謝　娟，龍海如

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

雙向拉伸下的緯平針織物線圈形態(tài)分析

謝娟，龍海如

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

采用二維線圈結構模型，計算緯平添紗針織物的針編弧、圈柱和沉降弧在雙向拉伸下的長度變化，進而分析線圈形態(tài)變化和紗線轉移情況．實驗結果表明：在橫向拉伸、縱向高度不變的雙向拉伸下，圈弧長度增加，圈柱長度減少，紗線由圈柱向圈弧轉移；在縱向拉伸、橫向寬度不變的雙向拉伸下，圈弧長度減少，圈柱長度增加，紗線由圈弧向圈柱轉移．理論結果和實驗結果具有較好的一致性，表明此二維線圈結構模型可以用于分析和預測緯平針織物在雙向拉伸下線圈形態(tài)變化和紗線轉移．關鍵詞： 緯平針織物；雙向拉伸；線圈模型；紗線轉移

對緯平針織物的結構和變形理論研究已達半世紀之久．學者們通過建立針織物幾何結構模型[1-7]分析了針織物線圈在未拉伸條件下的結構形態(tài)，如文獻[1]首次提出了針織物線圈由直線和圓弧組成的觀點；文獻[7]采用彈性桿理論分析了針織線圈的三維結構模型.但這些理論缺乏對針織物拉伸性能的分析.由于在生產和實際服用的過程中，緯編針織物經常受到多方向同時拉伸，如平面內的雙向或多向拉伸與剪切，服裝肘部、肩部等彎曲部位的受力變形.為了分析測試針織物的實際受力情況，從20世紀60年代開始，已有學者開始研究針織物在多向和雙向拉伸條件下的性能變化[8-14].其中在對針織物的雙向拉伸研究中，文獻[8]提出了一種用于計算分析針織物的雙向拉伸性能的理論方法，并解釋了針編弧和沉降弧由彎曲到拉直過程中的長度變化．文獻[9]提出了一個六邊形線圈模型，并用有限元法計算模擬了織物在雙向拉伸變形后的形態(tài)．文獻[10]根據彈性桿理論，預測針織物在雙向拉伸條件下的力與應變關系．文獻[12-13]對針織物在雙向拉伸下的黏彈性和滯后性進行了研究.

然而，上述模型并未對針織物線圈在雙向拉伸過程中其圈弧、圈柱的長度變化進行分析計算．本文通過綜合運用上述的幾何結構模型和力學模型，分析緯平針織物在雙向拉伸條件下其針編弧、圈柱和沉降弧的長度變化，探討其線圈形態(tài)改變和紗線轉移情況，以便為預測針織物在雙向拉伸條件下的力學性能提供參考．

1　緯平針織物的雙向拉伸

針織物的雙向拉伸分為兩種： 第一種為一向固定，另一向拉伸(strip biaxial elongation,SBE)，具體可分為橫向拉伸縱向高度維持不變(SBE-X)和縱向拉伸橫向寬度保持不變(SBE-Y)兩種情況；第二種為橫向和縱向同時拉伸．

針織物在雙向拉伸過程中，經歷兩個階段：(1)線圈中紗線形態(tài)的改變，即在小應變時，紗線由彎曲態(tài)逐漸到完全伸直狀態(tài)的改變；(2)紗線長度的改變，即完全伸直的紗線長度開始增加，發(fā)生伸長．此外，在整個拉伸過程中，紗線在線圈的交織點發(fā)生“滑移”．假設在整個拉伸過程中，織物的每個線圈的形態(tài)與結構完全均勻和對稱．

2　線圈結構模型

2.1未拉伸狀態(tài)下的線圈結構模型

緯平針織物線圈在未拉伸狀態(tài)下的形態(tài)結構圖1所示．線圈的針編弧和沉降弧分別是直徑為a0和D的兩個半圓弧紗段．其中，a0為兩個圈柱軸線之間的最大距離；θ0為圈柱與橫列方向的夾角(0°<θ<90°)；A0(mm)和B0(mm)分別為針織物在未拉伸狀態(tài)下的圈距和圈高.

圖1　未拉伸狀態(tài)下針織線圈結構圖Fig.1　The loop structure in initial state

針編弧La(mm)、沉降弧Ld(mm)和圈柱Lb(mm)的理論計算式如式(1)所示，其中PA和PB分別為針織物的橫密(縱行/50 mm)和縱密(橫列/50 mm)，L0為線圈的初始長度．

(1)

2.2雙向拉伸狀態(tài)下的線圈結構模型

針織物在SBE-X和SBE-Y雙向拉伸狀態(tài)下的線圈結構形態(tài)如圖2所示．

圖2　雙向拉伸針織線圈結構圖Fig.2　The loop structure under strip biaxial elongation

假設：(1)線圈的針編弧和沉降弧分別由位于兩個交織點之間的直線紗段ls(即針編弧中的lsa及沉降弧中的lsd)和交織點處的兩個彎曲紗段lc組成.(2)在拉伸過程中，相鄰線圈始終在“交織點”處緊密接觸，串套處紗線軸向水平間距為紗線的直徑d.由于小應變拉伸，紗線直徑及紗線在交織點處的彎曲曲率變化甚微，故假設彎曲紗段lc長度不變.(3)在橫向拉伸、縱向高度不變(SBE-X)的情況下，圈距Ax和ax均隨橫向應變εx的增加而線性增加，圈高Bx保持不變；在縱向拉伸、橫向寬度不變(SBE-Y)的情況下，圈距Ay保持不變，圈高By和ay均隨縱向應變εy的增加而線性增加.α和β分別為a與應變ε在SBE-X和SBE-Y中的比例系數，可根據實驗測量值擬合計算求得.(4)由于本文將研究緯平針織物在一向固定、另一向拉伸的雙向小應變情況下的線圈形態(tài)變化，在拉伸過程中，紗線是由初始態(tài)到伸直態(tài)的變化，不發(fā)生伸長，且每個線圈的長度L0保持不變．

SBE-X和SBE-Y拉伸下線圈各紗段的理論計算式如式(2)和(3)所示，其中Lx和Ly分別為相應的線圈長度．

(2)

(3)

由于線圈長度在整個拉伸過程中保持不變，故有L0=Lx=Ly，得到式(4)．

(4)

令

(5)

其中t≥1，將式(5)代入式(4)中得到式(6)

(6)

將橫向應變εx和縱向應變εy的實驗結果代入式(6)中，可以求解出相應的tx與ty值．

將式(5)分別代入式(2)和(3)，得到線圈針編弧La、圈柱Lb和沉降弧Ld在SBE-X和SBE-Y拉伸條件下的理論計算式如式(7)和(8)所示，據此進而可以預測針織物的線圈在雙向拉伸條件下的紗線轉移情況．

(7)

(8)

3　實　驗

實驗所用試樣為在SANTONI SM8 Top2無縫內衣機上編織而成的添紗緯平針織物，其組織結構如圖3所示，面紗1為78 dtex/48 F 錦綸長絲紗，地紗2為44 dtex/12 F錦綸/33 dtex氨綸包芯紗．試樣的尺寸為16 cm×16 cm，橫密為80縱行/5 cm，縱密為130橫列/5 cm．

圖3　試樣的線圈結構組織Fig.3　Loop structure of specimen

試樣在雙向拉伸條件下的拉伸力與應變值由溫州大榮的X-Y雙向強力儀測得．設定拉伸速度為60mm/min,預加張力為0.1N，當試樣在拉伸方向的應變達到30%時，實驗結束.在整個拉伸過程中，試樣的線圈形態(tài)實時變化由SONYDCR-SR200E攝像機記錄．在SBE-X和SBE-Y拉伸下，應變?yōu)?%，15%和30%時試樣的形變圖分別如圖4和5所示.

(a) =0%

(b) =15%

(c) =30%圖4　SBE-X拉伸下試樣在不同形變時的形變圖Fig.4　Deformation of specimens at various strain under SBE-X

(a) =0%

(b) =15%

(c) =30%圖5　SBE-Y拉伸下試樣在不同形變時的形變圖Fig.5　Deformation of specimens at various strain under SBE-Y

4　實驗結果與討論

4.1拉伸力與應變測量

(a) SBE-X

(b) SBE-Y圖6　試樣在雙向拉伸下的拉伸力與應變關系Fig.6　The relationship between tensile force and strain of specimen under biaxial elongation

4.2線圈的針編弧、圈柱和沉降弧長度計算

實時拍攝線圈形態(tài)在雙向拉伸過程中的變化，并從錄像中選出不同應變下對應的幀．利用Matlab軟件分析圖像，測量多組線圈結構幾何參數如d，θ，a，La，Lb和Ld等值，并取平均值．線圈在未拉伸狀態(tài)下時，測量得a0，d，θ和L0分別為0.437 mm，0.12 mm，56°和2.725 mm．

圈柱最大間距在SBE-X和SBE-Y拉伸下的實測值如圖7所示，通過對實驗測量值的線性擬合分析(如式(9)所示)，由式(9)可以直接讀出，圈柱最大間距在兩種拉伸下的線性系數α和β分別為0.5067和0.0340.

(a) SBE-X

(b) SBE-Y圖7　最大圈柱間距的實測值和理論擬合曲線Fig.7　The measured results and fitting curve of maximum space between two legs

(9)

將式(9)和應變ε的實驗結果，以及根據實驗值ε得到的t值代入式(7)和(8)中，可以得到針編弧La、圈柱Lb和沉降弧Ld分別在SBE-X和SBE-Y兩種拉伸條件下的理論計算值．

La，Lb和Ld的實驗測量值與理論計算值的對比如圖8所示．由圖8可以看出，在SBE-X拉伸條件下，線圈的針編弧和沉降弧都隨著應變增加而增加，且沉降弧增長幅度大于針編弧的增長幅度，同時圈柱隨著應變增加而降低，這說明緯平針織物在橫向拉伸、縱向高度不變的雙向拉伸中，紗線由圈柱向針編弧和沉降弧轉移，以滿足針織物在橫列方向的延展．在SBE-Y拉伸條件下，線圈的針編弧和沉降弧隨著應變增加逐漸減少，同時圈柱長度隨著應變增加逐漸增加，這說明緯平針織物在縱向拉伸、橫向寬度不變的雙向拉伸中，紗線由圈弧向圈柱轉移，以滿足針織物在縱向的延展．由于La，Lb和Ld的理論值與實驗測量值有較一致的變化趨勢，因此，該二維線圈結構模型擁有較好的準確性，可用于預測和分析針織物在雙向拉伸過程中的線圈形態(tài)變化和紗線轉移情況．

圖8　針編弧、圈柱和沉降弧長度在雙向拉伸下的實測值和理論計算值Fig.8　Experimental results and calculated data on the length of head loop,leg and sinker loop under biaxial elongation

5　結　語

本文建立了一個二維針織物線圈結構模型，用于計算在雙向拉伸條件下緯平針織物的針編弧、圈柱和沉降弧的長度變化．實驗結果和理論計算結果表明，在橫向拉伸、縱向高度不變的雙向拉伸下，線圈的紗線由圈柱向圈弧轉移；在縱向拉伸、橫向高度不變的雙向拉伸下，線圈中的紗線由圈弧向圈柱轉移．實驗結果與理論曲線有較好的一致性，因此，所建立的模型具有較好的準確性和一致性，可用于計算和預測線圈形態(tài)的變化以及在雙向拉伸過程中紗線轉移情況.研究結果為針織物多向拉伸力學性能分析提供參考．

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Analysis on Loop Shape of Plain Knitted Fabric under Biaxial Elongation

XIEJuan，LONGHai-ru

(College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China)

A two-dimensional loop structure model is proposed to calculate the length of head loop,leg and sinker loop of plain knitted fabric under biaxial elongation,and predict the loop shape change and yarn transfer during elongation process.The experimental results indicate that yarn transfers from leg to curved sections under strip biaxial elongation in course direction,while it transfers from curved sections to leg under strip biaxial elongation in wale direction.Good accordance between the theoretical data and measured results shows this model can be used to predict the loop shape change and yarn transfer of plain knitted fabric under strip biaxial elongation within acceptable accuracy.

plain knitted fabric; biaxial elongation；loop model; yarn transfer

1671-0444(2015)02-0183-06

2014-02-19

謝娟(1987—)，女，河北邯鄲人，博士研究生，研究方向為智能紡織品．E-mail: anna.jxie@gmail.com

龍海如(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: hrlong@dhu.edu.cn

TS 181

A