多梳賈卡織物結構形變研究與計算機仿真

張愛軍， 蔣高明， 李欣欣， 叢洪蓮

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

多梳賈卡織物結構形變研究與計算機仿真

張愛軍， 蔣高明， 李欣欣， 叢洪蓮

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

為實現多梳賈卡織物的形變模擬，尤其是提花地網中不同大小網眼對織物形變的模擬，建立了適用于多梳賈卡經編織物的質點彈簧模型。通過研究多梳賈卡織物的組織結構和賈卡提花原理，將地梳線圈簡化為質點，連接線圈之間的延展線簡化為彈簧，并進一步將地梳、氨綸梳和襯緯賈卡梳、花梳形成的組織簡化為縱向結構彈簧、卷曲彈簧、橫向結構彈簧和約束彈簧；研究了線圈質點在4種彈簧復合作用下的受力，引入彈簧阻尼力以減小質點彈簧系統的振動；采用顯式歐拉方法求解任意時刻質點的運動狀態來減少線圈形變模擬過程的計算時間；通過實樣舉例，將形變模擬的預測效果與上機編織樣布進行對比，驗證了所建質點彈簧模型的正確性和實用性。

經編； 多梳； 賈卡； 質點彈簧； 形變； 仿真

質點-彈簧模型由Provot在1995年提出，將織物簡化為均勻排列的系列質點，質點間的連接簡化為結構彈簧、柔性彈簧和剪切彈簧，用于描述柔性物體的變形行為[1]。隨后，質點-彈簧模型被廣泛應用于織物的仿真研究中，包括橫編織物組織結構仿真[2]、機織物三維變形[3]和三維服裝模擬[4]等。雖然質點彈簧模型織物仿真的方法已經比較成熟[5]，但其在多梳賈卡經編織物變形的應用研究尚處于起步階段，因多梳成圈的復雜性和賈卡提花的多變性，現有的質點-彈簧系統只能簡單描述賈卡提花的變形原理[6]，難以較好地模擬多梳賈卡織物的受力變形，尤其是帶有氨綸紗的彈性織物，因此，本文提出了針對多梳賈卡織物結構特點的質點-彈簧模型，用來實現其快速、高效的變形仿真。

1 多梳賈卡織物編織原理

1.1 多梳賈卡織物組織結構

多梳賈卡經編織物由成圈地梳、氨綸梳、賈卡梳和花梳編織而成。成圈地梳穿有細度較低但強度較高的原料，墊紗數碼為1-0/0-1//，形成開口編鏈，用以編織輕薄、結實的地組織。氨綸梳穿有氨綸彈性紗，墊紗數碼為0-0/1-1//，形成單針襯緯組織襯在編鏈線圈延展線中，用以改變織物懸垂性和彈性。賈卡梳與成圈地梳一樣，所穿紗線較細但強度較高，基本墊紗為0-0/2-2//，配合賈卡提花裝置與地梳編鏈一起形成大小不同的賈卡網眼、厚組織、薄組織等，其中網眼是影響多梳賈卡經編織物變形效果的重要因素?；ㄊ岣鶕ㄐ托枰龃筢樉嗟臋M移墊紗以生成主體花紋。

1.2 襯緯型賈卡提花原理

襯緯型賈卡梳櫛不進行針前墊紗無法形成線圈圈干，只通過延展線使編鏈縱行相連。賈卡針在提花裝置控制下通過偏移形成不同組織，提花信息用賈卡意匠圖來表示，使用紅、綠、藍、白4種顏色代表不同厚薄的組織，紅色代表厚效應，綠色和藍色代表薄效應，白色代表網孔效應。每個意匠格代表1個線圈縱行和2個線圈橫列，使用字母H表示該橫列的針背橫移按花盤基本墊紗橫移，字母T表示該橫列的針背橫移在花盤基本墊紗的基礎上向左疊加1個針距，4種顏色和提花信息的對應關系如表1所示。4種賈卡墊紗如圖1所示。

表1 襯緯型賈卡提花原理Tab.1 Jaquard principle of inlay

同時需要注意，因賈卡效應在偶數橫列存在滯后性，在將賈卡意匠顏色轉換提花信息時，需要將偶數橫列的信息右移1格，即賈卡提花控制信息值RT=1[7]。

2 多梳賈卡織物質點彈簧建模

經編線圈由線圈主干和延展線組成，線圈縱向相互穿套形成線圈縱行，縱行之間通過線圈延展線連接并將線圈質量抽象為規則排列的一系列離散質點，質點間由忽略質量的輕質彈簧連接[8]。

2.1 織物質點建模

同一縱行當前橫列的線圈根部總是和前1橫列的線圈圈弧相連，連接處稱為線圈穿套點，將每個穿套點作為線圈質點，如圖2所示。

假設花型循環大小R=M×(N-1)，其中M表示循環內線圈縱行數，N表示循環內每個縱行上的橫列數，則循環內的織物質點數Z=M×N。用矩陣ZM×N表示循環內的質點集合，如式(1)所示。

(1)

式中m和n分別表示集合內某質點的縱行編號和橫列編號。

2.2 地梳質點彈簧建模

地梳為織物提供結構穩定的地組織結構，成圈地梳所穿紗線只在同一枚織針上成圈形成編鏈組織，且縱行之間無聯系，只在同一縱行相鄰2個橫列線圈之間以延展線連接，將延展線抽象為在上下2個質點P(m，n)和P(m，n+1)之間提供縱向結構的彈簧，如圖3所示。則花型循環內共有M×(N-1)個縱向結構彈簧。

2.3 氨綸梳質點彈簧建模

氨綸梳穿的彈性氨綸紗只襯在同一個編鏈縱行延展線內，氨綸紗具有較強的張力，使得同一縱行相鄰橫列的線圈收縮在一起。將單針襯緯氨綸紗抽象為作用于每個質點上的卷曲彈簧，如圖4(a)所示，則1個循環內共有M×N個卷曲彈簧。當質點P(m，n-1)、P(m，n)、P(m，n+1)不共線時，質點P(m，n)上的卷曲彈簧對質點P(m，n-1)和P(m，n+1)產生力的作用，彈力Fpol大小為

(2)

式中：θ為質點P(m，n)分別與質點P(m，n-1)和P(m，n+1)的連線之間的夾角，Kpol為氨綸的卷曲彈性系數，彈力方向分別與線段P(m，n-1)P(m，n)和P(m，n)P(m，n+1)垂直[9]，如圖4(b)所示。

2.4 襯緯型賈卡梳質點彈簧建模

賈卡梳櫛一般使用經軸送經，每根導紗針所穿紗線在同一橫列送經量相同，針背橫移大的導紗針上的紗線比針背橫移小的導紗針上的紗線的張力大，較大張力的紗線使其約束的編鏈縱行之間產生較強的收縮趨勢。

襯緯賈卡梳質點彈簧模型中將襯緯賈卡延展線抽象為左右質點縱行間的結構彈簧。常見的花邊織物，成品縱密為橫密的3～4倍，賈卡延展線與編鏈縱行的夾角大于45°，以橫向紗線的形態呈現，所以將襯緯賈卡簡化為質點間的橫向結構彈簧。賈卡基本墊紗組織和賈卡提花信息決定了橫向結構彈簧的自然長度和變形量。

某橫列延展線連接的線圈縱行由當前橫列的提花信息和下一橫列的提花信息共同決定，假設橫向結構彈簧連接的2個質點為P(((n+1)mod 2)+c+t1，n)和P(((n+1+1)mod 2)+c+t2，n+1)，其中：n為縱向橫列編號，mod表示進行除運算后返回余數；c為賈卡導紗針編號；t為提花數據值，當提花信息為H時t=0，提花信息為T時t=1。橫向結構彈簧與橫列編號和提花數據的關系如表2所示。對應的橫向結構彈簧形態如圖5所示。

表2 橫向結構彈簧形變Tab.2 Spring model of Jacquard bar

由表2可知，當((n+1)mod 2)+c+t1和((n+1+1)mod 2)+c+t2相等時，彈簧連接的2個質點位于同一縱行上，所以不建立橫向結構彈簧。

2.5 花梳質點彈簧建模

花梳一般穿有較粗的紗線作較大針背橫移，由紗架按需供紗，屬于消極送紗，紗線在織物中的松緊狀態由紗架上的紗線張力器控制。花梳紗線的張力引起其約束的編鏈縱行之間產生收縮趨勢，花梳質點彈簧模型中將花梳延展線抽象為該橫列左右質點縱行間的約束彈簧，且只約束每橫列延展線連接的左右端質點，如圖6所示。

本文模擬多梳賈卡織物平展在桌面時的形態，質點受到的重力和桌面提供的支持力相互抵消，因此在模擬過程中不考慮這2種力的影響。

3 質點彈簧模型受力變形

3.1 質點受力分析

假設花型循環為4×4，賈卡提花意匠圖如圖7(a)所示，其中RT=1，對應的墊紗如圖7(b)，質點彈簧模型中4類彈簧的復合如圖7(c)所示。

每個質點都受到縱向結構彈簧和卷曲彈簧作用力，一些質點還受到橫向結構彈簧和花梳約束彈簧的作用力。

(3)

其中縱向結構彈簧作用力為

(4)

縱向結構彈簧阻尼力為

(5)

橫向結構彈簧作用力為

(6)

橫向結構彈簧阻尼力為

(7)

(8)

約束彈簧作用力為

(9)

約束彈簧阻尼力為

(10)

3.2 形變模擬數值計算

多梳賈卡經編織物中線圈個數較多，為減少模擬過程中的計算時間，使用顯示歐拉方法求解[10]。

假設在初始狀態織物所受的外力之和為0，質點均勻分布在織物中，卷曲彈簧處于彈簧平衡狀態，縱向彈簧的自然長度為線圈高度h，橫向結構彈簧、約束彈簧的自然長度與線圈圈距w比值分別為rjac、rpat，且rjac<1，rpat<1，rjac

為保證織物的寬度和長度與成品花寬和成品花高一致，對織物的邊緣質點進行約束，具體方法為在計算過程中對邊緣質點施加一個與彈簧合力反向的外力，使作用在質點上合力為0，則該質點加速度和速度都為0，質點位置不發生變化。

4 多梳賈卡織物的形變模擬

根據建立的質點彈簧模型，利用Visual C++語言實現多梳賈卡織物的形變模擬。模擬系統的運行環境為intel Core CPU i3 550、2 GB RAM、Windows 7 OS。下面分別列舉了2個不同的局部織物圖以及利用模型計算出的對應仿真圖。

樣例1：花高182橫列，花寬86縱行，成品縱密21橫列/cm，成品橫密11.5縱行/cm，模擬耗時158 ms。

樣例2：花高124橫列，花寬56縱行，成品縱密21橫列/cm，成品橫密11.5縱行/cm，模擬耗時60 ms。

圖8、9分別示出樣例1、樣例2的工藝設計圖、仿真圖與實物圖。對比可知：基于質點彈簧模型的多梳賈卡織物形變模擬效果與實際織物相似度較高，說明該模型的可行性；且2個樣例的仿真時間很短，仿真效率較高，滿足實時模擬的要求。

5 結 語

1)根據多梳賈卡織物結構特點，引入縱向結構彈簧、橫向結構彈簧、約束彈簧和卷曲彈簧建立了適用于其結構形變仿真的質點彈簧模型。模型表示形式直觀，可用公式顯式計算，易于計算機程序實現。

2)基于建立的質點彈簧模型研究了線圈質點因組織結構變化在結構彈簧、約束彈簧和卷曲彈簧復合作用下的受力；采用效率較高的顯式歐拉法進行力學數值計算，可滿足織物形變模擬過程的實時性要求。

3)通過實際工藝舉例，利用建立的質點彈簧模型和受力變形算法對花型進行形變模擬，并將其與實際打樣的織物進行對比，驗證了所建質點彈簧模擬和形變算法的正確性和實用性，實現了多梳賈卡織物的快速、高效仿真。

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Structural deformation and simulation of multi-bar jacquard fabrics

ZHANG Aijun, JIANG Gaoming, LI Xinxin, CONG Honglian

(EngineeringResearchCenterforKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Deformation, caused by various jacquard meshes, is the key core of simulation for multi-bar jacquard fabrics. To perfect its deformation simulation, a tailored mass-spring model is built in agreement with structure features and jacquard theory. With this model, ground pillars are referred to as particles, while underlap between two courses is referred to as a longitudinal structural spring. Similarly, spandex inlay is referred to as coil spring, jacquard inlay as transverse structural spring and pattern lapping as restriction spring. Resultant force on particles by these four springs is calculated to analyze motion state and simulate deformation with explicit Euler method. Finally, simulated deformation based on the mass-spring model is proved accurate when compared with real samples.

warp knitting; multi-bar; jacquard; mass-spring; deformation; simulation

10.13475/j.fzxb.20151005406

2015-10-24

2016-04-06

中央高校基本科研業務費專項資金重點項目(JUSRP51404A)；江蘇省產學研項目(BY2015019-31)

張愛軍(1982—)，男，博士生。主要研究方向為數字紡織技術。蔣高明，通信作者，E-mail:jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 941.26

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