基于MATLAB對(duì)織物撕裂峰進(jìn)行數(shù)字化判別的研究

程浩南

江西服裝學(xué)院 江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心(中國(guó))

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基于MATLAB對(duì)織物撕裂峰進(jìn)行數(shù)字化判別的研究

程浩南

江西服裝學(xué)院 江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心(中國(guó))

選用3種不同規(guī)格的織物為試樣，利用電子織物強(qiáng)力儀對(duì)試樣進(jìn)行織物單縫撕破強(qiáng)力的測(cè)定，運(yùn)用C語(yǔ)言編寫代碼在MATLAB環(huán)境下對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，通過(guò)對(duì)撕裂曲線的濾波處理方案的確定和單縫法撕裂濾波處理前后曲線的對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)織物撕裂峰的數(shù)字化判別。基于MATLAB對(duì)織物撕裂峰進(jìn)行數(shù)字化判別的結(jié)果表明：均勻撕裂曲線和集束撕裂曲線顯示出較少的曲線波動(dòng)，常見(jiàn)撕裂曲線顯示的曲線波動(dòng)很多。

MATLAB； 單縫法撕裂； 撕裂峰； 數(shù)字化判別

相關(guān)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指出：在強(qiáng)力-伸長(zhǎng)曲線上，斜率由正變負(fù)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的強(qiáng)力值均稱為撕裂峰值，撕裂峰值兩端的上升力和下降力必須確保兩端的上升力和下降力不小于前一峰下降值或后一峰上升值的10%[1]。織物的撕裂曲線中，并不是所有的峰都是撕裂峰，往往存在一些由于滑移等原因造成的不屬于撕裂峰的曲線波動(dòng)。但是現(xiàn)階段撕裂峰的判定主要依靠技術(shù)人員的主觀判斷，因此容易受技術(shù)人員個(gè)體差異的影響。而有關(guān)織物撕裂的研究大多集中在撕裂原理和測(cè)試方法的研究上，有關(guān)撕裂峰的數(shù)字化判斷卻鮮有報(bào)道[2-7]。本研究運(yùn)用C語(yǔ)言編寫代碼在MATLAB(Matrix Laboratory)環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，提出撕裂峰的數(shù)字化判別，為織物撕裂的進(jìn)一步研究提供理論參考。

1　試驗(yàn)

1.1材料

本研究選用了3種不同規(guī)格的試驗(yàn)材料，具體見(jiàn)表1。

表1　試樣規(guī)格與參數(shù)

1.2儀器及步驟

試驗(yàn)采用溫州大榮紡織儀器公司的YG(B)026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)。

根據(jù)GB/T 3917.2—2009 《紡織品 織物撕破性能第2部分：褲形試樣(單縫)撕破強(qiáng)力的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)步驟如下。

——調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室的溫濕度環(huán)境：溫度25 ℃，相對(duì)濕度65%。

——電子織物強(qiáng)力機(jī)的拉伸隔距設(shè)定為100 mm。

——試樣需分別夾入上下夾具中，并確保切割線與夾具的中心線對(duì)齊，試樣的未切割端處于自由狀態(tài)，且試驗(yàn)不需預(yù)加張力。

——啟動(dòng)YG(B)026H型電子織物強(qiáng)力機(jī)，設(shè)定拉伸速率為100 mm/min，拉伸隔距每增加0.05 mm跟蹤記錄一次強(qiáng)力值，測(cè)試數(shù)據(jù)利用Excel統(tǒng)計(jì)并輸出。

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1數(shù)據(jù)處理方法的選擇

撕裂曲線中的波動(dòng)并不都是撕裂峰，為便于撕裂峰數(shù)字化判別所用參數(shù)的確定，本研究運(yùn)用C語(yǔ)言編寫代碼在MATLAB環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，即對(duì)抽樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。

MATLAB是20世紀(jì)70年代末Math Works公司的首席科學(xué)家Clever Moler博士在研究線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摵蛿?shù)值計(jì)算過(guò)程中設(shè)計(jì)的一個(gè)工具軟件。該軟件具有非常規(guī)范的輸出數(shù)據(jù)組織形式、強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力、專業(yè)的工具箱、現(xiàn)成的功能子程序和優(yōu)秀的圖形界面等，已成為科學(xué)研究和工程技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中廣泛應(yīng)用的一個(gè)軟件工具[8]。用戶在MATLAB軟件的運(yùn)行環(huán)境下，可以集成進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出和文件管理等多項(xiàng)操作[9-10]。

利用MATLAB的強(qiáng)大運(yùn)算功能，基于MATLAB信號(hào)處理工具箱的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)法，可以快速有效地設(shè)計(jì)由軟件組成的常規(guī)數(shù)字濾波器。設(shè)計(jì)方便、快捷，極大地減輕了工作量，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中可對(duì)比濾波器特性，隨時(shí)更改參數(shù)，以達(dá)到濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

2.2數(shù)據(jù)分析處理流程圖

數(shù)據(jù)分析處理流程如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)分析處理流程圖

3　撕裂曲線的濾波處理方案及其確定

織物的撕裂曲線中，并非所有的峰都是撕裂峰，因此在對(duì)撕裂曲線進(jìn)行分析之前首先應(yīng)進(jìn)行曲線的過(guò)濾，濾除那些不屬于撕裂峰的曲線波動(dòng)。

3.1曲線濾波方法的選擇

根據(jù)傳統(tǒng)的撕裂峰定義，運(yùn)用C語(yǔ)言編寫代碼，對(duì)撕裂曲線進(jìn)行濾波處理，去除一些不屬撕裂峰的曲線波動(dòng)。具體擬定了以下3種方案。

方案1：取先舍后，即當(dāng)相鄰兩峰值點(diǎn)間距小于t時(shí)，保留前一峰值，去除后一峰值。圖2(a)所示為濾波處理前撕裂曲線，若t1

(a) 濾波處理前　(b) 濾波處理后

對(duì)于撕裂曲線的過(guò)濾而言，這種方法可以有效地保留較小的撕裂峰值，但某些相對(duì)較大的峰值可能會(huì)被去掉，如圖2(b)所示。

方案2：取大舍小，即當(dāng)相鄰兩峰值點(diǎn)間距小于t時(shí)，保留較大的一個(gè)峰值，去除較小的峰值。如圖3(a)為濾波處理前的撕裂曲線，若t1

(a) 濾波處理前　(b) 濾波處理后

對(duì)于撕裂曲線的過(guò)濾而言，這種方法可以有效保留較大的撕裂峰值，但某些相對(duì)較小的峰值可能會(huì)被去掉，如圖3(b)所示。

方案3：峰距法，即當(dāng)相鄰兩谷值間距小于t時(shí)，去除這一曲線波動(dòng)，連接兩個(gè)谷值點(diǎn)。圖4(a)所示為濾波處理前撕裂曲線，若t1t，則去除t1段內(nèi)的曲線波動(dòng)，處理后的曲線如圖4(b)所示。

該方法對(duì)于撕裂曲線的過(guò)濾而言，優(yōu)點(diǎn)是可以有效地保留撕裂峰，但其在過(guò)濾掉不是撕裂峰的曲線波動(dòng)的同時(shí)容易引起新的曲線波動(dòng)。

(a) 濾波處理前　(b) 濾波處理后

綜合這3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究選用方案3對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。處理過(guò)程引起的新的曲線波動(dòng)，可通過(guò)對(duì)曲線的再次過(guò)濾處理以消除。為方便起見(jiàn)，本研究設(shè)定相鄰兩谷值間距為峰距，亦即單個(gè)撕裂峰的寬度，用t表示。

3.2撕裂曲線濾波處理的參數(shù)選擇

為能有效地過(guò)濾撕裂曲線，針對(duì)撕裂峰的選取原則，本研究引入峰距(t)、撕裂峰波動(dòng)范圍(H)、上升力值(F1)和下降力值(F2)4個(gè)參數(shù)(圖5)。

圖5　撕裂曲線過(guò)濾參數(shù)

——峰距(t)。撕裂曲線中兩個(gè)谷值點(diǎn)之間的距離。

——撕裂峰波動(dòng)范圍(H)。撕裂曲線中最大峰值點(diǎn)與最小谷值點(diǎn)之間的力值差。

——上升力值(F1)。撕裂曲線中峰值點(diǎn)與相鄰的前一個(gè)谷值點(diǎn)的力值差。

——下降力值(F2)。撕裂曲線中峰值點(diǎn)與相鄰的后一個(gè)谷值點(diǎn)的力值差。

3.3單縫法撕裂曲線中判定撕裂峰所用參數(shù)的確定

通過(guò)對(duì)各種類型撕裂曲線的分析研究及大量驗(yàn)證，初步確定了單縫法撕裂曲線中所用參數(shù)。

——t的確定。tmin=0.4mm，即當(dāng)峰距t≤0.4mm時(shí)曲線的波動(dòng)不能算作撕裂峰。

——F1的確定。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于撕裂峰選取的要求，確定F1min=H×10%，即當(dāng)上升力值小于H×10%時(shí)，曲線波動(dòng)不能算作撕裂峰。

——F2的確定。通過(guò)對(duì)不同撕裂曲線的分析對(duì)比，最終確定1∶4

4　單縫法撕裂濾波處理前后曲線的對(duì)比分析

織物在拉伸撕裂過(guò)程中，單縫法撕裂曲線峰的形狀不僅受拉伸系統(tǒng)中經(jīng)、緯紗滑動(dòng)程度和撕裂三角區(qū)紗線聚積量的影響，還受非拉伸系統(tǒng)中紗線從織物中抽出情況的影響，導(dǎo)致試驗(yàn)得出的撕裂曲線形狀多樣，不利于后續(xù)的理論分析。本研究參考相關(guān)研究成果[11]，根據(jù)單縫法撕裂曲線的峰形，將撕裂曲線分為均勻撕裂曲線、常見(jiàn)撕裂曲線和集束撕裂曲線3類。

4.1均勻撕裂曲線

圖6為出現(xiàn)均勻撕裂的1#織物在拉伸速率為100 mm/min時(shí)的經(jīng)向撕裂曲線。其中，圖6(a)是濾波處理前的撕裂曲線，圖6(b)是對(duì)原撕裂曲線進(jìn)行濾波處理后的曲線。

由圖6(b)可見(jiàn)，撕裂曲線得到了有效過(guò)濾。對(duì)比處理前后的撕裂曲線，可以發(fā)現(xiàn)濾波處理前后的撕裂曲線差異較小，撕裂強(qiáng)力變化不明顯。由此可見(jiàn)：均勻撕裂曲線中不屬于撕裂峰的曲線波動(dòng)很少。

(a) 濾波處理前的撕裂曲線

(b) 濾波處理后的撕裂曲線

圖61#織物濾波處理前后的撕裂曲線

4.2常見(jiàn)撕裂曲線

圖7為出現(xiàn)常見(jiàn)撕裂的2#織物在拉伸速率為100 mm/min時(shí)的經(jīng)向撕裂曲線。其中，圖7(a)是濾波處理前的撕裂曲線，圖7(b)是對(duì)原撕裂曲線進(jìn)行濾波處理后的曲線。

(a) 濾波處理前的撕裂曲線

(b) 濾波處理后的撕裂曲線

圖72#織物濾波處理前后的撕裂曲線

由圖7(b)可見(jiàn)，撕裂曲線得到了較為有效的過(guò)濾。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，處理前后撕裂曲線形態(tài)變化較大，說(shuō)明常見(jiàn)撕裂曲線中不屬于撕裂峰的曲線波動(dòng)很多。

4.3集束撕裂曲線

圖8為出現(xiàn)集束撕裂的3#織物在拉伸速率為100 mm/min時(shí)的經(jīng)向撕裂曲線。其中，圖8(a)是濾波處理前的撕裂曲線，圖8(b)是對(duì)原撕裂曲線進(jìn)行濾波處理后的曲線。

(a) 濾波處理前的撕裂曲線　　　　(b) 濾波處理后的撕裂曲線

由圖8(b)可見(jiàn)，撕裂曲線得到了有效的過(guò)濾。對(duì)比處理前后的撕裂曲線，可以發(fā)現(xiàn)濾波處理前后撕裂曲線差異較小，撕裂負(fù)荷變化不明顯。由此可見(jiàn)，集束撕裂曲線中不屬于撕裂峰的曲線波動(dòng)很少。

5　結(jié)論

——運(yùn)用C語(yǔ)言編寫代碼在MATLAB環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，可以有效地對(duì)撕裂峰進(jìn)行數(shù)字化判別。

——基于MATLAB對(duì)均勻撕裂曲線、常見(jiàn)撕裂曲線和集束撕裂曲線數(shù)字濾波處理后進(jìn)行數(shù)字化判別，結(jié)果表明：均勻撕裂曲線和集束撕裂曲線顯示的曲線波動(dòng)較少，常見(jiàn)撕裂曲線顯示的曲線波動(dòng)很多。

[1]紡織品 織物撕破性能 第2部分:褲形試樣(單縫)撕破強(qiáng)力的測(cè)定:GB/T 3917.1—2009[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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Research on fabric tearing peak digitized discrimination based on MATLAB

ChengHaonan

Jiangxi Provincial Modern Research Center of Clothing Engineering Technology，Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang/China

The three different sizes of fabrics were selected as experimental materials for tearing strengthmeasurement by electronic fabric strength tester. Digital filter processing for the test data was made through using C language to write codes in the MATLAB environment . The digial discrimination of fabric tearing peak was realized by comparative analysis on the tearing curves before and after the digital processing and the filtering process scheme. The discrimination results showed that the tearing curve volatitlity of even and episode tearing curves were less than the commmon curves.

MATLAB； single-rip tear； tearing peak； digital judgment