1、 1 毕业设计文献综述 纺织工程 小变形条件下复合纱织物的变形行为与力学性能研究 一、前言部分 所谓织物，就是由纤维与纱线或纤维与纤维组合形成的一种平面状的纤维集合体，并具有一定的模量、强度、断裂伸长、顶破强力、耐磨性等力学性能。 服装用织物在日常被穿用的过程中，运动着的人体往往要对面料施加很多种力的作用。如胸背部、肘膝部位的面料要承受拉伸负荷、剪切负荷、弯曲和压缩等类负荷的作用，这些负荷的量值很小，通常称之为低负荷，即小变形条件下。在小变形条件下，服装面料会发生弯曲变形、剪切变形、拉伸变形、压缩变形以及它们的复 合变性。面料在小变形条件下的变形行为将确定服装的穿着舒适性、成形性、手感等服用性
2、能 1-2。 实验 以棉 /涤纶复合纱织物、棉 /氨纶复合纱织物为 研究 对象，以纯棉卡其织物为比较对象，以日本的 KES风格仪为测试手段，研究其在小变形条件下的拉伸、剪切、弯曲等力学行为及其弹性恢复率。了解复合纱线及其织物的构造方法及其结构特点；掌握拉伸、弯曲、剪切等力学过程以及小变形条件下织物力学性能的测试、变形行为的描述及其表征理论 。 二、主题部分 1 复合纱织物力学性能研究的历史背景 纺织工业是我国国民经济的重要部门，纺织品是重要 的生活必需品，是体现国家经济发展和人民生活水平的重要指标之一。随着科技与社会的进步，纺织生产技术和纺织品品质不断得到提高和发展，人们对织物的服用性能也提出
3、了更高的要求。而织物的拉伸、耐磨、剪切、弯曲等各项性能直接影响到织物的服用性能。作为最终用途的织物 (包括机织物、针织物以及各种非织造布等 )的损坏因素很多，其中最基本的就是拉伸、弯曲、剪切等损伤。因此研究纺织材料，包括纤维、纱线、织物的拉伸、弯曲、剪切等性能对纺织产品的优化设计和提高纺织品品质有着重要意义。 织物服用舒适性与其基本力学性能及热湿传递性密切相关 ，研究者曾投入大量的精力探求它们之间的定量关系。早在 1930年， F T Peircet采用悬臂法测试织物弯曲长度及弯曲刚度，并用来表示样品手感性质。他提出可以通过物理指标来表征织物手感刚柔、软硬、滑爽等而不是象2 以前一样在主观的基
4、础上对织物进行判断。从 20世纪 60年代开始，对织物服用性能的研究更加重视， Linbergt测试了 66种具有代表性试样的弯曲和剪切变形曲线，并对这些曲线进行分析，结果表明不同试样剪切和弯曲性能差别很大，而且织物剪切、弯曲变形与服装复杂的造型有很大的相关度。他从理论上分析了成形性与弯曲刚 度及剪切角之间的关系，并且给出了如下定量公式： F=C B 式中： F一成形性 (formability)的等级指标，无单位； C一面料在自身平面内压缩变形曲线的线性度； B一面料的抗弯刚度。 通过对弯曲及剪切性能的讨论并介定这两个基本力学量的上下限，从而可以确定织物获得最佳性能的条件。另外他还讨论用超喂
5、的方式使长度不等的织物缝制成无折皱的自然曲面，研究表明可变形性，成形性与超喂之间存在一定的关系， Linberg的研究把织物基本力学性能 (弯曲、剪切 )与面料的成形性及服装加工及整理结合在一起。 日本学者结合研究 面料手感和形态风格的设计生产技术，开发出由面料的多项力学性能组合评判其服用性能的定量方法，建立了织物风格的客观评价系统，这样通过测试基本的力学性能指标就可以定量表达织物服用性能。值得提出的是， KES F系列测试仪器的研制成功为织物服用性能的客观评价提供了测试方法的保障，加速了织物服用性能研究。在美欧研究重点集中于纺织品穿着舒适性与热湿传递性能间的定量关系，从而对影响织物舒适性的热
6、湿传递机理有较清楚的认识。总之在 20世纪 90年代前，国外的研究主要集中在探究人的感官判断织物手感、舒适性等服用性能与其物理性能间的 定量关系，日本的研究最为活跃，派生出所谓的“感性工学科”，每年都召开学术讨论会。 其中织物弯曲性能的研究最早可追溯到 20世纪 30年代，物理学家 Peirce首次对织物的力学性能做了初步研究，以一种弹性纱线理论模型模拟了织物变形。此后几十年间，研究者大多从织物内部纱线的物理力学特征，通过大量的模型建立、检验、修正以及微观因素分析，研究织物弯曲性能，对织物的力学弯曲性能的产生及影响因素的认识已比较充分，进入 90年代以来，随着科学技术的不断发展以及检测手段和分
7、析方法的不断更新，织物弯曲性能研究重点具有向弯曲的动态过 程、三维立体性等现实特征的仿真研究方向发展的趋势，这也就使与织物弯曲特性相关的特征 (如悬垂性、抗皱性及抗拱性等 )的研究得到更深入发展，分析检测结果也更具客观性和可靠性3。 2 研究现状 3 2.1 拉伸性能研究现状 以 PTT PET双组分长丝织物作为研究对象，了解其不同织物参数对织物拉伸性能的影响，通过改变 PTT PET复合丝比例、捻度、织物组织和纬密 4个参数织造了 33种织物，测试并分析这些织物的拉伸性能指标。研究结果发现：（ 1） PTT PET复合丝织物具有相似的拉伸特征，不同组织的织物均表现出相对较低的断 裂强力和较大
8、的断裂伸长，尤其在低负荷条件下具有高伸长特性，这一特性主要源于长丝的卷曲伸长。（ 2）在其他结构参数相同的条件下，随着纬纱 PTT PET含量提高，断裂强力呈下降趋势而断裂伸长率不断提高，织物低负荷下伸长率增加。（ 3）在其他结构参数相同的条件下，纬密主要影响织物的拉伸断裂强力，对断裂伸长率的影响不大。（ 4） PTT PET复合丝的捻度对织物拉伸性能的影响因织物组织不同而存在一定差异 4-6。 2.2 弯曲性能研究现状 服用纺织品的使用性能在很大程度上取决它的弯曲特征，如服装穿着的适体、造型的自然、成 形的不起拱和无折皱等。经常折叠的户外运动纺织品（如睡袋、帐篷等）和产业用纺织品（如承受气压
9、力的气袋织物或各种传输带等），弯曲性能也是至关重要的。而织物构成的最基本单元为纱线，纱线的弯曲性能直接影响织物的弯曲性能。且交织屈曲、针编成圈中亦受纱线弯曲行为的影响。因此，明确纱线的弯曲性能，对确定后道加工工艺，对估计面料风格特征具有理论和实际意义 7。 弯曲性能作为织物一种重要的力学性质，历来受到国内外研究者的重视，并已经取得了多种研究成果。纺织品在应用过程中，很大程度上依赖于它自身的弯曲性能，如悬垂性、抗起皱性 、抗拱性等都是织物风格客观评价的重要指标。近年来，随着新产品、新材料的不断开发和应用及新型测试技术和方法的出现，织物弯曲性能的研究也不断深入。 研究织物弯曲性能所采用的方法分别为
10、解析方法、数值方法、流变学的方法等。织物发生弯曲变形时，由于纤维的粘弹性和纱线内纤维的重新分布，所有织物均表现出不同程度的粘弹性和纤维间内摩擦性 8。 织物弯曲特性的两个参数是织物弯曲刚度 (或柔软度 )和滞后程度纱线的弯曲刚度多取决于面料织物密度和纱线捻系数等等。织物弯曲滞后主要取决于其抗弯刚度 9。两者都可从弯曲一滞后曲线上得 出一般说来，过了初始非线性区域后，力矩曲率曲线可用下式来表示： mF=mF0+DFKF 式中： mF为施加的力矩； mF0为克服磨擦阻力所需达到的力矩； DF为织物弯曲刚度，它由构成织物的纤维或纱线的抗弹性力以及它在织物上产生的卷曲所组成，弯曲时，阻止纱线中纤维自由
11、移4 动的磨擦力会发生变化这两个因数会影响织物中纱线的几何一致性和磨擦阻力，从而决定了织物弯曲特性 10-11。 2.3剪切性能研究现状 剪切性能作为织物最重要的力学性能之一，在实际应用中不仅影响织物悬垂性，柔软性及其手感，而且通过影响织物经纬方向 以外的拉伸变形性能而影响服装的穿着舒适性。 长期以来研究者在织物剪切性能的研究上投入了大量精力，特别是 20世纪 80年代以后为实现面料科学设计，弄清剪切性能与织物设计参数之间的关系，曾有研究者对新合纤织物剪切性能进行过系统研究。由于纱线摩擦问题非常复杂，至今没有一个适合多类织物的通用剪切性能模型12。 织物剪切刚度是影响织物硬挺柔软度和服装的空间
12、曲面造型性能的主要因素，在剪切刚度的测定中，通常要对经纬向剪切刚度分别测定。利用织物剪切刚度理论，在 22种精纺毛型织物实验数据基础上，探讨精纺毛型织物经纬向剪切刚 度与织物结构的关系，近似求得经纬向剪切刚度之间的关系方程。并将新采集的 10种精纺毛型织物对方程进行验证，结果显示方程的平均误差率为 8，表明对于精纺毛型织物来说，在已知织物经向或纬向剪切刚度的条件，可以根据剪切刚度和织物经纬密的关系近似求得另一方向上的剪切刚度 13。 3 发展方向 3.1 拉伸性能研究方向 预测织物力学性能的研究已有很长历史，其指导思想都是由纱线参数和织物结构参数得到织物力学性能。一般是对织物结构作简化假设抽象
13、出织物几何结构模型，运用纱线力学性能得到织物力学性能。这些研究逐渐发展成为力法 和能量法两大类方法，但在超出线弹性应变范围时该两类方法精确度差，且应用方法复杂，对各种模量范围内织物的适应性差 。 人工神经网络是最近发展起来的多学科交叉的前沿技术，它具有突出的学习自适应能力、容错能力、联想记忆能力等特征，目前已在纺织研究中得到日益广泛的应用，如它成功地用于优化纺纱工艺、织物疵点识别、上染率的计算和服装加工生产等。人工神经网络模拟人脑结构和智能特点，由大量简单神经元构成，解决问题时不需要对象的精确模型仪需要大量的原始数据，通过其结构的可变性逐步适应外界作用，并挖掘出对象内在的因果关系，最 终以一种
14、不很精确的输入、输出值描述出来 14-15。 3.2弯曲性能研究方向 采用先进的测试手段及分析方法是近年来弯曲性能研究的方向，最突出的主要有计算机图象5 处理技术和模拟仿真技术等 。 （ 1）图象处理技术 计算机图象处理技术是指图象的编码、滤波、增强及复原等处理，还包括图象的分析与识别。作为一种新型的处理手段，自 70年代应用于纺织测试以来，大体上经历了从简单参数的分析计算到立体织物的三维图象重建的发展过程。它可以直观地对织物弯曲变形的图象进行变换，提取特征指标信息。图象处理技术的应用使织物弯曲性能的研究取 得了长足的进展。 Y J Jeong和 D G Philips利用图象分析技术对织物的
15、悬垂性进行了研究，分析了织物覆盖系数等参数对织物弯曲刚度的影响，并提出了用指标悬垂一距离比表征织物悬垂特征，与实验结果有一定的一致性。图象分析技术不仅在织物的悬垂弯曲方面有所应用， Y G Na， Tae JinKang等人又将其应用于织物表面折皱的分析，并采用非常新颖的三维网格投影技术，提出了织物折皱变形的一种客观评价方法。德克萨斯大学的 B Xu也根据图象分析后的特征，提出了用折皱灰度表面积、阴影面积等指标对织物折皱进行评级。 目前图象处理对象大多是二维静态图象，而从近年织物变形弯曲性能的研究动态来看，还有许多动态图象要处理及从二维图象处理向三维图象重建发展，这将对图象处理技术提出更高的要
16、求。 （ 2）模拟仿真技术 模拟仿真技术是指遵循相似 (几何、环境及性能相似 )原理，用模型 (物理模型或数学模型 )代替实际系统进行实验和研究。织物模拟仿真技术起步虽晚，但发展较快。它根据所用模型的性质分有以下几种：一种是基于研究织物的物理特征，利用计算机技术模拟其真实效果，并进行分析、计算，为研究提供预测资料。它是以物理过程、几何尺寸、及环境条件相似为 基础的仿真。 90年代以来，先后有 Van West， Collier， Tae Jin Kang等采用这种技术方法对织物弯曲特征进行仿真研究，为织物的弯曲性能的研究开辟了新思路。其中， Van West利用纯几何方法对双向织物在各种不同表
17、面形状的支撑平台上的任意弯曲悬垂特征进行了图形学模拟仿真，从中预测出织物中经纬纱交织点处的弯曲表面的状态，从而决定了其中纱线纤维的取向及织物剪切变形的特征形态。另一种是应用性能相似、环境相似的原理，按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，并在数学模型上进行织物弯曲性能研究实验，从 而达到预知织物弯曲性能特征的目的。它是普遍采用有限元方法对织物弯曲变形特征进行模拟计算，根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，将连续体离散化成由有限个单元在节点处相连的组合体，以求解各种力学问题。 Chen等人采用挠性壳状理论预测织物的悬垂状态就属于这种方法，他们将织物看作是一种各向异性的6 连续体，充分考虑
18、织物经纬向的杨氏模量、剪切模量和泊松比等特征参量，以有限元分析方法模拟预测，结果证明此法具有高效性、实用性。 三、总结部分 随着中国经济发展，消费者对纺织品舒适、休闲等性能的要求日益提高，为满足这种需求 ，在纺织品开发过程中越来越重视新型织物的开发和应用，如近年来出现的 PTT/PET双组分长丝织物、精纺毛型织物、毛 /涤纶织物等，这些织物具有某些优良的性能，为开发高档的服装和装饰用面料提供了材料上的可能。我国是纺织大国，但不是纺织强国，纺织品在长期的出口贸易中采取以量取胜，低价竞争，纺织品的附加值低，在贸易的过程中经常受到国外的特保和限制，新型纤维面料的应用对提高我国纺织品的档次，增加纺织品
19、的附加值有着重要的意义。 近年来，随着我国纺织业的发展，在能源消耗、劳动用工等都存在一定的问题，纺织品的比较成本在不断上 升，产业结构升级迫在眉睫迫切，越来越多的企业主以新原料应用为突破口努力生产高质量高附加值的纺织面料，对新型织物面料的开发和应用起到重要的推动作用。 目前我国 复合纱织物 的市场并不稳定，品质检验不够完善。要尽快完善 复合纱织物 的质量检验体系，我国 复合纱织物 的研发和生产一定会有辉煌的明天！ 四、参考文献 1 王府梅服装面料的性能设计（ J）中国纺织大学出版社 2000，（ 12）： 8 2 周建萍，陈晟织物风格仪测试指标的分析及应用（ J） 现代纺织技术 2005，（
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