莱塞尔机织物在风场中的自由动态弯曲性能

李艳芳，杨 波，纪 峰

（1.广州纤维产品检测研究院，广东 广州510220；2.东华大学 纺织学院，上海201620）

织物弯曲性能直接影响其外观悬垂风格及服用舒适性，因此，对织物所进行的力学测试、分析、表征一直受到国内外研究人员的重视.早在20世纪30年代，PEIRCE［1］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，并提出了弯曲长度、柔性刚度、弯曲模量等力学指标，并结合织物的厚度对织物弯曲柔性等性质进行了客观评价；王府梅等［2］研究发现纱线的弯曲刚度、线密度等因素对织物的弯曲性能影响较大；魏铭森等［3］通过对机织物沿任意方向弯曲的受力分析，建立了弯曲刚度理论计算公式，以此对织物的弯曲刚度进行预测.但上述研究仅局限于织物的静态弯曲及规定变形状态下的准动态弯曲变形，对柔性织物材料的自由动态弯曲的研究尚处于起步阶段.较之静止弯曲状态，机织物在实际应用中更多地呈现一种自由反复、多向复合的动态弯曲行为，如摇曳的裙摆、飘动的旗帜等，这些现象宏观上多被称为动态悬垂变形行为，而微观上主要是面料各方向动态弯曲构成的综合变形效果，因此，对织物动态弯曲性能研究非常有必要.

本文基于空气动力学原理的测试方法设计一种实验装置，对织物动态弯曲变形性能进行测试分析，提出动态弯曲角指标表征织物动态弯曲性能.采用上述实验装置对自制系列莱塞尔机织物进行了动态弯曲性能测试，得到相应莱塞尔机织物试样动态弯曲角随时间的变化曲线和平均动态弯曲角，从而对试样的动态弯曲性能进行分析和评价.

1 实 验

1.1 织物动态弯曲性能测试系统

织物动态弯曲性能测试系统［4－8］由风道区、试样测试区及观测区3部分组成，织物动态弯曲性能测试系统如图1所示.风道区长4.5m，其一端外侧放置可调功率风机；靠近风道区出气口处的一段透明的玻璃管道为试样测试区，用于放置试样，并可对其进行观察和拍摄，该区内部顶端有一夹持钳口，用于夹持矩形试样；观测区位于试样测试区与风道区所在直线的垂线上，正对测试区.观测区由三角支架、摄像机和水平仪组成，用来拍摄和记录织物试样在气流作用下的自由动态弯曲变形行为.

在拍摄之前，首先借助水平仪调节摄像机镜头，使镜头内的垂直线与测试区的铅垂线相重合.然后打开风机，借助风速仪调节风速使其达到所需值，待风速稳定后，将织物试样放入测试区内夹持住.由于气流对面料以及面料对气流的相互作用，管道中的织物试样处于一种相对稳定、自由的反复弯曲运动状态，每隔1/24s拍摄织物变形图像，持续拍摄40s，对各个织物图像进行处理，计算需要的数据.

图1 织物动态弯曲性能测试系统Fig.1 The test system of fabric dynamic bending

1.2 织物动态弯曲性能指标

为了对织物的动态弯曲性能进行表征，本文提出并采用动态弯曲角指标，其定义为织物试样在气流作用下进行弯曲摆动变形后，在夹持位置试样与铅垂线的夹角θ，动态弯曲角示意图如图2所示.

在实验中每隔1/24s测试动态弯曲角，并得到该指标一段时间内的平均值和随时间的变化曲线，以此对相应织物的动态弯曲行为进行分析和表征.

图2 动态弯曲角示意图Fig.2 Illustration of dynamic bending angle

1.3 织物设计和织造

影响机织物动态弯曲性能的内因复杂多样，包括纤维和纱线原料、织物组织结构参数、各种后整理工艺等.本文着重研究纱线线密度和织物组织结构参数与织物动态弯曲行为的关系，为尽可能消除后整理等因素的干扰，织物试样全部为自行设计织造.选用27.8tex，14.1tex，9.8tex共3种纯莱塞尔纱，采用东华大学教育部重点实验室纺织面料技术的全自动剑杆小样织机织造了系列纯莱塞尔机织物.下机后采用Y511型织物密度镜测试织物经纬密度.表1为所用机织物试样的设计、织造参数，以及下机后测试得到的织物试样经纬密度和面密度.

表1 织物试样组织结构参数Table 1 The structural parameters of the fabric samples

1.4 测试数据计算

通过自编的VC＋＋程序WQJ Calculation（Visual Studio2008运行环境）对每幅图像进行处理，计算得到该时刻织物试样动态弯曲角θi.每个试样在40s内可以计算得到960个动态弯曲角数值，对其取平均值，得到平均动态弯曲角，并可得到动态弯曲角－时间（θ－t）曲线.

2 结果与讨论

24块纯莱塞尔机织物下机后，经过低温熨烫、自然干燥、消除内应力之后，被裁剪成（20＋1）cm×10cm的矩形试样.在恒温恒湿室内调湿24h，测试环境保持在温度为（20±2）℃和相对湿度为（65±2）%.在1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s风速下，对每块试样的经纬向分别进行测试，得到每隔1/24s的各时刻织物图像.

2.1 织物试样动态弯曲角随时间的变化曲线

织物动态弯曲角θi值反映了某时刻下试样在夹持位置的弯曲变形程度，其值越大，弯曲变形越显著（参见图2）.

试样9纬向在风速1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s下的弯角随时间变化曲线如图3所示.从图3可以看出，在设定的气流环境中，柔性织物材料因与气流交互作用而产生一种表观上瞬时无序而实际上呈现内在规律性的弯曲变形行为.由于试样对气流的阻碍作用，在试样局部两侧会产生瞬时压差，该压差具有局域性动态变化性，压差的变化导致试样内部受力不匀，从而产生进一步变形，这实际上是柔性结构体织物材料在气流的作用下，通过自身的运动和变形来吸收－释放能量以适应外力的作用，宏观上呈现一种动态弯曲变形行为.

图3 织物试样9纬向动态弯曲角－时间曲线Fig.3 The dynamic bending angle－time curve of the fabric sample 9

2.2 气流对莱塞尔机织物动态弯曲性的影响

织物试样9纬向动态弯曲角－时间曲线如图3所示.从图3可以看出，虽然θi随时间在不停地变化，但一块试样在某个风速下一段时间内的动态弯曲角总围绕着一个相对稳定值上下波动，该稳定值随试样及风速而变化.为此，以平均动态弯曲角作为该相对稳定值的

近似或代表值.24块纯莱塞尔机织物试样平均动态弯曲角测试结果见表2.

表2 织物试样平均动态弯曲角Table 2 Average dynamic bending angle of fabric samples （°）

从表2可以看出，纱线线密度和组织结构相同的一类面料，在1.0～3.0m/s的风速范围内，其经/纬向的平均动态弯曲角基本上随着风速的增加而呈现增大趋势，说明风速的增加一定程度上提高了试样在运动过程中的重力势能.为进一步研究风速与试样平均动态弯曲角的关系，对所用试样的经/纬向平均动态弯曲角与风速做了单因素方差分析［9］，试样数据分析见表3.从表3可以看出，每块织物与风带的显著性都很明显，说明风速对织物的平均动态弯曲角有着相当显著的影响关系.

表3 风速单因素方差分析表（显著性水平α＝0.01）Table 3 Variance table analysis of wind speed single factor（Significance levelα＝0.01）

2.3 织物动态弯曲角与织物主要规格参数之间的量化关系

由于众多因素影响织物的动态弯曲性能，从理论上很难判断何谓主要因素、次要因素，采用MINITAB［10］对平均动态弯曲角与织物主要规格参数及风速做了相关分析、逐步用回归及多元回归进行分析.2.3.1 相关分析 相关分析用于计算变量清单中，每一对变量之间（即两两变量之间）的皮尔逊方差相关系数及其P值，MINITAB相关分析结果如下（X1为纱线线密度，X2为织物质量，X3为织物厚度，X4为织物紧度，X5为风速，Y为平均动态弯曲角）：

单元格里第一行的内容是皮尔逊相关系数，第二行是相应的P值.用相应假设检验判断两个变量是否“相关”，即原假设H0：二变量不相关；备择假设H1：二变量相关.一般规定：P值＜0.05判定他们相关.由检验结果可知：X1和X2的相关系数是0.942，P值0.000＜0.05说明X1和X2相关，同理X1与X3，X4相关，X5与X1，X2，X3，X4不相关，Y 与X1，X2，X3，X4，X5相关.

2.3.2 回归分析 利用回归分析讨论各因素之间对平均动态弯曲角影响程度的大小及回归方程.下面利用平纹织物经向相关数据进行回归分析.经过多次回归运算，最终选择如下结果：

从分析结果中的方差分析出的P＜0.05，说明纱线线密度与风速对平均动态弯曲角的影响均是显著的；回归方程中的P＜0.05，但风速的P值小于纱线线密度的P值，说明风速对平均动态弯曲角的影响程度大于纱线线密度.回归方程为＝6.44－0.000 370 X21＋0.519 X5，残差图如图4所示.从图4可以看出，残差在±0.5内，正态概率图也较接近，所以回归方程准确.

同理，对莱塞尔平纹纬向，斜纹经向和斜纹纬向做回归分析，得到回归方程如下：

图4 残差图Fig.4 Residual plots

为了验证测试装置，进一步确定平均动态弯曲角与纱线线密度及风速之间的量化关系，将文献［11］对棉的相关测试数据进行回归分析，得到如下回归方程：

因此，回归方程表明，第一，织物的平均动态弯曲角与风速成正相关，风速越大平均动态弯曲角也越大.第二，织物的平均动态弯曲角与纱线线密度的平方成负相关，纱线线密度越大平均动态弯曲角越小.第三，织物的平均动态弯曲角还与织物厚度、织物紧度、织物面密度等因素有一定的关系，具体的量化关系还有待进一步研究.

3 结束语

提出动态弯曲角指标，测试和计算了织物试样的瞬时动态弯曲角、平均动态弯曲角，并绘制了动态弯曲角－时间曲线.经过对动态弯曲角－时间曲线的分析，发现相应织物试样在一定的气流环境中呈现一种内在的规则的动态弯曲变形行为，该行为取决于织物自身原因和外界气流因素.通过对实验数据的计算和统计分析，发现平均动态弯曲角与纱线线密度的平方成负相关，与风速成正相关.

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