橫編仿魚鱗單元結構成形原理與尺寸工藝模型

梁鑫花 俞旭良 叢洪蓮

摘要：

為深入探究針織產品在異形結構的開發可能性，對橫編仿魚鱗結構的成形規律進行研究。先對橫編仿魚鱗結構進行設計，以單層結構和雙層結構為研究對象，并以四針床電腦橫機為依托，對其成形原理進行分析，并通過試織樣品和數據測量，建立了橫編仿魚鱗單元結構的尺寸工藝模型。研究表明：單層結構通過部分織針參與編織及隔行加針的方式，可使鱗片結構呈現一定的弧度;雙層閉口結構的織針全部參與編織，相鄰兩個單元結構可通過形成長浮線方式進行連接;雙層開口結構在編織單元的首尾行時，所有織針參與編織，中間行只有部分織針參與，形成“折疊”狀的開口結構;織物單元上邊緣線與水平方向的夾角與花型循環數呈線性關系，上邊緣線與下邊緣線對應高度包含的縱向線圈數比例約為2︰1。通過建立織物參數與橫編仿魚鱗單元結構的相關關系，為仿魚鱗結構織物的快速開發提供了一定的指導意義。

關鍵詞：

仿魚鱗結構;橫編;全成形;成形原理;工藝模型;單層結構;雙層結構

中圖分類號： TS184.5

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2022）02009407

引用頁碼： 021201

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.02.012（篇序）

收稿日期： 20210521;

修回日期： 20211223

基金項目： 國家自然科學基金項目（61772238）;中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（JUSRP52013B）

作者簡介： 梁鑫花（1996），女，碩士研究生，研究方向為針織產品的創新設計與性能研究。通信作者：叢洪蓮，教授，cong-wkrc@163.com。

橫編全成形技術在異形結構編織方面具有很大優勢[1]，通過在織物橫向編織方向上加減針數、改變織物組織結構、局部編織[2]及調節線圈長度等方式來形成所需要的織物形狀[3]，實現織物一體成形編織，無需裁剪、縫紉等后處理加工方式，生產工序與處理成本大幅減少，生產效率大幅度提高[4]。

目前橫編全成形技術在不同形狀的管狀織物、半球形織物及三維全成形座套等異形結構的工藝與編織方面也做了一些研究與探索，在橫編全成形口罩、針織全成形鞋面、針織襪子等服飾領域也得到了較為廣泛的應用[5-7]。本文基于仿生設計原理，利用針織橫編一體成形的編織技術，以四針床電腦橫機為依托，研究異形結構的成形規律，探討具有不同形態結構的仿魚鱗織物的結構設計方法、成形原理及工藝模型，拓展針織成形產品的開發領域，為橫編異形結構的設計提供一定的參考。

1 設計理念

魚鱗是呈疊層狀分布在魚體外表面，且層與層之間排列較為緊密，不同魚類具有的魚鱗鱗片結構有所不同。根據魚鱗的幾何形狀和表面特征，鱗片大致分為圓形、硬鱗、櫛狀和盾鱗狀四種[8-9]，考慮到魚鱗結構本身的幾何形狀的復雜性，為方便對其進行研究，本文選擇對櫛狀鱗片進行仿魚鱗結構設計。如圖1所示，單個櫛狀鱗片呈現中間厚邊緣薄的不規則六邊形形狀，其表面呈梳形狀分布的結構[10]。由于針織織物的線圈縱向相互穿套，形成的豎狀條紋可模擬魚鱗組織表面的梳形狀的結構，若要表面結構更加明顯，可設計羅紋結構;橫編立體異形結構可通過局編、筒狀編織及加減針等特殊的編織工藝來實現，故采用橫編成形的工藝方式來完成樣品的織造。

2 橫編仿魚鱗結構設計

橫編仿魚鱗結構的設計包括單元結構設計和組合結構設計兩部分。

2.1 單元結構設計

橫編仿魚鱗單元結構可分為單層結構和雙層結構，其中雙層結構又包括雙層開口結構和雙層閉口結構，如圖2所示。

單層結構在設計時，為在表面形成類似溝槽的效果，組織結構選用1+1羅紋;為模擬鱗片邊緣的曲線，在編織時可采用兩側向中間逐步收針的方式[11]，加上線圈串套時有一定的收縮性，從而使形成的橫編結構邊緣呈現一定的弧度。

雙層閉口結構在設計時，考慮兩側均為閉口，故選用空氣層組織進行設計，即通過圓筒形的編織方式實現編織[12];同時前后片在編織時，均采用一隔一的成圈方式，用以模擬鱗片表面的溝槽。

雙層開口結構在設計時，由于左右兩側均為開口狀，選用單面的平針組織進行編織，且在編織時需采用局部編織的工藝方式，形成單個的鱗片狀結構單元。

2.2 組合結構設計

由于魚鱗單元結構緊密覆蓋在整體表面，所以也要對組合結構進行設計。為使整體組織結構具有較為緊密的效果，且在后期編織時與仿魚鱗單元結構有更好的過渡連接作用，地組織可選用簡單的平針組織結構;為使地組織具有一定的厚度，且透氣效果良好，可選用棉毛組織，即雙反面組織[13]進行設計;考慮到地組織可以有較好的花型效果，也可選用芝麻點組織進行設計[14]。仿魚鱗橫編結構在組合結構上的排列方式可分為平行排列和交錯排列，如圖3所示。

3 橫編仿魚鱗結構成形原理

在對橫編仿魚鱗結構的單元和組合結構進行組織結構和排列方式設計后，本文對單層結構、雙層閉口結構和雙層開口結構的編織成形原理進行分析。

3.1 單層結構成形原理

單層結構主要是通過前后針床的線圈行進行翻針銜接，由線圈行連續編織形成單面結構。其地組織以簡單的單面組織為例進行說明，編織工藝如圖4所示。圖4（a）為地組織的編織工藝示意，圖4（b）為單元結構的編織原理示意（下文同），后下針床向右偏移1個針距，與前下針床進行起底編織，隨后前下針床與后下針床分別進行滿針成圈編織，連續編織數行后，開始進行局部編織。負責編織魚鱗單元結構的部分織針先進行前后針床的起底編織，然后前后針床分別進行一隔一成圈編織。編織若干行后，前后針床進行1+1羅紋編織，編織一行后，前針床左右兩邊在第一行的基礎上各加一針，與后針床進行1+1羅紋編織，形成羅紋組織的第二行。以第一二行為一組循環，根據所需魚鱗織片的大小設置不同的組織循環數，最后前針床先連續編織一個線圈和一個集圈。在第三根織針對應的后針床織針上編織一個線圈，以此作為一個循環進行編織，直至達到織片所需寬度為止，單層結構的鱗片單元即編織完成。

3.2 雙層閉口結構成形原理

雙層閉口結構是通過前后針床不進行翻針銜接動作，機頭帶動紗嘴進行圓筒形編織，兩邊根據魚鱗結構形狀控制參與編織的針數數量而形成。其地組織以芝麻點提花組織為例進行說明，如圖5所示。前下針床連續編織兩個線圈，后上、下針床先分別向右偏移一個針距，在左側第二枚織針上編織一個線圈。以上述三個線圈為一組循環進行編織，同時后下針床進行一隔一成圈編織，編織若干行，形成芝麻點提花組織;隨后前下針床的3～6號織針連續進行成圈編織，其余動作與上述編織方式相同;后上針床的2～6號織針進行長浮線編織，其余織針與前下針床織針進行一隔一編織，后下針床編織動作不變;前下與后下針床采用與上述相同的編織方式，不同之處在于前下針床形成長浮線。隨后前后針床進行類似空氣層結構的編織動作，前后針床均進行一隔一的成圈編織，后針床在前針床基礎上進行加一針編織，以此為循環編織若干行，形成雙層閉口結構的鱗片單元。

3.3 雙層開口結構成形原理

雙層開口結構與單層結構的形成原理類似，不同的是，當編織到一定橫列時，最后一行的編織行左右兩側參與編織的針數增多，從而與單元結構的起始行連接，形成雙層開口結構。其地組織以棉毛組織為例進行說明，如圖6所示。前下針床由最左側開始，與后下針床進行一隔一成圈編織。編織一行后，前下針床從左側2號針開始，與后下針床進行與第一行相同的編織動作，至此形成的兩行形成棉毛組織。隨后部分特定織針進行前針床的單面滿針成圈編織，其余織針與后針床結合編織1+1羅紋組織，形成組織結構的第一行;部分特定織針編織數行單面線圈結構后，再進行與第一行相同的編織動作。此時，單元結構編織行的第一行與最后一行重合（虛線線圈行），中間形成的單面組織自然“對折”，形成雙層開口結構，然后進行若干行棉毛組織的編織。重復上述編織動作，形成錯落覆蓋的雙層開口結構的仿魚鱗織片單元。

4 橫編仿魚鱗單元結構工藝模型

為使橫編仿魚鱗單元結構與針織工藝相結合，更方便地織造出符合尺寸要求的橫編仿魚鱗結構，本文通過試織織片小樣，改變單元結構的橫向針數和縱向花型循環數，揭示三維成形結構尺寸與上機工藝的數學關系，建立相對應的尺寸工藝模型，以便更加快速地對所需樣品進行設計織造。將不同尺寸、結構的橫編仿魚鱗結構應用于針織全成形鞋面、針織斜挎包、針織毛衫等服飾領域，可形成不同的外觀風格效果，加之功能性紗線的應用，可在裝飾性的基礎上進一步豐富產品的功能性。

4.1 樣品制備

測試樣品選擇日本島精公司生產的SWG061N2型雙針床電腦橫機來進行織造，機號為15 針/英寸，編織機速設定為03 m/s，織造原料為166.66 dtex/72 F的滌綸+2030錦氨包覆紗。選用兩把紗嘴進行編織，一把紗嘴穿入兩根166.66 dtex/72 F的滌綸作為面紗，另一把紗嘴穿入2030錦氨包覆紗作為地紗。對應基本Package小圖中設定的密度段，對不同組織的密度值進行設定。織造的織片樣品如圖7所示，具體織造參數如表1所示。

4.2 基本結構原型

根據試織的織物樣品，本文對其結構進行分析。由于所研究的仿鱗片單元結構邊緣有兩個不同的斜向角度，不同的角度決定著所形成的仿魚鱗單元結構的形態，角度又與其所對應的線圈總高度與橫向線圈寬度密切相關，故要將結構按照兩個角度相對應的部位進行測量與尺寸建模。設仿魚鱗單元結構的橫向長度為l，縱向寬度為h，r1為單元結構上邊緣線與水平方向的夾角，邊緣線對應的高度為h1，下部邊緣線與水平方向的夾角為r2，邊緣線對應的高度為h2，建立如圖8所示的基本結構原型。

4.3 數據測量與分析

為方便對織片尺寸進行測量，減少實驗數據測量的誤差，同時本著環保節約原則，本文將仿魚鱗橫編單元結構的橫向針數設置為11針、13針和15針，花型循環數為5、7、9、11、13，相關織造參數見表1，織造樣品的單元結構如圖9所示。對15種橫編組織織片的角度及高度對應的線圈數進行測量，具體測得的數據如表2所示。

由表2數據可得，花型循環數為5、7、9、11、13的仿魚鱗單元結構的r1平均分別為62°、64°、66°、68°、70°，而15種織片的r2大致在48.5°左右，這說明花型循環數對r2影響不大，而r1則隨著花型循環數的增加呈現線性變化;由于進行花型循環的編織行為2，首尾各有一行編織行，當循環數為5時，共有2+2×5=12行編織行。同理可得，當循環數為7、9、11、13時，編織行數分別為16、20、24、28，故由表2可知，h1對應的線圈數約占編織行的2/3，h2對應的線圈數約占編織行的1/3，因此h1和h2對應的線圈數比例約為2︰1。

4.4 尺寸工藝模型建立

分析表2中的數據，建立關于仿魚鱗單元結構的尺寸工藝模型，由于15種織片的r2大致在48.5°左右，故tanr2是一個固定值，為1.130 3。設花型循環數為x，編織行k=2+2x，其中PA和PB分別為織物橫密和縱密，可得：

tanr1=10k·PA（1.5x+10.5）·PB（1）

h=10+10kPB（2）

設單個魚鱗織片的橫向針數為M，則可得：

l=5M2PA（3）

5 結 論

本文采用橫編成形方法，探究了單層結構、雙層閉口結構和雙層開口結構三種仿魚鱗橫編結構的工藝設計方法及成形原理，建立仿魚鱗單元結構的尺寸與橫密、縱密及花型循環數的數學關系，并建立了橫編仿魚鱗單元結構的尺寸工藝模型，得出如下結論。

1） 單層橫編結構通過隔行加針的編織方式，使得邊緣呈現一定的弧度;雙層閉口結構的所有織針參與編織，采用圓筒形編織方式形成雙層結構，相鄰兩個單元通過較長浮線連接;雙層開口結構的所有織針參與編織單元的首尾行，中間行只有部分織針參與，形成“折疊”狀的開口結構。

2） 織物單元結構上邊緣線與水平方向的夾角與花型循環數呈線性關系，上邊緣線與下邊緣線對應高度包含的縱向線圈數比例約為2︰1。

3） 通過試織小樣與尺寸測量分析，建立仿魚鱗單元結構的尺寸工藝模型，在將產品應用于服飾領域時可快速對尺寸和結構形態進行設計與組合，提高了選擇的有效性。

4） 通過將橫編成形中不同的編織方式進行組合，可實現多種仿魚鱗橫編結構的成形編織，為類似異形結構的快速實現提供方法參考。

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Abstract：

Fully-fashioned flat knitting technology has great advantages in knitting special-shaped structures. The required fabric shape is knitted by adding or subtracting the number of needles in the transverse knitting direction of the fabric， changing the fabric structure， local knitting， and adjusting the loop length， which can realize the fully-fashioned knitting of the fabric without cutting， sewing and other post-processing methods， greatly reducing the production process and processing costs， and greatly improving the production efficiency. At present， despite some research and exploration of the fully-fashioned flat knitting technology in the process and knitting of different shapes of tubular fabrics， hemispherical fabrics and three-dimensional fully-formed seat covers， and its extensive application in clothing fields such as fully-fashioned flat knitting masks， fully-fashioned knittedshoe uppers， knitted socks， etc.， there are few studies on the application of bionic special-shaped structures.

In order to deeply explore the possibilities of developing knitted products with special-shaped structures， the forming law of flat knitting imitated fish-scale structure was studied. Taking into account the complexity of the geometrical shape of the fish-scale structure and in order to facilitate subsequent research， the comb-shaped scales were selected to design the imitated fish-scale structure. This paper first studied the structure of comb-shaped scales， and then took single-layer structure and double-layer structure as the research object and analyzed the forming principle based on the four-needle bed computerized flat knitting machine. Through trial knitting samples and data measurement， the size process model of the flat knitting imitated fish-scale unit structure was established. Based on the principle of bionic design and using the flat knitting technology， the structure design method， forming principle and process model of imitated fish-scale fabrics with different shapes and structures were discussed. Studies have shown that a single comb-shaped scale presents an irregular hexagonal shape with a thick middle and thin edges， and its surface is in comb-shaped distribution structure. Since the loops of the knitted fabric are interspersed longitudinally， the vertical stripes formed can simulate the comb-shaped structure on the surface of the fish scale tissue. To make the surface structure more obvious， a rib structure can be designed. The three-dimensional special-shaped structure of flat knitting can be realized by special knitting techniques such as local knitting， cylindrical knitting， and adding and subtracting the number of needles. The single-layer structure can make the scale structure show a certain degree of curvature through the participation of part of knitting needles in the knitting and the addition of interlacing needles. All the knitting needles of the double-layer closed structure participate in the knitting， and two adjacent unit structures can be connected by forming a long floating line. When the double-layer opening structure is in the first and last rows of the knitting unit， all the knitting needles participate in the knitting， and only part of the knitting needles in the middle row participate to form a "folded" open structure. The angle between the upper edge line of the fabric unit and the horizontal direction has a linear relationship with the number of pattern cycles. The ratio of the number of longitudinal loops contained in the corresponding height of the upper edge line and the lower edge line is about 2︰1.

By establishing the correlation between the fabric parameters and the flat-knitting imitated fish-scale unit structure， the size and structure can be quickly designed and combined when the product is applied to knitted full forming shoe uppers， knitted crossbody bags， knitted sweaters and other garment fields. The effectiveness of selection is improved. At the same time， different knitting methods in flat knitting are combined， which can realize the forming and knitting of a variety of imitated fish-scale flat knitting structures， and provide a method reference for the rapid realization of similar special-shaped structures.

Key words：

imitated fish-scale structure; flat knitting; fully-fashioned; forming principle; process model; single-layer structure; double-layer structure