經編間隔織物結構參數對振動性能的影響

楊慧娟，呂志軍，杜趙群

(東華大學 a. 紡織面料技術教育部重點實驗室； b. 機械工程學院， 上海 201620)

經編間隔織物結構參數對振動性能的影響

楊慧娟a，呂志軍b，杜趙群a

(東華大學 a. 紡織面料技術教育部重點實驗室； b. 機械工程學院， 上海 201620)

摘要：采用敲擊法和模擬地面隨機振動法對坐墊用經編間隔織物實施振動力學性能測量，分析其阻尼比、固有頻率和剛度等振動特征值，并討論該3個振動特征值與經編間隔織物結構參數之間的關系.通過敲擊法和模擬地面隨機振動法對試樣施加激勵，由兩個加速度計對輸入和輸出的加速度信號進行測量，獲得加速度-時間曲線，計算試樣的阻尼比、固有頻率和剛度.對試樣振動傳遞性能的分析，可用于指導和改進經編間隔織物的結構設計，滿足人們對坐墊舒適性的要求.關鍵詞： 經編間隔織物； 剛度； 共振頻率； 阻尼比； 振動

經編間隔織物是一種立體紡織結構材料，由兩個系統的表層織物和連接上、下兩個表層織物的間隔紗構成的中間層組成[1-2].經編間隔織物中間層的空隙結構賦予其良好的透氣透濕、抗壓回彈、隔音減振、過濾等物理性質[3-6]，并廣泛應用于服裝、醫療、農業、建筑、汽車等多個領域[7-9].現有坐墊的填充物主要為聚氨酯等泡沫材料，其不透氣、不透濕，難以滿足長時間乘車的乘客舒適性要求，尤其是體質虛弱的老人以及行動不便的殘疾人對舒適性和健康的要求，且泡沫材料制備過程中污染大.而經編間隔織物作為坐墊時，其存在傳熱、傳濕的中間層，可保持良好的透通性，提供舒適的微環境.與經編間隔織物相比，聚氨酯泡沫材料的透通性較差，且易造成熱量和濕氣的聚集，讓人產生不適之感[10].但是，經編間隔織物在車輛坐墊、輪椅等使用過程中，由于車輛的機械振動和地面的不平坦造成的顛簸，車輛或輪椅運動過程中瞬時的垂直振動頻率與人體固有頻率接近時，導致乘客產生極度的不舒適，甚至產生眩暈、嘔吐等癥狀，特別是年邁體弱的老人，由于振動激烈可能導致傷害.故對坐墊材料而言，動態振動力學性能是評價人體乘車坐姿條件下舒適程度的主要性能，其減振性能也是衡量材料作為坐墊而賦予人體舒適性的重要性能，主要與經編間隔織物的振動性能有關.

因此，本文設計不同結構參數(包括間隔絲排列、直徑、墊絲角度、織物的厚度和面密度等)的經編間隔織物，實施振動傳遞性能測量，探討經編間隔織物結構與振動特征指標的相關性，通過指導合理設計結構參數，使其振動傳遞頻率避開人體的固有頻率，賦予乘客坐姿時良好的動態舒適性.

1試驗

1.1試驗樣品

間隔織物原料的選擇是由最終用途決定的，本文探討的織物性能主要應用于坐墊類產品，而間隔絲是主要的受力單元，所以間隔絲應采用具有一定抗彎剛度的單絲.本文選用的間隔織物表面層紗線為滌綸復絲，間隔絲為滌綸單絲.

由于采用單因素進行分析，因此，試樣織物的結構參數需具有一定變化規律.這里選擇17種不同規格的經編間隔織物進行振動對比試驗，其規格參數如表1所示.其中，橫密是沿線圈橫列方向5cm的線圈個數，縱密是沿線圈縱行方向(編織方向)5cm的線圈個數，網眼數是織物25cm2內的網孔個數，每種間隔織物的橫密、縱密、網眼數各測量5次，求平均值；墊絲角度是經編間隔織物與間隔絲交點的切線與表面的夾角，測量10次，求平均值；間隔紗排列是由中間兩把梳櫛針背墊紗運動針數決定，有“X”和“V”兩種形式；面密度是經編間隔織物單位面積質量，測量5次，求平均值；厚度是經編間隔織物上、下表面的距離，測量5次，求平均值；間隔絲直徑采用BEION F16型纖維細度儀采集間隔絲的投影圖像測量，選取20根間隔絲，每根間隔絲上選取5個位置測量，求平均值.

表1　17種經編間隔織物規格參數

1.2試驗方法

采用GB/T 8169—2008《包裝用緩沖材料振動傳遞性試驗方法》和GB/T 19739—2005《機械振動與沖擊 手臂振動 手臂系統為負載時彈性材料振動傳遞率的測量和評價方法》，對經編間隔織物進行振動測試.將織物樣品剪成20cm×20cm的正方形，放置于振動臺面，將質量為3kg、直徑為130mm的鐵質質量塊置于試樣上，質量塊上面有直徑為3mm、等距分配的圓孔，內層圓孔中心距質量塊中心距離為45mm，外層圓孔中心與質量塊中心的距離為55mm，用于約束試樣，防止水平移動.用壓電式加速度計測量振動臺面上的加速度和質量塊上的加速度，用數據采集器對采集的加速度信號進行采集.經編間隔織物振動測試示意圖如圖1所示.

圖1　經編間隔織物振動測試示意圖Fig.1　　　　Schematic of vibration test of 　　　warp-knitted spacer fabrics

2結果與分析

2.1阻尼比與阻尼系數的測量結果分析

采用敲擊法測量經編間隔織物的阻尼性能，敲

擊時采用柔軟的物體敲擊，避免高頻的影響.故本試驗采用橡皮錘敲擊試樣，獲得振動加速度與時間的曲線，如圖2所示.

圖2　試樣振動加速度-時間曲線Fig.2　Vibration acceleration-time curves of samples

經編間隔織物的阻尼比ξ與阻尼系數c由式(1)和(2)計算獲得.

(1)

(2)

式中：δ為對數減幅率；Ai為第i個波峰的幅值；Ai+N為第i+N個波峰的幅值；k為經編間隔織物的壓縮剛度；m為鐵質質量塊的質量，由于質量塊質量遠大于經編間隔織物質量，計算中忽略經編間隔織物質量.試樣的阻尼特征參數測試結果如表2所示.

表2　試樣阻尼比和阻尼系數測試結果

阻尼橡膠的阻尼比一般為0.05～2.50，聚酯泡沫材料的阻尼比為0.05左右.由表2可以看出，經編間隔織物具有較好的阻尼性能，是一種性能優異的減振材料.結合表1中試樣結構參數的分析，可得各參數對經編間隔織物的阻尼性能影響如下所述.

(1) 厚度對阻尼性能的影響.試樣1，2，3的厚度分別13.23，9.10，6.27mm，阻尼比分別為0.145， 0.105，0.092，由此可以看出，隨著織物厚度的減小，其阻尼比逐漸降低.文獻[11]推導出織物的壓應力與厚度的二次方倒數成正比例關系，即間隔距離越大，間隔絲的不穩定性能增加，間隔絲越容易發生彎曲變形，其抗壓彈性越差，則消耗能量的彎曲變形越大，阻尼比越大.

(2) 間隔絲排列形式對阻尼性能的影響.試樣4和7間隔絲的排列分別為V形和X形，阻尼比分別為0.121和0.132，由此可以看出，間隔絲呈X形式排列的要比V形排列的織物的阻尼比大.當間隔絲呈X形排列時，兩表面間的間隔絲交叉形成了雙鋸齒形，織物抗壓彈性好，但織物表層結構與間隔絲的干摩擦阻尼以及間隔絲間的黏滯阻尼增加，使阻尼比增大.

(3) 墊紗角度對阻尼性能的影響.試樣15，14，16的墊紗角度分別為44.9°，31.5°，18.9°，阻尼比分別為0.134，0.114，0.093，由此可以看出，墊紗角度越大，阻尼比越大.這是因為隨著墊紗角度的減小，間隔絲沿軸向的角度增大，間隔絲所受內部空氣作用產生的黏滯阻尼的作用面減小，阻尼比減小.

(4) 間隔絲面密度對阻尼性能的影響.間隔絲面密度是織物單位面積上間隔絲的質量，與單位面積上間隔絲的根數成正比，由于間隔織物其他結構參數基本相同，在此采用間隔織物的面密度代替間隔絲面密度.試樣15和17的面密度分別為552.5和1164.8g/m2， 阻尼比分別為0.134和0.172，由此可以看出，隨著面密度增大，阻尼比增大.這是由于間隔織物面密度越大，單位面積內間隔絲的根數越多，間隔絲間的黏滯阻尼及表層結構與間隔絲間的干摩擦阻尼越大，阻尼比越大.

(5) 間隔絲直徑對阻尼性能的影響.試樣3，12，6和8，9的間隔絲直徑分別為190.0，167.6，132.6μm和157.3，180.9μm，阻尼比分別為0.092，0.089，0.078 和0.109，0.155，由此可以看出，隨著間隔絲直徑的增加，阻尼比增大.間隔絲直徑越大，受到力的作用時單根間隔絲能夠承受的力越大，消耗能量的彎曲變形越大，阻尼比越大.

(6) 織物不同結構對阻尼性能的影響.試樣5，10，11，13的直徑、面密度、厚度、間隔絲排列形式、直徑、墊紗角度各不相同，其阻尼比分別為0.126，0.089，0.081，0.161，由此可以看出，織物不同結構參數對其阻尼性能的交叉影響.

2.2系統共振頻率與剛度的測量結果分析

本文采用模擬地面隨機振動法測量分析系統的振動頻率以及間隔織物的剛度.通過傅里葉變換，將測量得到的加速度-時間曲線轉換成加速度-頻率曲線，采用輸出加速度與輸入加速度的比值來表征加速度傳遞系數，畫出頻率-加速度傳遞系數的關系曲線，結果如圖3所示.

圖3　試樣振動加速度傳遞系數-頻率曲線Fig.3　　　　Vibration acceleration transmissibility-frequency　　　curves of samples

由圖3可知，間隔織物加速度傳遞系數較大，最大加速度傳遞系數對應的是系統加速度共振頻率，頻率范圍集中在25～45Hz.振動位移、速度、加速度的幅值各自達到極值時的情況稱為共振，3種共振頻率是不同的，只有速度共振頻率等于系統固有頻率.達到共振時系統固有頻率與加速度共振頻率關系為

(3)

式中：m為質量塊質量；ωn為系統固有圓頻率；ω為系統加速度共振圓頻率；fn和f分別為系統固有頻率和系統加速度共振頻率.由于質量塊質量遠大于間隔織物質量，在計算時忽略織物質量.試樣剛度、共振頻率與固有頻率測試結果如表3所示.

表3　試樣剛度、共振頻率與固有頻率測試結果

由表3可以看出，間隔織物結構參數對其固有頻率、剛度具有顯著影響.各結構參數對經編間隔織物固有頻率、剛度的影響如下所述.

(1) 間隔織物面密度對其固有頻率、剛度的影響.試樣15和17的面密度分別為552.5和1164.8g/m2， 間隔織物固有頻率分別為36.27和45.66Hz，剛度分別為12.981×104和20.364×104N/m，由此可以看出，隨著間隔織物面密度增大，其固有頻率和剛度也增大.這是由于間隔織物面密度越大，單位面積內承受外力的間隔絲根數越多，間隔織物抗壓彈性越好，固有頻率越大，剛度也越大.

(2) 間隔絲墊紗角度對間隔織物固有頻率、剛度的影響.試樣15，14，16的墊紗角度分別為44.9°，31.5°，18.9°，間隔織物固有頻率分別為36.27，32.01，31.97Hz，剛度分別為12.981×104,10.109×104，9.465×104N/m，阻尼比分別為0.134，0.114，0.093，由此可以看出，間隔絲墊紗角度越小，固有頻率越小，剛度越小.間隔織物的振動傳遞性能主要是由于間隔絲在外部激勵下沿著間隔絲軸向的彎曲變形引起的，隨著間隔絲墊紗角度的減小，則間隔絲沿軸向的角度增大，因此當外力作用于間隔織物時，沿著間隔絲軸向的分力減小，垂直方向的有效承載面積減小，間隔織物抗壓彈性變差，剛度和固有頻率均減小.

(3) 間隔絲排列形式對間隔織物固有頻率、剛度的影響.試樣4和7間隔絲的排列分別為V形、X形，固有頻率分別為30.54和34.14Hz，剛度分別為11.046×104和 13.804×104N/m，由此可以看出，間隔絲呈X形排列的間隔織物的固有頻率和剛度要比V形排列的大.當間隔絲呈X形排列時，兩表面間的間隔絲交叉形成了雙鋸齒形，間隔織物穩定性能好，抗壓彈性好，剛度和固有頻率均增大.

(4) 厚度對間隔織物固有頻率、剛度的影響.試樣1，2，3的厚度分別13.23，9.10，6.27mm，固有頻率分別為27.65，35.60，41.39Hz，剛度分別為9.055×104，15.010×104,20.290×104N/m，由此可以看出，隨著織物厚度的增加，其固有頻率逐漸降低，剛度逐漸減小.間隔織物越厚，間隔絲的不穩定性能增加，間隔絲越容易發生彎曲變形，其抗壓彈性越差，剛度越小，固有頻率也越小.

(5) 間隔絲直徑對間隔織物固有頻率、剛度的影響.試樣3，12，6和8，9的間隔絲直徑分別為190.0，167.6，132.6μm和157.3，180.9μm，固有頻率分別為41.39，36.23，34.29Hz和30.99，34.09Hz，剛度分別為20.290×104,15.033×104,13.926×104N/m和11.374×104,13.764×104N/m，由此可以看出，隨著間隔絲直徑的增加，剛度和固有頻率均增大.間隔絲直徑越大，受到力的作用時單根間隔絲能夠承受的力越大，其壓彈性越好，剛度越大，固有頻率越大.

(6) 織物不同結構對其固有頻率、剛度的影響.試樣5，10，11，13間隔織物的直徑、面密度、厚度、間隔絲排列形式、直徑、墊紗角度各不相同，其固有頻率分別為22.68，29.89，32.29，28.24Hz，剛度分別為6.092×104，10.581×104，12.349×104，7.160×104N/m，由此可以看出，織物不同結構參數對其固有頻率和剛度的交叉影響.

3結語

本文采用敲擊法和模擬地面隨機振動法對經編間隔織物施加激勵振動試驗測量，計算了間隔織物的共振頻率、剛度以及阻尼比，分析了織物基本結構參數與共振頻率、剛度以及阻尼比的關系.采用敲擊法獲得阻尼比與間隔織物結構參數關系：間隔織物厚度越大，其阻尼比越大；間隔絲呈X形式排列的要比V形排列的織物的阻尼比大；間隔絲墊紗角度越大，阻尼比越大；織物面密度越大，阻尼比越大；間隔絲直徑越大，阻尼比越大.試樣阻尼比范圍為0.081～0.172， 表明間隔織物是一種性能較好的緩沖材料.采用模擬地面隨機振動法獲得固有頻率和剛度與織物結構參數關系：間隔織物面密度越大，其固有頻率和剛度越大；間隔絲墊紗角度越小，固有頻率和剛度越小；間隔絲呈X形式排列的間隔織物的固有頻率和剛度要比V形排列的大；間隔織物厚度越大，固有頻率和剛度越小；間隔絲直徑越大，固有頻率和剛度越大.間隔織物試樣的固有頻率范圍為25～45Hz，剛度范圍為6.0×104～2.0×105N/m.間隔織物作為坐墊材料時，應通過合理設計其結構參數，避免由坐墊傳遞到人體的頻率與人體比較敏感的頻率范圍重合，減小共振的發生.

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Effects of Structural Parameters of Warp-Knitted Spacer Fabrics on Vibration Property

YANGHui-juana,LüZhi-junb,DUZhao-quna

(a. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education;b. College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Both knocking method and random vibration method were adopted to measure the vibration property of warp-knitted spacer fabrics for mat products, and damping ratio, intrinsic frequency and stiffness were calculated to analyze relationships with structural parameters of warp-knitted spacer fabrics. Based on the exciting signals excited by both knocking method and random vibration method, acceleration and time curves were acquired by two accelerometers respectively recording the input and output signals, and the damping ratio, intrinsic frequency and stiffness were then calculated. Through analyzing the performance of vibration transmission, the structure design of spacer fabric can be improved so that it can achieve the dynamic comfort to meet people’s requirement.

Key words:warp-knitted spacer fabric; stiffness; resonant frequency; damping ratio; vibration

文章編號：1671-0444(2016)02-0208-05

收稿日期：2015-03-24

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11272086, 51203022)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2232014A3-02)；東華大學“勵志計劃”資助項目(B201307)

作者簡介：楊慧娟(1989—)，女，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為功能防護紡織材料的結構與性能.E-mail：2130113@mail.dhu.edu.cn 杜趙群(聯系人)，男，教授，E-mail：duzq@dhu.edu.cn

中圖分類號：TS 101.3

文獻標志碼：A