靜態張力作用下多層經紗的懸垂特征

龔小舟， 吳世林， 李 宇， 林富生,2， 王 強

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200; 2. 佛山慈慧通達科技有限公司， 廣東 佛山 528251)

靜態張力作用下多層經紗的懸垂特征

龔小舟1， 吳世林1， 李 宇1， 林富生1,2， 王 強1

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200; 2. 佛山慈慧通達科技有限公司， 廣東 佛山 528251)

針對多層織物織造時經紗易開口不清的問題，提出一種預估經紗下垂特征的分析模型，為表征經紗的懸垂特征提供理論參考。通過采用芳綸、碳纖維和玻璃纖維這些不同原料的紗線，以及采用不同線密度的碳纖維紗線進行了實驗分析，以證實其與理論模型的相符程度。分析實驗結果表明，當描述線密度較小的紗線在靜態時的懸垂程度時，此經紗懸垂理論模型較為準確。然而，對于較粗的經紗，此模型還需要作進一步修正。在進行多層織造時，此研究結果可為模擬不同品種的紗線靜態情況下的懸垂形態提供一定的理論參考。

經紗張力； 多層織造； 經紗張力模型； 經紗懸垂特征

張力的控制在紡織生產工藝中至關重要，無論是機織、針織還是編織生產過程中都大量使用了專業的張力控制機構以求獲得合適的上機張力，使紡織生產順利進行[1]。Mouritz等[2]研究發現，在紡織生產過程中張力控制不當，紗線的強力將損傷近半。國內外研究表明：在碳纖維三維織物的織造過程中，引起紗線強力下降的主要原因是纖維間的摩擦，而產生這種摩擦的起因是為了得到合適的張力，有時會手工對紗線進行調整[3-4]。上機織造過程中產生摩擦的原因可歸納為纖維與纖維、紗線與紗線間的摩擦，同時還包括機器構件對紗線所產生的摩擦，這些構件包括后梁、綜眼、鋼筘、停經片和載緯器等[5]。如果上機張力過大，并且超出了紗線所能承受的彈性回復范圍，便會產生不可回復的塑性變形，導致紗線的結構破壞。由于織造生產過程中的隨機因素眾多，紗線在移動過程中局部會產生應力集中變形，其上機張力會逐漸偏離最佳上機張力值[6-7]。在傳統織造過程中，經紗和緯紗都會產生上機張力的變化，但經紗的變化更為頻繁。經紗張力的變化取決于織物結構、送經速度、初始上機張力和整經過程中的經軸片紗不勻程度。經紗張力過低，紗線下垂，從而造成布面織疵[8]，但過大的上機張力又可能損傷紗線，造成織物力學性能和熱性能上的不足。這種情況在三維織物多梭口織造過程中更為復雜。三維織造所用的纖維都是高性能纖維，比如玻璃纖維和碳纖維，這些纖維的共同特點是比較脆、易損傷，即使是非常小的摩擦都會造成纖維的損壞。這類纖維的另一特點是模量較高、紗線較粗，如果缺乏有效的上機張力，纖維易在質量的作用下自然下垂，造成織造過程中的開口不清。通常來說，三維織物織造時會將多層經紗逐層排列，交匯于織口處,多個載緯器穿梭于經紗層間形成引緯[9-10]。生產厚度大的三維織物時，經紗層數會不斷增加，經紗層之間需要一定高度以便引緯。為了獲得最優化的層間高度，需要賦予經紗合適的上機張力使其下垂程度最小。本文針對多層經紗織造過程中經紗開口不清的問題，提出了一種較簡單的數學分析模型，用于表征經紗張力與其懸垂度的關系，為獲取合適的上機張力提供理論參考。

1 理論模型

本文將對三維織造多層經紗在張力作用下的懸垂特征進行理論和實驗對比分析，探索經紗上機張力與下垂程度之間的關聯，以期通過理論模型預測在不同張力情況下紗線的下垂程度。

紗線所承受的上機張力T可定義為沿紗線軸向所受到的力，如圖1所示，則其在水平方向的張力分量為(T′)并滿足關系式：T′=T×cosθ。

根據梭口的幾何形狀，對紗線的下垂情況進行幾何分析。為了簡化分析模型，本文不考慮紗線的彎曲剛度和剪切應力，而將紗線的下垂歸結于2個因素：紗線線密度和紗線兩端握持點間的距離。根據非線性彈性理論中的繩索彎曲模型[7]，可將紗線作為柔性繩索進行探討研究。紗線在上機張力的作用下，其彎曲曲線函數y和自變量x之間可用式(1)進行模擬：

(1)

式中：T′為紗線受到的水平方向的張力，N；W為紗線單位長度上的質量，N/m；C1和C2分別為常數。

為了更明確地表示紗線懸垂時的形態，對紗線的懸垂形態進行了幾何建模，圖1中H為梭口的開口高度， m；L為織口到測量點的距離，m；θ為紗線下垂角(下垂紗線位于A點處切線方向與水平方向的夾角)。為了求解式(1)中的常量C1和C2，進行如下數學運算：對公式中的y進行一次求導，可得下垂紗線的斜率(tanθ)，利用這個數學關系，可得：

(2)

取x的值為0時，可得常量C1的值，即令x→0，則式(2)轉化為

C1=arsinh(tanθ)

同理，取x，y的值均為零時，可得C2的值，即令x→0，y→0，代入式(1)可得

(3)

因此，當x→L，y→H, 代入式(1)，則下垂的紗線滿足如下函數關系式

(4)

從以上函數關系式可以得出結論：當紗線受到上機張力作用時，其下垂曲線可以通過雙曲余弦函數進行模擬。當上機張力(T)、紗線單位長度上的質量(W)和紗線下垂角(θ)已知時，可以模擬織口到測量點的距離(L)與開口高度(H)之間的函數曲線，用于表征紗線的懸垂特征。具體算例如下：

假設T300碳纖維, 線密度為439 tex在0.05 N的上機張力作用下分7層進行三維織物織造，其每層的紗線下垂角(θ)分別假設為50°、40°、30°、20°、10°、0°、-10°，當紗線下垂角(θ)為50°時，根據式(4)計算所得出的參數如表1所示(其中：T=0.05 N;W=0.004 N/m；角度為50°；C1=1.01；C2=-18.08)。每層紗線以織口到測量點的距離(L)為橫坐標，梭口開口高度(H)為縱坐標的函數關系圖如圖2所示。

表1 理論計算所得式(4)的參數值 Tab.1 Calculated value from equation(4) m

2 實驗部分

2.1 實驗材料

采用芳綸、碳纖維和玻璃纖維進行實驗測試，分析在三維織物織造中經紗的變形情況，以及多層經紗排列時每層經紗下垂與上機張力間的關系。纖維規格如表2所示。

2.2 實驗裝置

為了驗證理論模型的準確性，進一步實施了相關的實驗研究。實驗裝置搭建如圖3所示。在搭建的實驗裝置上，每層的紗線被擺放在裝置的兩端，其中一端織口處被一套螺絲/螺栓組成的壓板壓實，另一端通過一個分層架固定，紗線的后端掛有小鐵錘，以模擬紗線所受的的上機張力。織口與分層架之間的距離可以調節，本文設定為1.0 m，進行實驗。用尺子沿著織口到分層架(即沿著L)每隔0.1 m記錄每層經紗開口高度(H)。也可以通過增減紗線后端小鐵錘的方式模擬上機張力的情況，本文實驗采取的上機張力為0.05 N。

表2 原材料技術指標Tab.2 Technical indexes for raw materials

3 結果與討論

以芳綸1414的測試結果為例，圖4示出理論模擬的紗線下垂曲線與實驗測得的實際數據。在圖3所示的23層三維織物多層織造中，從上至下，分別選取了第1、3、5、7和9層的紗線作為上半部分測量其紗線懸垂特征，其所對應的紗線下垂角分別為10°、20°、30°、40°和50°(見圖4(a))；同理可得下半部分的紗線懸垂特征(見圖4(b))。對比圖3及參考所測得的L-H值，可以看出：本文建立的理論模型比較好地模擬了實際多層紗線的開口情況，并獲得實測值的驗證，但是從圖4(b)所得到的織物下半部分理論與實際的對比情況來看，理論值與實測值有所偏差，特別是最下面第20層(對應圖中紗線下垂角-50°)和第18層(對應圖中紗線下垂角-40°)的紗線理論計算值均高于實際測量值。究其原因主要是在測量的過程中對紗線下垂角(θ)的表征缺乏可靠的測量方法，僅僅是依靠目測來定義紗線的正切線與水平線的夾角，從而得到一個預估值。這個角度與理論設定的紗線下垂角(θ)還不完全吻合。在未來的研究工作中，希望能解決這個問題。

表3 不同種類纖維的實驗測試值與理論計算值之間的偏離程度Tab.3 Variation between testing results and theoretical results

4 結 語

本文建立了使用較細紗線織造的情況下，多層經紗織造過程中每層經紗開口高度與紗線兩端握持點之間的距離、紗線下垂角、紗線上機張力和紗線單位長度上的質量之間的函數關系，有效地模擬了每層紗線的懸垂特征。將柔性繩索大變形所建立的理論模型應用于多層經紗織造中，符合實測結果，從而驗證了此模型在分析多層經紗織造時的有效性。通過對理論模型的進一步討論，在其他參數保持不變的情況下，紗線線密度的變化也會影響紗線在多層織造中的懸垂情況。另外，紗線的上機張力與紗線兩端握持點之間的距離嚴重影響紗線的下垂程度。過大的上機張力會損傷紗線，從而嚴重降低紗線在最終應用時的力學性能。因此，為了在多層織物織造過程中獲得良好的開口清晰度，影響紗線下垂的各參數需要進一步優化，從而保證在紗線性能保持優良的情況下，促使三維織物多層織造的順利進行。

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[1] 來震. 織機經紗張力模型的建立和分析[J].絲綢, 2004(8): 34-37. LAI Zhen. Model construction and analysis of warp tension[J]. Journal of Silk, 2004(8):34-37.

[2] MOURITZ A P. Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites[J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,1999,30(1):1445-1461.

[3] 季英超, 姜風琴, 耿俊新. 國產碳纖維織造生產實踐的研討[J]. 紡織學報, 2004, 25(2):71-72. JI Yingchao, JIANG Fengqin, GENG Junxin. Practices on carbon fiber weaving[J].Journal of Textile Research, 2004, 25(2):71-72.

[4] LEE L. Effect of weaving damage on the tensile properties of three-dimentional woven composites[J]. Composite Structure, 2002, 57(1/4):405-413.

[5] 朱蘇康. 織造學[M].北京：中國紡織出版社, 2008:158. ZHU Sukang. Weaving Technology[M]. Beijing:China Textile & Apparel Press, 2008:158.

[6] 吳綏菊, 季曉雷. 織機經紗動態張力的數字化測試方法[J].上海紡織科技, 2003, 31(6):22-23. WU Suiju, JI Xiaolei. Digital measurement of dynamic warp tension[J].Shanghai Textile Science & Technology, 2003, 31(6):22-23.

[7] 邱海飛, 王益軒. 基于虛擬樣機技術的經紗張力仿真與分析[J].紡織學報, 2011, 32(1):119-123. QIU Haifei, WANG Yixuan. Simulation and analysis of warp tension based on virtual prototyping[J]. Journal of Textile Research, 2011, 32(1):119-123.

[8] NABIHA K A E G. Investigating the influence of the width wise warp end tension variation on fabric performance properties[C]//.Autex World Textile Conference.[s.l.], 2009:35-38

[9] 熊念, 雷潔, 龔小舟. 三維板材狀機織物的技術現狀及其織造方法探析[J].現代紡織技術, 2014(4):79-83.XIONG Nian, LEI Jie, GONG Xiaozhou. A review on manufacturing of 3-D plate panel structured woven textile[J]. Advanced Textile Technology, 2014(4):79-83.

《紡織學報》第九屆編輯委員會成立

《紡織學報》第九屆編輯委員會成立大會于2016年10月23日在上海松江召開。中國工程院蔣士成院士、姚穆院士，來自海內外各領域知名學者和技術專家，中國紡織工程學會伏廣偉常務副理事長、尹耐冬秘書長、劉軍副秘書長共52名編委出席會議。學會學術處張洪玲副處長主持會議。《紡織學報》第九屆編輯委員會共聘請69名委員，分別來自高等院校、科研院所和企業，詳情見本刊封三。

《紡織學報》是中國紡織工程學會主辦的中文紡織學術期刊，由中國科學技術協會主管。是全國中文核心期刊、中國科技核心期刊，2016年新被《工程索引》(Ei Compendex)收錄。編委會是《紡織學報》編輯出版工作的學術指導機構，對期刊的編輯出版起指導、監督和促進作用。

會上，各位編委接受了聘書并討論通過了《紡織學報》編輯委員會章程(修改稿)。編委會常務副主任伏廣偉肯定了《紡織學報》在促進學科建設、培養學術人才等方面的重要作用，希望編委們珍視榮譽，履行職責，充分發揮作用，辦出高水平、高影響力的世界一流的刊物。劉軍主編代表編輯部匯報了《紡織學報》近幾年編輯出版工作情況。

編委會各位副主任高衛東副校長、程博聞副校長、陳文興校長、周華堂院長、莊小雄院長在期刊定位、審稿、選題策劃、吸收優質稿源等方面提出了建設性意見。香港理工大學胡金蓮教授、美國加州大學戴維斯分校潘寧教授、澳大利亞迪肯大學王訓該教授作為海外編委代表發言，希望《紡織學報》進一步加強宣傳，提高文章時效性和審稿速度，積極擴大國際影響力。

最后，蔣士成院士、姚穆院士分別做了總結性發言。二位院士對《紡織學報》近年來取得的成績給予肯定并寄予殷切的希望，強調《紡織學報》一定要引領創新驅動發展，匯聚優秀研究成果，爭取早日辦成國際名刊。

Characteristics of warp yarn hanging path under weaving tension

GONG Xiaozhou1, WU Shilin1, LI Yu1, LIN Fusheng1,2, WANG Qiang1

(1. School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan, Hubei 430200, China; 2. Foshan Cihuitongda Tech. Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528251, China)

During the multi-layer weaving process, aiming at difficulties in creating a clear shed opening passage for each warp layer, an analytical model to characterize the hanging path of each layer′s warp yarn are propsed. Experiments have also been conducted to evaluate the accurancy of this analytical model by using different yarns such as kevlar, carbon and glass fiber or by using various carbon fiber yarns such as in fineness. After the comparisons, it is found that this model suits better to describe finer yarns, however, with coarse yarns, the model lost its efficiency and need to be further modified. The outcomes from this work is to provide a useful reference to characterise the warp yarn hanging path during multi-layer weaving under statistic conditions.

warp tension； multi-shed weaving； warp analytical model； warp hanging characteristic

10.13475/j.fzxb.20150604705

2015-06-23

2016-05-01

國家自然科學基金青年項目(51502209)；湖北省自然科學基金項目(2015CFB553)；湖北省大學生創新創業計劃項目(201513240001)

龔小舟(1980—)，女，副教授，博士。主要研究方向為三維紡織品織造工藝及產品性能。E-mail：xiaozhou.gong@wtu.edu.cn。

TS 131.9

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