力傳感系統采集棉纖維集合體壓縮過程的壓強值，分析壓縮過程中不同層間棉纖維集合體壓強值與密度的關系，建立相應的力學模型，以期為棉纖維集合體的壓縮生產環節提供理論參考。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

選用新疆阿拉爾市新陸中37手摘原棉，原棉于軋花廠軋花機后端棉道提取。

1.2 壓力傳感系統原理

從表2可知，經過對四種敏感性指標d’進行折半信度檢驗后，自我和他人這兩部分的內部一致性系數分別為0.438和0.482，分半系數為0.534，說明GNAT測量程序可信[27].

萬能材料試驗機(上海卓技儀器設備有限公司)、FA1104電子天平(上海安亭科學儀器廠)、FSR400薄膜壓力傳感器(Interlink Electronics)、有線薄膜壓力傳感軟件(安徽威科電子有線公司)。

壓力傳感系統由FSR400薄膜壓力傳感器、彩排線、USB公共接頭、筆記本和有線薄膜壓力傳感軟件組成。薄膜壓力傳感器為力敏電阻式壓力傳感器，將其置于棉纖維集合體層間，棉纖維集合體壓縮壓力導致傳感器內電阻發生變化(壓力越大，電阻值越小)。有線薄膜壓力傳感器采集電阻信號，將電阻信號轉化為力值，并以每50次/s的頻率采集壓力值并存儲壓力值。

1.3 壓縮試驗

稱取225 g原棉，裝入亞克力管(外徑110 mm，內徑104 mm，壁厚3 mm)，置于萬能試驗機平臺上，以20 mm/min的加載速度進行壓縮試驗(室內溫度16 ℃，相對濕度27%)。在萬能試驗機動壓頭、定壓頭和定、動壓頭中間位置放置3個壓力傳感器。動壓頭在壓縮過程中由有線薄膜壓力傳感系統采集3路壓力數據。3路數據依次由上傳感器、中傳感器和下傳感器采集。上傳感器采集萬能試驗機動壓頭施加在棉纖維集合體整體的壓強；中傳感器采集棉纖維集合體中間位置所承受的壓強；下傳感器采集棉纖維集合體底部所承受的壓強。萬能試驗機壓縮壓力采集示意圖，如圖1所示。

棉纖維集合體傳感器采集的壓強與亞克力管內棉纖維集合體平均密度計算公式見式(1)、(2)。棉纖維集合體壓縮數據采用Orgin8.5軟件進行繪圖與分析。

通過對河源及泛珠三角電子信息企業高技能人才需求的調研與分析; 對相關專業方向畢業生進行跟蹤調查；對嵌入式技術與應用專業職業崗位的工作過程與工作任務系統化分析，形成了以職業能力為導向的課程體系，并在人才培養模式改革方面初步形成了以“項目引導、學訓交替”為特征的人才培養模式，如圖1所示，將校企合作、能力層次培養、創新能力及職業素質教育貫穿整個人才培養過程。

(1)

式中：P為棉纖維集合體壓強，0.1 MPa；F為傳感器采集的壓力值，N；d為傳感器壓力采集區直徑，mm。P1為上傳感器壓強；P2為中傳感器壓強；P3為下傳感器壓強。△P13為上下傳感器壓強差；△P12為上中傳感器壓強差；△P23為中下傳感器壓強差。

(2)

式中：ρ為棉纖維集合體平均密度，g/cm3；m為亞克力管內棉纖維集合體質量，g；D為亞克力管內徑，mm；H為亞克力管內棉纖維集合體初始高度，mm，亞克力管內可裝棉纖維集合體有效高度為255 mm；x為萬能試驗機動壓頭下行位移量，mm。

2 結果分析

式中：σ*為泡沫材料的塑性塌陷強度；ρ*為泡沫材料的塑性塌陷密度；σs為基體材料的屈服強度；ρs為基體材料的密度；A、B為材料的常數。

3個壓力傳感器采集的棉纖維集合體壓強與應變曲線，如圖2所示。

圖3～5中，棉纖維相對密度的b(b分別取1、2、3、4、5、6)次冪與3路傳感器采集的壓強之間分別進行線性擬合，得出二者之間的擬合曲線和回歸方程，如表1、2、3所示。由圖3、4、5可知，不同b次冪值下，b次冪相對密度與3路傳感器所采集的壓強數據線與擬合線均相近。比較表1、2、3中相對密度與壓強之間相關系數R2發現，R2值均大于0.85，表明二者之間存在較好的線性關系。故建立相對密度與壓強兩者之間的相關解析方程是可行的。隨b值的增加，3路傳感器的數據線與擬合線之間吻合程度呈先加強后減弱的變化趨勢。當b取4時，3路傳感器采集的壓強與相對密度之間的相關系數均為最大，其R2值分別為0.998、0.998和0.994。可見4次解析方程表征3路傳感器采集的壓強與相對密度效果最佳，即P=c(ρ/ρ0,)4+d(d為修正量)可作為表征棉纖維集合體相對密度與壓強之間關系的最佳解析方程。

2.2 棉纖維集合體密度-力學模型

1.2.2 臍動脈血流監測 采用三瑞SRF-608胎兒臍動脈血流檢測儀(武勝陽光康健醫療器械有限公司)對所有孕產婦進行臍動脈血流監測，產婦取平臥位，確認胎位后將探頭置于胎兒腹部處，通過探尋其上、下臍動脈血流情況，凍結穩定的血流成像圖，根據電腦將各監測數值進行技術，可自動生成正常或異常報告。

壓縮過程中棉纖維間的空隙壓縮、纖維體的變形引起的壓強與應變曲線，與泡沫材料泡孔壓縮變形或塌陷的壓強與應變曲線相類似。可見，棉纖維集合體的壓縮性與聚氨酯多孔泡沫、泡沫鋁等材料的壓縮性極類似，可以使用泡沫材料壓縮性能的研究方法分析棉纖維集合體的壓縮性能。

此外，還有學者從契約融合的角度進行分析.如Xiong等 [10-11]在回購契約的基礎上考慮了數量彈性契約，Chung等[12]將價格折扣激勵契約融入數量彈性契約之中，Lumsakul等[13]設計了一組收益共享契約與數量彈性契約的復合式契約，朱海波和胡文[14]研究了期權與數量柔性契約的融合.也有研究從不同行業為對象，如Li等[15]以化妝品行業供應鏈為對象，構建了數量彈性契約下的兩階段動態模型，求解零售商和制造商的最優訂貨和定價策略.

Gibson等[12]基于單胞體模型的壓縮變形研究，推導出泡沫材料力學性能與密度關系的解析方程，并提出了泡沫材料的塌陷強度理論。泡沫材料壓縮解析方程為

(3)

2.1 棉纖維集合體壓縮力傳遞過程

諸多學者基于此理論對聚氨酯多孔泡沫或泡沫鋁的壓縮性能進行研究，研究結果均表明材料的壓強與其胞體相對密度的冪指數之間呈良好的線性關系[13]。

式中：P0為棉纖維集合體的壓潰強度，取定值；ρ0為棉纖維集合體的壓潰密度，取1g/cm3；P為棉纖維集合體的壓縮強度；ρ為棉纖維集合體的密度；a、b為常數。因P0取定值，故相對密度與壓強解析方程簡化為

(4)

(3)實現通過系統數據展現功能形成房間內外環境數據分析報告，實時獲取居室環境情況，提供給人們進行實時管理居室環境。

(5)

上傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關系見圖3所示。中傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關系見圖4。下傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關系見圖5。

在壓縮過程中，3路傳感器采集的壓強與棉纖維集合體應變曲線均呈下凹狀況，即隨著棉纖維集合體整體應變的增加，被壓縮的壓強均呈增加趨勢。按壓強與應變比值變化率的高低，將此壓縮曲線分為平緩區和致密區。在壓縮平緩區，棉纖維集合體內纖維間空隙受擠壓排空，同時伴有集合體內纖維間滑移與穿插作用，其應變量增加而壓強增幅極緩慢。此期間動壓頭施加于棉纖維集合體的能量以纖維間孔隙擠壓排空、纖維間摩擦等形式耗散掉，存在明顯的吸能現象[10]。在致密區棉纖維集合體受擠壓發生彈塑性形變，其應變量增加而壓強增幅極快速。棉纖維集合體剛度快速增加，呈現較為顯著的應變量硬化特征[11]。將同等應變時3個傳感器采集的壓強相比，發現P1>P2>P3。在壓縮過程中，3個傳感器采集的壓強與應變曲線呈現明顯的滯后現象，表明萬能試驗機的動壓頭所施加的壓力由上向下發生了降低。

腫頭龍的外表看上去雖然有些猙獰，但它們屬于植食性恐龍。在通常情況下，它們是很溫順的，除非遭到攻擊。突然，負責警戒任務的腫頭龍發現了“敵情”——幾只冥河盜龍正從遠處跑來，雖然冥河盜龍身上的綠色條紋很好地融入了周圍的環境當中，但還是被機警的腫頭龍發現了。“警衛員”發出了報警聲，腫頭龍群立即緊張起來，并迅速朝森林深處跑去。

表1 上傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關系Tab.1 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from upper transducer

注：x為ρ/ρ0,無量綱；P1為上傳感器采集棉纖維集合體壓強。

表2 中傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關系Tab.2 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from middle transducer

注：P2為中傳感器采集棉纖維集合體壓強。

表3 下傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關系Tab.3 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from lower transducer

注：p3為下傳感器采集棉纖維集合體壓強。

2.3 棉纖維集合體層間密度-力學模型

在壓縮過程中，3路傳感器采集的棉纖維集合體兩兩之間的壓差與整體應變關系如圖6所示。由圖可知，棉纖維集合體壓縮應變量的增加，△P13和△P12逐漸增加，△P23先增后降。棉纖維集合體整體應變量在0～0.28范圍時，△P12基本保持恒定，△P23持續增加；在0.28～0.42范圍時，△P12與△P23相近；在0.42～0.56范圍時，△P12快速增加至與△P13相接近，△P23則呈下降趨勢。采用2.2所述相對密度與壓強的方法，分析相對密度與壓強差的關系，結果如圖7所示。

完善的土地流轉機制和竹農之間的利益協調機制，是推行雷竹林規模經營的首要條件。竹林適度規模經營往往以竹林地利用規模為主要的衡量標準，在保證雙方利益的基礎上，只有通過建立相應的土地流轉機制才能實現土地的流轉和集中。在85戶受訪者中，有36.8%的農戶愿意流進竹林，希望竹林的面積能達1.20～1.33 hm2，有13.1%的農戶希望達到2.00 hm2及以上。

圖中解析方程中常數取4，對棉纖維集合體相對密度與壓強差進行擬合。棉纖維集合體相對密度與△P13、△P12均呈線性關系，與△P23呈非線性(拋物線)關系，且其相互間相關系數均達0.9以上，擬合效果極佳，結果如表4所示。

考慮到該瀝青混凝土路面施工工程的作業跨度相對較大，擁有較長的運輸距離，因此在結合現有施工條件的基礎上，工程選擇配置兩座強制間隙式瀝青混凝土拌和樓負責完成瀝青混凝土的拌和工作。在對其進行選型配套的過程中，需要運用公式：

表4 層間壓強差與棉纖維集合體相對密度的關系Tab.4 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure difference from cotton interlayer

注：△P13為上下傳感器壓強差；△P12為上中傳感器壓強差；△P23為中下傳感器壓強差。

棉纖維集合體受壓，其內部由上而下逐漸變致密，上層棉纖維集合體致密速度遠快于下層棉纖維集合體致密速度，即棉纖維集合體的局部密度遠大于其平均密度，棉纖維密實化過程中纖維體彎曲變形，纖維體內部越密實，纖維體之間相互接觸、擠壓產生的局部應力越大。據此，棉纖維集合體相對密度屬應變敏感材料，其壓縮過程中局部變形、致密是其應變敏感的根本原因。

2.1 隊列人群基線特征 基線時用MS診斷標準將隊列人群分成兩組，MS組467人，非MS組867人。基本體格特征和實驗室特征比較，除年齡、總膽固醇（TC）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）外，MS組的體質指數（BMI）、腰圍（WC）、收縮壓（SBP）、舒張壓（SBP）、空腹血糖（FPG）、TG、HDL-C測量均值均高于非MS組，兩組之間差異均有統計學意義（P＜0.001）。見表1。

3 結 論

1)以棉纖維集合體為原料，在萬能試驗機上進行壓縮試驗，分析棉纖維集合體的應變與壓力傳感系統采集壓強之間關系。試驗結果表明：棉纖維集合體應變增加，各層壓強值均呈下凹拋物線增加。各層棉纖維集合體壓強值由上而下降低，層間存在壓強差。

2)建立棉纖維集合體的密度-力學模型，相對密度與壓強之間的最佳關系表達式為P=c(ρ/ρ0)4+d。可見，棉纖維集合體相對密度增加，各層壓強均呈線性增加。分析棉纖維集合體相對密度與層間壓強差關系，發現相對密度與層間壓強差之間存在良好的關系，表明棉纖維集合體存在應變率敏感性。

FZXB

[1] DUNLP J I.Characterizing the compression properties of fibre masses[J]. Textile Research Journal,1974,65(8):364-366.

[2] 劉茜,于偉東.纖維集合體壓縮性能的研究及展望[J].東華大學學報(自然科學版),2005,31(3):127-132. LIU Qian,YU Weidong.Research and prospect of compressional behavior of fiber assembly: a review of literature[J].Journal of Donghua University (Natural Science Edition), 2005,31(3):127-132.

[3] CHEN B X,CHOU T W.Compaction of woven-fabric performs in liquid composite molding process:single-layer deformation[J].Composites Science and Technology,1999, 59(10):1519-1526.

[4] 劉茜,于偉東.絮狀纖維集合體壓縮回復特征的研究[J].東華大學學報(自然科學版),2009,35(6):655-659. LIU Qian,YU Weidong.Research of compressional resilience of fiber fill assemblies[J].Journal of Donghua University (Natural Science Edition), 2009,35(6):655-659.

[5] 劉茜.纖維集合體壓縮力學行為的研究:2.纖維形態及表面摩擦對壓縮性能的影響[J].紡織學報,2009,30(4):24-27. LIU Qian.Research on compressional behavior of fiber assembly:2.influence of fiber morphological structure and surface friction on compressional behavior of fiber assembly[J]. Journal of Textile Research, 2009, 30(4):24-27.

[6] 馬施瓊,吳湘濟,陳邦偉.相對濕度對絮用纖維集合體壓縮性能的影響[J].上海紡織科技,2013,41(11):53-54,57. MA Shiqiong, WU Xiangji, CHEN Bangwei.The influence of humidity on compressibility of wadding[J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2013,41(11):53-54,57.

[7] VAN W C M.Notes on the compressibility of wool[J]. Journal of the Textile Institute Transactions,1946,37(12): 285-292.

[8] BOHUSLAV Neckar.Compression and packing density of fibrous assemblies[J]. Textile Research Journal,1997,67(2): 123-130.

[9] SEBESTYEN E, HICKIE T S.The effect of certain fibre parameters on the compressibility of wool[J]. Journal of the Textile Institute Transactions,1971,62(10):545-560.

[10] 蘭鳳崇,曾繁波,周云郊,等.閉孔泡沫鋁力學特性及其在汽車碰撞吸能中的應用研究進展[J].機械工程學報,2014,50(22):97-112.

LAN Fengchong,ZENG Fanbo,ZHOU Yunjiao,et al.Progress on research of mechanical properties of closed-cell aluminum foams and its applications in automobile crashworthiness[J]. China Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(22):97-112.

[11] GIORGI M D,CAROFALO A,DATTOMA V,et al. Aluminium foams structural modeling[J].Computers and Structures,2010,88(1-2): 25-35.

[12] GIBSON L J, ASHBY M F.Cellular Solids: Structures and Property [M]. Cambridge:Cambridge University Press,1997:11-30.

[13] 花興艷,趙培仲,朱金華,等.聚氨酯/環氧樹脂互穿網絡半硬泡沫的壓縮力學性能[J].塑料工業,2010,38(1):58-62. HUA Xingyan, ZHAO Peizhong, ZHU Jinhua, et al.Compression mechanical properties of PU/ER interpenetrating networks semirigid foams[J].China Plastics Industry, 2010, 38(1):58-62.

[14] 姚穆.紡織材料學[M].第3版.北京:中國紡織出版社,2011:257. YAO Mu.Textile Materials[M].3rd ed.Beijing:China Textile & Apparel Press, 2011:257.

[15] 于偉東,儲才元.紡織物理[M].上海:東華大學出版社, 2002: 3-26. YU Weidong,CHU Caiyuan. Textile Physics[M]. Shanghai: Donghua University Press, 2002: 3-26.

Research on compressive force transmission properties and densities-mechanical properties model of cotton fiber assembly

LI Yong1， ZHANG Hong1， ZHANG Youqiang1， CHEN Xiaochuan2， LIU Wenliang1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300, China; 2. College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to analyze compressive force transmission properties of the cotton fiber assembly, the compression test of cotton fiber assembly was carried out in the universal test machine, pressure was acquired in the pressure sensing system form the upper,middle and lower cotton layer.This paper analyzed the relationship between pressure and strain, and relative density of cotton fiber assembly.The results showed that various cotton layers of pressure increased with increasing strain of the cotton fiber assembly during compressing process. And various cotton layers of pressure became lower in turn from top to bottom, the interlayer pressures showed obvious differences. By subsequent analysis on the cotton fiber assembly density with mechanics, it was found that the relationship between relative density and pressure could be expressed in best linearity.Namely, various cotton layers of pressure was in the linear increasing in the compression process with relative density increasing.The R-square of regression function between relative density and presuure difference of various cotton layers of pressure for testing sample was close to 1. It is shown that the cotton fiber assembly has significant strain-rate sensitivity.

cotton fiber assembly; compressive force; transmission; relative density

10.13475/j.fzxb.20160201707

2016-02-17

2016-06-09

新疆生產建設兵團支疆計劃項目(2012AB008)；國家質檢總局項目(201310107)

李勇(1986—)，男，講師，碩士。主要研究方向為紡織功能材料研究與應用。張宏，通信作者，E-mail:deyuzhijia@163.com。

TS 102.2

A