懸掛穿孔法測試織物彎曲懸垂性

陳文苗 劉成霞

摘要： 為探究同時測試織物彎曲性和懸垂性的方法，文章以24塊常見機織物為研究對象，分別用斜面懸臂梁法和圓臺法測試抗彎剛度和懸垂系數，之后自行設計懸掛穿孔法測試裝置并進行實驗，提取得到四項特征指標：側輪廓面積、底輪廓面積、載荷峰差值、峰值膨脹角。相關分析和回歸分析的結果表明：懸掛穿孔法可以同時測量織物彎曲性和懸垂性，且四項特征指標都與抗彎剛度、懸垂系數具有高度相關性，得到的兩個回歸方程可用于預測織物整體的抗彎剛度和懸垂系數。懸掛穿孔法只用一塊試樣就能綜合表達織物整體的彎曲懸垂性，既節約測試時間，又節省測試面料。

關鍵詞： 織物;彎曲性懸垂性;抗彎剛度;懸垂系數;懸掛穿孔法

中圖分類號： TS101.923

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2021）08004007

引用頁碼： 081108

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.08.008（篇序）

Measurement of fabric bending and draping properties by hanging & perforating method

CHEN Wenmiaoa， LIU Chengxiaa，b，c

（a.School of Fashion Design & Engineering; b.Zhejiang Province Engineering Laboratory of Clothing Digital Technology;c.Key Laboratory of Silk Culture Heritage and Products Design Digital Technology， Ministry of Culture and Tourism，Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： To investigate fabric bending and draping properties， as well as relevant measurement methods， 24 common woven fabric were selected as the research object. Then， the bending rigidity and draping coefficient were tested using method of cantilever beam on bevel and circular table. Next， a hanging & perforating testing device was designed for the experiment. As a result， four indexes were extracted： lateral outline area， bottom outline basal area， the difference of load peak value with original value， the flare angle with a peak value. Results of correlation analysis and regression analysis indicate that hanging & perforating method can be used to test fabric bending and draping properties simultaneously. And the four indexes are highly correlated with bending rigidity and draping coefficient. Finally， two regression equations obtained can be used to predict the fabric overall bending rigidity and draping coefficient. The hanging & perforating method can comprehensively reflect fabric overall bending and draping properties only by means of a fabric sample. It can save both the testing time and the testing fabric.

Key words： fabric; bending & draping properties; bending rigidity; draping coefficient; hanging & perforating method

收稿日期： 20210301;

修回日期： 20210712

基金項目： 浙江省自然科學基金項目（LY20E050017）

作者簡介： 陳文苗（1996），女，碩士研究生，研究方向為紡織服裝檢測技術。通信作者：劉成霞，教授，glorior_liu@163.com。

彎曲性和懸垂性是影響和決定織物外觀、風格的重要屬性，其測試方法一直受到紡織學者的廣泛關注[1]。目前最常用的方法是斜面懸臂梁法測彎曲性和圓臺法測懸垂性，近年來眾多科技工作者利用新科技與新裝置探究和優化織物彎曲性、懸垂性的測試方法，如利用織物彎曲形態曲線[2]、水滴法[3]及KES-FB型織物風格儀[4]測試織物彎曲性;運用3D掃描技術[5]、三維形態立體測試法[6]及結合神經網絡深度學習[7]測織物懸垂性等。這些方法雖然對彎曲、懸垂性的測試進行了創新，測試精度和效率比傳統方法有了較大提升，但織物彎曲性和懸垂性的測試[8]一直都是分開進行的，且一塊試樣只能測試織物某一方向的彎曲性[9]。而織物具有明顯的各向異性，要想得到織物多方向的彎曲性[10]，需要裁剪多塊試樣進行多次測試，不僅費時費力，還要耗費大量原材料，尤其對于高檔試樣來說，成本耗費較大。

實際上彎曲性和懸垂性是相互影響、密切關聯的，容易彎曲的織物一般有較好的懸垂性;懸垂性差的織物也不易彎曲，比較硬挺，如能將其合二為一，則將大大節約測試時間和成本。針對這一現狀，本文嘗試探索一種能同時測量織物整體彎曲性和懸垂性的方法。

1 實 驗

1.1 試樣的選取與儀器

選取彎曲性和懸垂性差別較大的常見機織物共24種，規格參數如表1所示。

所需儀器：YG（B）022D型自動織物硬挺度試驗儀（溫州際高檢測儀器有限公司），YG811型織物懸垂性測定儀（武漢國量儀器有限公司），INSTRON3367型雙立柱臺式電子試驗機（英斯特朗公司），佳能700D相機（市售）。

1.2 測試織物彎曲性和懸垂性

根據GB/T 18318—2001《紡織品織物彎曲長度的測定》，用YG（B）022D型自動織物硬挺度試驗儀測試織物經向（0°）、緯向（90°）、45°、135°四個方向（每個方向5塊試樣求平均值）的抗彎剛度，并計算平均抗彎剛度B（cN·cm）作為最終結果;根據GB/T 23329—2009《紡織品織物懸垂性的測定》，用YG811型織物懸垂性測定儀測試懸垂系數F。所有測試均在恒溫恒濕的標準大氣環境中進行，結果如表1所示。

1.3 懸掛穿孔法測試織物彎曲懸垂性

1.3.1 測試裝置及原理

實驗裝置由提升桿（其下端設有直徑3 cm的小圓臺）、圓孔蓋（外圓直徑24 cm和內圓直徑5 cm的圓環形）、無孔蓋（直徑24 cm）、外筒壁（直徑24 cm）組成，如圖1（a）所示。圓孔蓋的孔徑是經過多次預實驗后確定的，研究發現直徑5 cm最合理，孔徑過小會導致織物穿孔過程中受摩擦力影響過大，提拉所需的載荷值與織物的彎曲懸垂性相關性較差，實驗結果不理想;而孔徑過大會使一些較柔軟、極易懸垂的織物穿孔時過于輕松，提拉所需的載荷峰值非常不明顯，實驗結果也不理想。圓孔直徑在5 cm左右時，穿孔提拉時的載荷峰值較明顯，且比較穩定。

使織物在提升桿的小圓臺上懸掛并自然下垂，彎曲懸垂性不同的織物形成的形狀也不相同，即通過靜態懸掛形狀來表征織物彎曲懸垂性;然后將帶有織物的提升桿從圓孔蓋的中空圓心勻速穿出，彎曲懸垂性不同的織物在穿孔過程中的

形變和拉力不同，即通過形變和拉力來表征織物彎曲懸垂性，故將其命名為“懸掛穿孔法”。

經研究發現，在提升桿上靜態懸掛下的圓形試樣側截面和底截面各不相同，抗彎剛度和懸垂系數越大的織物，形成的側面和底面面積越大;抗彎剛度、懸垂系數越接近的織物，側面和底面的輪廓形狀、張開角度也非常相似;而在勻速提升織物穿孔的過程中，抗彎剛度和懸垂系數越大的織物，提升所需的拉力也越大，且抗彎剛度和懸垂系數不同的織物，拉力達到峰值時織物收縮形成的輪廓和夾角也不相同，而抗彎剛度和懸垂系數越接近的織物，這些數值也越接近。

1.3.2 實驗準備

1）實驗工具：自制圖1（a）所示的裝置，佳能700D相機，支架，INSTRON3367型雙立柱臺式電子試驗機。

2）實驗試樣：將織物熨燙平整，并裁剪成直徑24 cm的圓形，正中心剪出直徑1 cm的圓孔（用來穿過提升桿）。

3）測試條件：恒溫恒濕的標準大氣環境，室內光照均勻且充足，在測試前已將試樣在此條件下進行調濕24 h。

1.3.3 實驗流程

步驟（1）：將織物中心圓孔穿過提升桿，置于小圓臺上而自然下垂，使提升桿固定在無孔蓋中心，如圖1（b）所示。

步驟（2）：將相機固定在支架上，分別在外筒壁四周等距離處和外筒壁正下方，拍攝織物自然下垂后的形狀。得到試樣的5張靜態照片（包括4張側面圖和1張底面圖）。

步驟（3）：取下無孔蓋，換上圓孔蓋，使提升桿從圓孔蓋中穿出，固定在INSTRON3367型雙立柱臺式電子試驗機的上夾板中，如圖1（c）所示。試驗機的提拉速度為15 mm/min。

步驟（4）：用相機從側面錄制步驟（3）中織物形變視頻，即記錄提升桿在試驗機拉伸力的作用下將試樣從圓孔中緩慢向上提拉，直至被完全抽出，隨后恢復自然下垂形態的整個形變過程。由試驗機可得到時間（s）-載荷（N）的關系曲線。步驟（4）與步驟（3）同時進行。

步驟（5）：利用視頻處理軟件，截取織物從圓孔蓋抽出前的時刻，將其定義為初始時刻（0 s），得到試樣從0～142 s的載荷及形變曲線。

1.3.4 特征值選取

如前所述，彎曲性及懸垂性不同的織物自由下垂形成的形狀輪廓、向上提升時的載荷及形變均不同，因此引入側輪廓面積、底輪廓面積、載荷峰差值、峰值膨脹角作為織物截面特征值。

1）側輪廓面積S：織物懸掛自由下垂時形成的4個側面輪廓面積S1、S2、S3、S4的平均值;

2）底輪廓面積S0：織物懸掛自由下垂時形成的底面輪廓面積;

3）載荷峰差值f1、f2、f3：時間-載荷曲線中的3個載荷峰值與未啟動拉伸時的載荷值之差;

4）峰值膨脹角θ：時間-載荷曲線中，峰值時刻的織物兩條邊緣形成的夾角。兩條邊緣指的是視頻中截取峰值時刻的圖片，此時圖中所能看到的織物以提升桿為頂點張開的最大角的邊緣。

研究發現：織物時間-載荷曲線存在3個峰值，第一個峰值最明顯，此時的膨脹角隨織物的彎曲懸垂性不同而變化更大，所以峰值膨脹角以第一峰值時刻為準。

2 結果與分析

2.1 懸掛穿孔法所得測試結果

表2列出了利用本文提出的懸掛穿孔法測試時的各項指標參數。

將表2中24種織物的第一載荷峰值f1從小到大排列，依次為：17#、23#、5#、21#、19#、22#、14#、1#、4#、2#、7#、3#、12#、15#、18#、9#、11#、24#、10#、8#、20#、13#、16#、6#。按此順序做抗彎剛度、懸垂系數隨第一載荷峰值增大的折線圖，圖2（a）（b）中橫坐標均為按第一載荷峰值從小到大的排序，即橫坐標的1～24分別對應17#、23#、5#……16#、6#織物，作為編號排序。圖2顯示，隨著第一載荷峰值的增大，抗彎剛度和懸垂系數也呈增長趨勢，表明第一載荷峰值f1與抗彎剛度B、懸垂系數F具有較明顯的相關性。

2.2 懸掛穿孔法的時間-載荷曲線

經研究發現，24種織物的時間-載荷曲線中都具有3個明顯的載荷峰值，由于篇幅有限，本文從中選出4個較有代表性的織物（3#、9#、10#、13#），其時間-載荷曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，不同織物的第一載荷峰值f1差別較明顯，4種織物按f1從小到大依次為3#、9#、10#、13#，其中9#和10#織物的f1非常接近。經對比發現，3#織物的B（84.98 cN·cm）和F（0575）都較小，9#、10#織物的B（187.71、179.42 cN·cm）和F（0584、0.592）稍大且十分接近，13#織物的B（281.43 cN·cm）和F（0.752）都較大，即彎曲性、懸垂性越好的織物，穿孔過程中第一次峰值時的載荷越小，與2.1相吻合。究其原因，越易彎曲、懸垂性越好的織物，懸掛自然下垂形成的夾角越小，因而更容易穿過圓孔，即所需拉力越小，故f1較小。在后續數據處理中會進一步分析探究f2和f3與織物彎曲性和懸垂性的關系。

2.3 懸掛穿孔法所得指標與抗彎剛度、懸垂系數之間的相關性分析

為進一步明確利用本文提出的新指標是否與傳統指標具有統計學意義上的相關性，對4個新指標與抗彎剛度B和懸垂系數F之間進行pearson相關性分析，相關系數如表3所示。

從表3可看出，懸掛穿孔法中的側輪廓面積S、底輪廓面積S0、載荷峰差值f1、f2、f3、峰值膨脹角θ都與抗彎剛度B和懸垂系數F呈顯著正相關關系。即B和F越大的織物，用懸掛穿孔法所得的4項新指標也越大，可以解釋為：越硬挺的面料，自然懸掛時越不易彎曲和下垂，張開的輪廓和角度越大，提升時穿過圓孔所受的摩擦阻力就越大，即越不易穿過圓孔，所以提拉織物需要的力（即載荷）就越大。3個載荷峰差值與B、F的相關性從大到小依次是f1、f3、f2，因此僅選擇f1代表載荷峰差值。與B相關性從大到小依次是載荷峰差值f1、底輪廓面積S0、側輪廓面積S、峰值膨脹角θ;與F相關性從大到小依次是側輪廓面積S、峰值膨脹角θ、底輪廓面積S0、載荷峰差值f1。

2.4 單一新指標與彎曲性及懸垂性之間的關系

為進一步建立新方法中的4個特征參數（即f1、S0、S和θ）與傳統方法中的抗彎剛度B及懸垂系數F之間具體的關系式，將4個新指標與2個傳統指標之間進行曲線擬合，所得結果如圖4、圖5所示。

圖4和圖5顯示，4個新指標與抗彎剛度、懸垂系數呈冪函數或線性關系，與抗彎剛度擬合優度從高到低依次是f1、θ、S0、S，與懸垂系數的擬合優度從高到底依次是f1、S、S0、θ。雖然每個新指標均與抗彎剛度、懸垂系數存在較密切的關系，但在運用這些關系式預測抗彎剛度和懸垂系數時不是非常方便。

2.5 新指標與抗彎剛度及懸垂系數的綜合關系式

2.5.1 抗彎剛度的預測方程

運用多元逐步回歸進一步探究懸掛穿孔法中的4個新指標與抗彎剛度B的關系，最終得到包含載荷峰差值f1和峰值膨脹角θ的回歸方程：

B=129.253f1+1.649θ-56.613（1）

式（1）通過了F檢驗，擬合優度為0.901。f1與θ的回歸系數均小于0.05，即通過了t檢驗，所以該方程能用來預測抗彎剛度B。

2.5.2 懸垂系數的預測方程

用與2.5.1同樣的方法，得到了包含側輪廓面積S、底輪廓面積S0的回歸方程：

F=0.584S+0.224S0-0.264（2）

經檢驗，式（2）也通過了F檢驗和t檢驗，擬合優度為0.851。

綜合以上分析，利用懸掛穿孔法可以實現織物彎曲性和懸垂性的表征，本文提出的側輪廓面積、底輪廓面積、載荷峰差值、峰值膨脹角特征指標與抗彎剛度及懸垂系數都存在密切的關系，且構建了可以利用新指標預測抗彎剛度和懸垂系數的方程，實現織物抗彎剛度與懸垂系數的二合一測試，能較為高效地表達織物多個方向綜合的彎曲性和懸垂性。

3 結 論

以24塊試樣為研究對象，利用自行設計的實驗裝置，結合INSTRON3367型雙立柱臺式電子試驗機對織物進行測試，提取了側輪廓面積S、底面輪廓面積S0、載荷峰差值f1、峰值膨脹角θ這4個特征指標，經研究得到以下結論。

1）懸掛穿孔法中的4項特征指標與斜面懸臂梁法中的抗彎剛度、圓臺法中的懸垂系數都具有高度正相關關系，表明利用本文提出的懸掛穿孔法測試織物彎曲性和懸垂性具有一定的可行性。

2）與斜面懸臂梁法中的抗彎剛度相關性從大到小依次是f1、S0、S、θ;與圓臺法中的懸垂系數相關性從大到小依次是S、θ、S0、f1。

3）利用懸掛穿孔法中的側輪廓面積S、底輪廓面積S0、載荷峰差值f1和峰值膨脹角θ，可以同時實現對織物抗彎剛度B和懸垂系數F的預測。

4）懸掛穿孔法只需一塊圓形試樣就可測得織物多方向綜合的彎曲性，且能實現彎曲性和懸垂性的二合一，有助于節約測試時間和測試原料。

懸掛穿孔法不同于另一種織物風格測試儀PhabrOmeter的地方是：PhabrOmeter對于穿孔過程的記錄僅僅是載荷-位移變化，而懸掛穿孔法除了記錄拉力（即載荷變化），還能定點拍攝穿孔全過程，記錄織物試樣的形狀變化，可在曲線圖上找到任意時刻（從視頻中截取該時刻）的織物形狀，進而提取形狀變化特征值，即可多方面、更準確地表征織物形變時的彎曲懸垂性。

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