經(jīng)編間隔鞋材設(shè)計(jì)與三維仿真

楊美玲, 蔣高明, 王 婷, 李炳賢

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

隨著人們將酷愛運(yùn)動視為一種時(shí)尚,運(yùn)動鞋類產(chǎn)品的消費(fèi)需求快速遞增,針織運(yùn)動鞋因其透氣柔軟、可一次成形、延伸性好且環(huán)保,區(qū)別于傳統(tǒng)皮質(zhì)運(yùn)動鞋而成為研究應(yīng)用熱點(diǎn)。其中經(jīng)編3層針織鞋材因自身空隙大、塑形性好而得到廣泛應(yīng)用,經(jīng)編3層鞋材織物,也稱為三明治結(jié)構(gòu)鞋用織物,用雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)形成底層、中間間隔層、表層3層的立體空間結(jié)構(gòu),使其有著良好的壓縮回復(fù)能力、散熱散濕、減震的特點(diǎn),且在耐洗性、耐老化性等方面也表現(xiàn)優(yōu)異[1-2]。

目前關(guān)于鞋用間隔織物的結(jié)構(gòu)力學(xué)方面研究主要集中在復(fù)合材料抗沖擊性能、拉伸性能;仿真主要集中在工藝流程與花型設(shè)計(jì)上[3-4];關(guān)于不同網(wǎng)眼間隔織物真實(shí)感仿真的研究相對較少。

本文介紹了經(jīng)編間隔鞋材的結(jié)構(gòu)與功能區(qū)域劃分,建立墊紗、穿紗及線圈模型,探討了基本線圈受力偏移現(xiàn)象;在此基礎(chǔ)上對幾種典型網(wǎng)眼間隔鞋材進(jìn)行結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì),并在CAD系統(tǒng)上進(jìn)行真實(shí)感仿真,達(dá)到在設(shè)計(jì)這類鞋材面料時(shí)既能看到織物外觀特征也能看清細(xì)微結(jié)構(gòu)的目的,提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率,使仿真更加真實(shí)。

1 間隔鞋材結(jié)構(gòu)與分類

1.1 鞋面功能區(qū)域分布

目前間隔織物廣泛應(yīng)用于運(yùn)動鞋中,包括鞋面與鞋襯墊織物。鞋襯墊起著緩沖腳力減少疲勞的作用;鞋面因運(yùn)動需求設(shè)計(jì)不同功能區(qū)域,應(yīng)用不同結(jié)構(gòu)和網(wǎng)眼大小的間隔織物[5]。圖1示出運(yùn)動鞋面功能區(qū)分布。可看到共分6個(gè)區(qū):A區(qū)需要具有較好的透氣性,可采用大網(wǎng)眼;B、C腳趾帽和腳后跟區(qū)域一般為小網(wǎng)眼;D區(qū)通常采用緊密織物結(jié)構(gòu)以提供良好的強(qiáng)度。

圖1 鞋面功能區(qū)分布Fig. 1 Functional region distribution of upper

1.2 間隔鞋材細(xì)觀結(jié)構(gòu)

間隔織物屬于3層三維立體空間構(gòu)造,面層與底層之間存在著由間隔絲支撐的大容積空間,間隔層通常采用V字形和1×1字形的組織結(jié)構(gòu)間隔絲[6-7]。

圖2示出間隔鞋材結(jié)構(gòu)。由圖可看到,4把梳櫛GB1、GB2、GB3和GB4分別通過位于機(jī)前和機(jī)后的經(jīng)軸進(jìn)行供紗,其中GB1、GB2在前針床編織面層織物,即織物的服用效應(yīng)面;GB3為間隔梳,常用單絲在前后針床輪流墊紗成圈,連接并支撐上下表層織物;GB4在后針床編織底層織物,重經(jīng)組織可在面層、底層應(yīng)用,網(wǎng)眼與花紋只在面層或底層形成。

圖2 間隔鞋材結(jié)構(gòu)Fig. 2 Spacer shoe constructs

2 經(jīng)編間隔織物數(shù)學(xué)模型

經(jīng)編組織是經(jīng)編針織物外觀結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)[8-9],主要取決于梳櫛數(shù)、導(dǎo)紗針的橫移及穿經(jīng)規(guī)律等。為方便該類間隔織物在計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)與仿真的有效實(shí)現(xiàn),需要建立相應(yīng)工藝的矩陣模型。

2.1 墊紗數(shù)碼的數(shù)學(xué)模型

在拉舍爾雙針床經(jīng)編機(jī)中,從機(jī)前觀察時(shí)橫移機(jī)構(gòu)一般位于經(jīng)編機(jī)的右側(cè),控制導(dǎo)紗梳櫛對織針的墊紗[10-11]。用自然數(shù)組成織針橫移的墊紗數(shù)碼,雙針床織物的一個(gè)橫列是由前后針床分別成圈而成。由4個(gè)墊紗數(shù)碼組成,對于采用K把梳櫛編織橫列數(shù)為M列的雙針床間隔織物可使用墊紗數(shù)碼矩陣WKM4=w(s,u,4)表示。如建立相應(yīng)的矩陣Wsu4表示具體的墊紗運(yùn)動:

(1)

式中:s∈{1,2,3,…,K}表示第s把梳櫛;u∈{1,2,3,…,M}表示第u個(gè)橫列。

根據(jù)前后針床針前墊紗規(guī)律來定義編織動作:

(2)

2.2 穿經(jīng)循環(huán)的數(shù)學(xué)模型

穿經(jīng)循環(huán)反映導(dǎo)紗梳櫛中所穿紗線類型及紗線排列的情況,采用不同種類紗線或不同紗線排列方法會產(chǎn)生不一樣的布面效果[12]。間隔織物的布面效果與梳櫛的穿經(jīng)循環(huán)有著密切的聯(lián)系,可采用二維數(shù)學(xué)矩陣BKL=b(s,l)來表達(dá)不同梳櫛的穿紗規(guī)律:

(3)

3 間隔織物鞋材的線圈結(jié)構(gòu)與偏移

根據(jù)該類織物的線圈種類,通過對實(shí)際線圈的尺寸測量,建立相應(yīng)的基本線圈、重經(jīng)線圈、間隔線圈模型以及襯緯模型,并對其進(jìn)行力學(xué)分析。

3.1 線圈結(jié)構(gòu)模型

3.1.1 基本線圈模型

雙針床經(jīng)編間隔織物的前后2面都存在線圈結(jié)構(gòu),在單面編織的線圈相當(dāng)于單針床成圈組織結(jié)構(gòu),假設(shè)延展線呈直線狀態(tài),則構(gòu)建線圈主干模型即可,因此采用單針床8點(diǎn)線圈模型表示雙針床單面編織層的基本組織單位,其中間隔絲線圈也屬于基本線圈,由于牽拉機(jī)構(gòu)的作用,同橫列線圈并非在相同高度上,前后線圈高度約相差半個(gè)圈高。

圖3示出基本線圈模型。圖中:P1位置由前一橫列確定;P8位置由后一橫列決定;a、b、c為3種進(jìn)入點(diǎn)P1的位置;d、e、f為3種線圈出點(diǎn)P8的位置,若線圈呈間隔絲形態(tài),導(dǎo)紗針在前后2個(gè)針床上輪流墊紗,則P1、P82點(diǎn)在z軸偏移值不同。

圖3 基本線圈模型Fig. 3 Basic loop model

3.1.2 重經(jīng)線圈模型

間隔鞋材中重經(jīng)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是線圈結(jié)構(gòu)兼有經(jīng)編和緯編組織的特性,同行列2個(gè)單針線圈以類似緯編沉降弧連接,上下行列間以經(jīng)編延展線形式相連。重經(jīng)線圈1個(gè)基本組織單元是由1個(gè)沉降弧、2個(gè)線圈主干以及1根延展線形成的,如圖4所示。在編織時(shí)1個(gè)行列中同時(shí)成圈的2個(gè)線圈在z方向上的位置不同,與前一橫列相連的線圈A1、B1處于外層,與后一橫列相連的線圈A2、B2被下枚織針?biāo)傻木€圈覆蓋在里層,形成疊加效應(yīng)。

圖4 重經(jīng)線圈模型Fig. 4 Heavy trans loop model

其中重經(jīng)單元線圈模型采用一個(gè)線圈8個(gè)形值點(diǎn)共16個(gè)控制點(diǎn)來定義線圈模型,W為線圈圈距, 2個(gè)線圈的中心軸在z方向上的間隔距離為1個(gè)紗線直徑。從延展線墊紗數(shù)碼方面分析,可歸納為表1所示的5種重經(jīng)結(jié)構(gòu):D(j)=F1(j)-F0(j)表示當(dāng)前橫列針前墊紗數(shù)碼的差值;U(j)=B0(j+1)-B1(j)表示下一橫列與當(dāng)前橫列針背墊紗數(shù)碼的差值;r、t為任意1個(gè)橫列。

表1 重經(jīng)組織分類Tab. 1 Heavy transdermal fabric classification

3.1.3 襯緯模型

在間隔鞋材織物中,可利用襯緯組織與編鏈組織形成變化網(wǎng)眼織物效應(yīng)。圖5示出單行列襯緯模型。在相鄰2個(gè)織針中間根據(jù)襯緯所居位置分為 3類襯緯模型:1)織針右襯緯,表現(xiàn)為在2織針中間靠近左織針;2)中間襯緯,居于中心垂直線;3)織針左襯緯,表現(xiàn)為在2織針中間靠近右織針。襯緯模型采取2個(gè)P1、P2形值點(diǎn)定位不同縱行襯緯固定位置使延展線自然連接。

圖5 襯緯模型Fig. 5 Latitude lining model

3.2 線圈受力分析

3.2.1 重經(jīng)線圈受力分析

重經(jīng)線圈的結(jié)構(gòu)特征與基本成圈組織不同,對重經(jīng)組織編織層同行列的2個(gè)線圈進(jìn)行受力分析,因線圈偏移受制約因素較多,本次研究只考慮線圈受沉降弧與延展線拉力橫向移動,來判斷其在真實(shí)編織時(shí)所產(chǎn)生的偏移。圖6示出重經(jīng)線圈受力分析圖。

圖6 重經(jīng)線圈受力分析Fig. 6 Loop force analysis on heavy transdermal

圖中因重經(jīng)梳櫛空穿形成的網(wǎng)眼,在上下間隔6個(gè)圈高6h之間,其左右2個(gè)縱行為單線圈形式無線圈疊加,現(xiàn)對于線圈根部m、n2個(gè)部位進(jìn)行受力分析,其中m、n處受到短延展線拉力F1、F3與沉降弧張力F2、F4作用,同理x、y點(diǎn)處受到長延展線F5、F7拉力和沉降弧張力F6、F8作用,利用三角函數(shù)定理求其合力則應(yīng)為

(4)

式中:F2、F4、F6與F8均為重經(jīng)2個(gè)線圈之間的沉降弧對m、n、x、y4點(diǎn)所施加的張力,故F2=-F4=-F6=F8。且m、n2點(diǎn)最終所受合力Fa、Fb大小相等,方向相反,使m點(diǎn)所在縱行整體向右偏移,n點(diǎn)所在縱行整體向左偏移,x、y點(diǎn)受力方式不同,合力方向仍然相反,2點(diǎn)存在向中間靠攏趨勢,故仿真形成較為明顯的橢圓形網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)。

3.2.2 間隔絲線圈受力分析

在實(shí)際編織中,間隔絲前后針床線圈所受張力來自對面針床連接延展線的線圈,此張力矢量為三維向量,轉(zhuǎn)化為x軸方向所受合力即可計(jì)算線圈橫向偏移量。圖7示出間隔絲線圈受力情況。圖中建立三維坐標(biāo),對間隔絲進(jìn)行立體線圈模型構(gòu)建,前針床線圈根部E處受到Fq和Fj2個(gè)后針床線圈延展線施加的拉力,計(jì)算E點(diǎn)所受合力為

(5)

式中:F3為E點(diǎn)張力合力;β1、β2為2個(gè)力與在z方向平面的影射力夾角,分別為影射張力與x軸所在平面的夾角;de為偏移量;k3為整體張力系數(shù)。

圖7 間隔絲線圈受力分析Fig. 7 Force analysis on spacer filament loop

4 間隔鞋材織物設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

在對間隔鞋材織物結(jié)構(gòu)與線圈模型的精準(zhǔn)定位基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)3種間隔鞋材織物工藝,利用相應(yīng)經(jīng)編機(jī)編織實(shí)物,與通過虛擬仿真而成的仿真圖形成對比,驗(yàn)證仿真效果。

4.1 間隔鞋材織物設(shè)計(jì)

4.1.1 重經(jīng)網(wǎng)眼間隔鞋材織物設(shè)計(jì)

重經(jīng)組織因其一行列連續(xù)成圈可廣泛應(yīng)用于織物的底梳,形成整片平紋或網(wǎng)眼織物,減少梳櫛的應(yīng)用,重經(jīng)鞋材設(shè)計(jì)工藝參數(shù)如表2所示。

表2 重經(jīng)鞋材工藝參數(shù)Tab. 2 Process parameters for heavy cross spaced shoe fabric

該織物用5把梳櫛織成。GB1、GB2通過變化經(jīng)絨組織帶空穿形式構(gòu)建具有斜向網(wǎng)孔的面層;2把間隔梳形成前后連接,并利用一梳GB5滿穿重經(jīng)組織編織網(wǎng)眼間隔鞋材的密實(shí)底部層,原料為滌綸,GB1、GB2紗線線密度和孔數(shù)較大,且穿經(jīng)循環(huán)為二穿二空和一空二穿一空,其它梳櫛為滿穿。

4.1.2 雙面網(wǎng)眼間隔鞋材織物設(shè)計(jì)

對透氣性功能要求高的鞋材如涼鞋、薄款運(yùn)動鞋上,較常采用鏤空雙面網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)面料以滿足舒適與塑形需求,一款雙面網(wǎng)眼鞋材的工藝參數(shù)如表3所示。

表3 重經(jīng)織物工藝參數(shù)Tab. 3 Fabric process parameters of heavy cross

GB1、GB2梳櫛在織物效應(yīng)正面經(jīng)過變形形成網(wǎng)孔結(jié)構(gòu),GB3、GB4構(gòu)成前后針床連接間隔絲結(jié)構(gòu),GB5、GB6同樣采用面層相同組織形成雙面網(wǎng)眼底層。

4.1.3 花式網(wǎng)眼間隔鞋材織物設(shè)計(jì)

網(wǎng)眼間隔鞋材織物生產(chǎn)中,可通過不同梳櫛之間的對稱墊紗達(dá)到類似賈卡的花紋效應(yīng)。例如采用變化經(jīng)平組織加上對稱墊紗可形成菱形或者方塊形花紋織物,具體工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 織物工藝參數(shù)Tab. 4 Fabric process parameters

生產(chǎn)中GB1、GB2、GB3、GB4選擇較粗有光澤紗線利用變化經(jīng)平+經(jīng)斜組織在間隔鞋材面層形成交叉菱形網(wǎng)眼,提高鞋材的立體和厚實(shí)感;GB5為單絲間隔絲;GB6、GB7在底層形成緊密組織。

4.2 仿真實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述間隔鞋用織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線圈模型構(gòu)建、偏移受力分析推導(dǎo),選擇合適的工藝結(jié)構(gòu)與紗線原料,利用C#和JavaScript編程語言對產(chǎn)品進(jìn)行工藝參數(shù)讀取、梳櫛屬性設(shè)置,構(gòu)建了8控制點(diǎn)線圈模型,利用牛頓力學(xué)第二定律求解的受力公式,模擬真實(shí)間隔織物受內(nèi)力相互約制的結(jié)構(gòu)形態(tài),最終實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)眼間隔鞋材的三維虛擬仿真。圖8示出3種鞋材的實(shí)物圖和仿真圖。

圖8 3種鞋材的實(shí)物圖與仿真圖Fig. 8 Physical and simulation pictures of three types of shoe fabrics. (a) Heavy cross spaced shoe fabrics;(b) Double sided mesh spaced shoe fabrics;(c) Pattern spaced shoe fabrics

5 結(jié) 論

本文研究了間隔鞋材織物的結(jié)構(gòu)特征,深入分析了經(jīng)編間隔鞋材線圈結(jié)構(gòu)形態(tài)與仿真模型,并提出了一種重經(jīng)間隔鞋材的設(shè)計(jì)方法。

1)從間隔鞋用織物的結(jié)構(gòu)和功能入手,劃分鞋面功能區(qū)并探討間隔織物在鞋材中的應(yīng)用和編織原理。對于各種鞋材重經(jīng)單元組織根據(jù)延展線走向進(jìn)行分析,構(gòu)建了相關(guān)的墊紗與穿紗數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而形象表達(dá)不同間隔鞋材的工藝編織方式。

2)在墊紗模型的基礎(chǔ)上,逐步構(gòu)建了雙針床鞋材重經(jīng)線圈、間隔絲線圈以及襯緯模型和線圈受力分析仿真模型。

3)基于相關(guān)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上,進(jìn)行鏤空以及花紋網(wǎng)眼等效應(yīng)的間隔鞋材織物的工藝設(shè)計(jì),并借助JavaScript和C#語言進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程,實(shí)現(xiàn)三維仿真,提高了間隔鞋材織物的工藝多樣化與仿真效果,為3層結(jié)構(gòu)鞋材虛擬展示提供可靠的技術(shù)支撐。