CN101691691A - 一种织物成型性的评价方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种织物成型性的评价装置及方法，包括支架、支持托盘、托盘洞和成像装置，其在支持托盘上对织物试样施以准约束力；在托盘洞下方设有一个使织物试样成型的物体模型；并且设有驱动该物体模型或支持托盘运动的动力装置，同时在支持托盘上方配有成像装置，可以将织物成型的形态记录下来，并运用专门的软件对记录的形态加以识别和分析，得出织物成型性的评价结果。该方法及装置能够更好的使试样受均匀、可控、随机的变形约束力；作用于试样的强迫变形力和试样的变形位移可测定；对成型性能不同的织物有较好的区分度。

Description

一种织物成型性的评价方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种织物成型性的评价方法，尤其涉及一种纺织物成型性的评价装置。属于纺织品领域。

背景技术：

目前，对织物适形性的研究主要集中在适形原理分析、适形实验以及适形模拟等方面。研究方法主要有以下三种：

(1)从织物的剪切性能入手，研究织物的变形机理。

在织物的适形性研究中，从织物的剪切性能入手研究得最多。剪切学说认为，织物圆滑、无皱褶变形达到的临界条件是经纬纱线间的锁定角——经纬纱线之间最大的允许变化角度。然而，目前还没有提出计算锁定角的实用方法，唯一方法还是实验法，常用的是剪切框测试法。织物的初始剪切模量、剪切变形能和剪切恢复率都可以作为评价织物适形能力的参数。

有人用剪切框获得了不同织物的剪切锁定角。并对剪切框进行了改进，发现纱线宽度的减小与起皱有密切的关系。也有人对平纹、斜纹、五枚经面缎纹和八枚缎纹以及经编和纬编结构的玻璃纤维织物预成型进行研究，测定了机织物在不同方向上的拉伸性质以及机织物的锁定角，并将织物参数与锁定角联系了起来。还有文献运用不同的方法获取了剪切力与剪切角的关系，认为褶皱与变化的剪切角有关，而剪切角由初始扭曲、摩擦阻力和弹性阻力的简单累计构成。也有将销钉铰接模型应用到复合材料成型中的。

Pan和Carnaby假定单位纤维细胞对外部剪切力的初始反应体现在纤维的弯曲和密集区的滑移。应用单位纤维细胞内纤维排列方向的密度函数来得到滑移区和非滑移区的比例。Prodromou和Chen考虑到平纹织物的单位组织，提供了一个几何模型来预测织物中出现褶皱等疵点的几率。

Asvadi和Postle应用线性粘弹性理论来分析高剪切应力下织物的剪切性能，他们对机织物在大的剪切变形下的粘弹性和摩擦力进行了大量研究。Grosberg和Park针对机织物在剪切变形的基础上提出了一个机械模型，该模型考虑到了纱线的卷曲，在这之前因为数学上的复杂性忽略了纱线的卷曲，除此之外，他还修正了剪切时经纬纱交织处的错误的摩擦公式，较之以前的模型，该模型给出的理论结果更佳。

T.A.Nestor等运用画框剪切装置对热塑性复合材料成型过程中的层内剪切现象进行了实验研究，加深了对板材成型的力学理解，通过与其它流变数据相结合，建立数学模型，用于复杂成型情况的数值模拟的输入。

这些研究方法和研究结果的局限性在于它们只适应于单层织物，不适应多层织物，而工业上通常采用多层。而且这方面的研究多以机织物为代表，使用的模型多是Mack和Taylor发明的销钉铰接模型，这些模型往往假设纱线之间是不滑移的。这种假设具有一定的局限性，因为织物在成型时，如箱包、鞋帽和复合材料的加工过程中，经纬纱之间的滑移往往是不可避免的。

(2)从研究织物的悬垂性入手研究织物在自重作用下的适形效果，可在一定程度上体现织物的适形性。

Chu等人发明了一种悬垂测量仪，并使用这种仪器研究了织物悬垂的弯曲和剪切影响，通过大量的实验数据的统计分析，Chu得出了悬垂效果和剪切刚度、以及弯曲刚度有关的结论。该仪器为悬垂研究奠定了一定的基础。

Morooka等人分析了悬垂系数和织物力学性能的关系，数据统计显示织物的弯曲刚度和重量是织物悬垂系数的决定性因素。Amirbayat和Hearlel评述了模拟织物悬垂的研究工作，指出织物的悬垂褶皱是织物的双曲变形产生的，同时指出织物的弯曲刚度、剪切模量在织物悬垂效果中起重要作用。

(3)从半球模压试验入手，用特制的半球模具冲压织物，迫使织物在较大的应力下发生变形，然后通过织物在模压半球上成形后的外观反映织物的适形能力。

Mohammed，C.Lekakou和M.G.Bader采用双半球模具对织物进行扣压成型，模具包括两部分，上面的部分是聚甲基丙烯酸甲酯PMMA(透明的有机玻璃)制成的模块，以便观察织物的变形情况。在该模块中间部分取一个半径为100mm的半球空间。模具下半部分用铝制成，在基座中心有一个半径97mm的与上半球相匹配的半球。

试验前，先用粗钢笔在织物试样上画出20*20的小格，待成型后，观察经纬纱线在交织点处的角度变化，将变形前后经纬纱线之间的角度变化称为剪切变形角。他们对平纹松散织物、斜纹、缎纹以及平纹紧密织物进行了试验，通过该方法分析了织物的变形规律。发现平纹松散组织和斜纹组织的剪切变形角最大为56度，其次是缎纹组织52度，最后是平纹紧密组织48度，说明了织物变形难易的原因。

Ji Seok Lee等采用半球冲压装置分析了平面边框夹持力对成型形状的影响，尤其是对NCF无屈曲织物非对称性成型的影响。他在边框夹持器上放置不同的载荷来施加夹持力，使夹持力从0.5到61.4kgf变化。通过测量NCF织物中纤维角度的变化，认为边框夹持力对纤维角度的局部变化起到积极影响，在边框夹持区域内，NCF织物的非对称剪切变形得到改善。

O.Rozant等利用半球状活塞装置，对几种织物进行了冲压成型测试，定义了面积拉伸率R_a即成型后的面积与初始面积的比值。利用这一指标表征织物的成型能力，该值越大，成型性越好。这种方法适用于延伸性较大的针织物或者弹性很好的膜材料的成型预测。

综上所述，关于织物剪切性能的研究，多用剪切锁定角来界定织物的起皱极限。研究者对剪切锁定角进行了很多研究，但是剪切锁定角多用于机织物的起皱界定，并且基于铰链连接模型的假设。

半球成型实验方法简单、结果直观，在很大程度上反映了织物在外力作用下的变形行为，学者们所用的半球成型装置，多是采用一阳一阴两个半球模具，对放置在中间的织物进行模压，使之在半球表面成型。或者使用半球状冲头，对织物进行冲压，使织物在半球表面变形。半球成型试验使织物各部位同时受较大且均衡作用力，并迫使织物产生一定伸长，更适于预测弹性膜材料的成型性。但是，半球成型实验法对织物的约束力往往都比较大，以约束织物不能滑移，一旦织物滑移就容易造成织物的不对称运动，使实验难以进行。因此，半球成型实验法不能很好的模拟织物在小应力条件下的适形能力。另外，阴-阳模半球成型实验法要求阴模与阳模的圆心相同，否则会造成压力不均匀。同时阴模与阳模之间的最小间距须与织物的厚度相一致，否则就会造成压力过大，或过小。

因此，已有的研究方法中，无论是半球冲压法还是悬垂法，都难以有效地模拟织物成型过程中的的受力特点。因此，针对衬布、玻璃纤维复合材料制品、复合医用夹板、箱、包、鞋、帽的成型特点，研究一种织物适形能力的评价方法，是十分必要的。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种织物成型性的评价方法及装置，以有效地模拟织物成型过程中的的受力特点，用于更好的研究评价织物的成型性，便于生产和使用。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种织物成型性的评价装置，包括支架、与支架连接的支持托盘、设置在支持托盘上方的成像装置以及设置在支架上的驱动装置；支持托盘中部设有托盘洞，托盘洞下方设有一个物体模型；在其支持托盘上铺设织物试样，在支持托盘内，织物试样上面平铺有圆球；所述驱动装置与物体模型或支持托盘传动连接。该评价装置，圆球在支持托盘上对织物试样施以向下的均匀准约束力；在托盘洞下方的物体模型可以使织物试样成型；并且设有驱动该物体模型或支持托盘运动的驱动装置。

上述的织物成型性的评价装置，在物体模型或支持托盘下方设有一个力和位移传感器；所述力和位移传感器，量程10N-200N，感量0.1N-0.001N。

上述的织物成型性的评价装置，成像装置由布柔光罩、环形灯管、摄像装置和灯罩组成，所述摄像装置位于灯罩顶端中部，所述布柔光罩位于灯罩内部，环形灯管环扣在布柔光罩外部，各部分装置构成无影灯结构；摄像装置为直径20-100mm的CCD摄像头。

上述的织物成型性的评价装置，托盘洞是直径为21mm-101mm的圆孔；使织物试样成型的物体模型为球状模型、锥形模型或圆台形模型，最大直径为20mm-100mm；在支持托盘上对织物试样施加的准约束力，由平铺在织物试样上面的直径为0.5mm-12mm的圆球对织物试样施加；圆球的材质为钢、铁、不锈钢、玻璃、陶瓷或塑料。

一种织物成型性的评价方法，按如下步骤进行：

(1)取一织物试样，把它平整的平铺在上述评价装置的支持托盘上，并对织物试样施加向下的均匀准约束力；

(2)通过驱动装置，推动物体模型向上运动或驱使支持托盘向下运动，使物体模型顶取织物试样，使织物试样表面出现皱褶，并逐渐增加；

(3)在物体模型或支持托盘运动的过程中记录织物试样褶皱样式，并且记录物体模型或支持托盘的位移和所受压力的大小；

(4)经过多次的实验，根据织物试样表面褶皱度、物体模型或支持托盘的位移和它所受的压力计算出织物的成型能力。

上述的一种织物成型性的评价方法，在实验时，将织物试样裁剪为圆型，直径在100mm-500mm，在上面画上直径最小为5-10mm，最大为120-180mm，级差为5-20mm的同心圆。绘制的物体模型位移-作用力曲线的数据，通过力和位移传感器获得。

该织物成型性的评价方法及装置，与以往技术相比，能够更好的使试样受均匀、可控、随机的变形约束力；作用于试样的强迫变形力和试样的变形位移可测定；对具有不同成型性能的织物有较好的区分度。

附图说明：

图1为实施例一的织物成型性的评价装置结构示意图；

图2为实施例二的织物成型性的评价装置结构示意图；

图3为织物成型过程图；

图4为顶球的位移-作用力曲线图；

图5为试样1的五块试样顶球位移-作用力曲线图；

图6为试样1的五块试样的成型图；

图7为试样6的五块试样顶球位移-作用力曲线图；

图8为试样6的五块试样的成型图；

图9为褶皱形态描述示意图；

图10为曲线轮廓图；

图11为特征轮廓展开图。

具体实施方式：

实施例一：

设置一个织物成型性的评价装置，如图1，取一直径为300mm的织物试样10，在上面画上直径最小为10mm，最大为120mm，级差为10mm的同心圆，并把该织物平整的平铺于支持托盘4上，在织物试样10上面平铺上直径为5mm的圆球8对织物试样10施以准约束力；通过驱动装置11，推动传感器7和物体模型6缓慢上移，顶取织物试样10，随物体模型6继续的不断上升，织物试样10逐渐包裹住物体模型6，并且织物试样10表面开始出现皱褶，并逐渐增加，如图3所示；用摄像装置1，摄取织物试样10上皱褶的样式；在物体模型6顶着织物试样10上升过程中，通过位移和力传感器7可记录物体模型6上升的位移和所受压力的大小，根据需要绘出物体模型6的位移-作用力曲线，如图4所示；这样多次取样反复试验，根据织物试样10表面的皱褶程度、物体模型6的位移和物体模型6所受的压力计算出织物的成型能力。

1.影响因素与试验效果

试验发现，小钢球的数量、顶球的大小和试样大小等均对试验结果有显著影响。通过试验，选择小钢球的直径5mm，小钢球的总量为5kg，试样直径为300mm为检验该方法的有效性，先后做了大量的试验，表1列出了部分试验用样品的规格。

表1  部分试验用样品的规格

试样	织物组织	经/纬细度(旦)	经/纬密度(1/10cm)	纤维种类	克重(g/m2)
						试样1	1/4斜纹	180/90	675/314	尼龙	141
试样2	平纹	162/324	352/275	尼龙	184

图5和图7分别为试样1和试样6的五块试样的顶球位移-作用力曲线。图6和图8分别为试样1和试样6的五块试样的顶球成型形态。通过观察和对比图5、图6和图7、图8，可以看出对于相同的试样其顶球位移-作用力曲线及成型形态是基本一致的，而不同的试样顶球位移-作用力曲线及成型形态是不同的，表明该方法具有较好的重现性和区分度。

2.织物褶皱的表征

褶皱形态描述

(1)褶皱长度L    是指褶皱在球体上“爬升”的距离。由于褶皱在球体上呈三维弯曲的形态，测量有一定的难度。为此在实验时可事先在试样上画若干直径呈等差序列的同心圆作为测量尺，如图9所示，图9中的同心圆直径最小为10mm，最大为120mm，级差为10mm。理论上讲，最大圆的直径应大于模型球体周长的一半即可，因为实验时只考察试样在模型球体上半球的成型情况。本试验采用的模型球体的直径为6cm，因此，褶皱长度应从直径不小于9cm(6π/2≈9)的同心圆开始算起。故褶皱1和褶皱4的长度为3cm，褶皱2和褶皱5的长度为2cm，褶皱3的长度为4cm。

(2)褶皱宽度w    是指褶皱离开模型球体而隆起的宽度。因褶皱的宽度往往为上窄下宽的三角形，因此对于这种形状的褶皱应在不同的同心圆上分别测量W_j，j＝1，2，……m。

(3)褶皱高度h    是指褶皱离开模型球体延球面法线方向隆起的高度。因为褶皱高度往往不是一个常量，因此应在不同的同心圆上分别测量h_j，j＝1，2，……m。

(4)褶皱数量n  是指褶皱的个数，如图9中共有5个褶皱。

(5)褶皱锐度k  是指褶皱的平均高度与平均宽度之比，即

褶皱分布形态表征

(1)褶皱高度均方差

褶皱高度均方差S_h可用下式表征：

$S_h=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{nm}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(h_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{h})}^2}$

式中，h_ij为第j个同心圆的第i个褶皱的高度；h是褶皱的平均高度。

(2)褶皱宽度均方差S_w

$S_w=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{nm}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(w_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{w})}^2}$

式中，w_ij为第j个同心圆的第i个褶皱的宽度；w是褶皱的平均高度。

(3)褶皱长度均方差S_l

$S_l=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(l_i-\stackrel{\‾}{l})}^2}$

式中，l_ij为第i个褶皱的长度；l是褶皱的平均长度。

(4)褶皱分布角度均匀度S_θ

$S_{\mathrm{\θ}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}})}^2}$

式中，θ_i为第i个褶皱与第i+1个褶皱的夹角；θ是褶皱间的平均夹角。

(5)褶皱覆盖率k    是指褶皱的平均宽度与褶皱平均间距的百分比。

即 $k=\frac{\stackrel{\‾}{w}}{2\mathrm{\πR}-n\stackrel{\‾}{w}}\×100\%$

用上述指标可以比较准确的描述织物的褶皱形状，可根据不同的产品，不同的应用要求，综合运用这些指标制定相应的织物成型性评价体系。

3.利用matlab对曲线的识别

利用matlab软件，用图像识别技术提取曲线的二维曲线形态进行分析，并判断织物的成型能力。通过图像处理得出清晰的曲线轮廓，如图10所示，然后再将曲线沿角度展开成曲线，如图11所示。再用数学方法求出表征成形性的各项特征指标。

实施例二：

设置一个织物成型性的评价装置，如图2，取一直径为500mm的织物试样，在上面画上直径最小为5mm，最大为180mm，级差为5mm的同心圆，并把该织物平整的平铺于支持托盘上，在织物试样上面平铺上直径为10mm的钢球对织物试样施以准约束力；通过动力装置，使支持托盘向下运动，使物体模型顶取织物试样，随着支持托盘持续的不断下降，织物试样逐渐包裹住物体模型，并且织物试样表面开始出现皱褶，并逐渐增加；用成像装置，摄取织物试样上皱褶的样式；从物体模型接触织物试样开始，支持托盘不断下降的过程中，通过位移和力传感器可记录支持托盘下降的位移和所受压力的大小，根据需要绘出支持托盘的位移-作用力曲线；这样多次取样反复试验，根据织物试样表面的皱褶程度、支持托盘的位移和所受的压力计算出织物的成型能力。

Claims (10)

1.一种织物成型性的评价装置，包括支架(12)、与支架连接的支持托盘(4)，在支持托盘(4)中部设有托盘洞(5)，在支持托盘(4)上方设有成像装置，其特征在于：在支持托盘(4)上对织物试样(10)施以向下的均匀准约束力；在托盘洞(5)下方设有一个使织物试样(10)成型的物体模型(6)；并且设有驱动该物体模型或支持托盘运动的驱动装置(11)，物体模型或支持托盘与驱动装置(11)传动连接。

2.根据权利要求1所述的一种织物成型性的评价装置，其特征在于：所述在支持托盘(4)上对织物试样施加的准约束力，由平铺在织物试样上面的直径为0.5mm-12mm的圆球(8)对织物试样(10)施加，圆球(8)的材质为钢、铁、不锈钢、玻璃、陶瓷、塑料。

3.根据权利要求1所述的一种织物成型性的评价装置，其特征在于：在使织物试样(10)成型的物体模型(6)或支持托盘(4)下方设有一个力和位移传感器(7)。

4.根据权利要求1所述的一种织物成型性的评价装置，其特征在于：所述成像装置由布柔光罩(2)、环形灯管(3)、摄像装置(1)和灯罩(9)组成，所述摄像装置(1)位于灯罩顶端中部，所述布柔光罩(2)位于灯罩(9)内部，环形灯管(3)环扣在布柔光罩(2)外部，各部分装置构成无影灯结构；摄像装置(1)为直径20-100mm的CCD摄像头。

5.根据权利要求1所述的一种织物成型性的评价装置，其特征在于：所述托盘洞(5)是直径为21mm-101mm的圆孔。

6.根据权利要求1所述的一种织物成型性的评价装置，其特征在于：所述使织物试样(10)成型的物体模型(6)为球状模型、锥形模型和圆台形模型，模型最大直径为20mm-100mm。

7.根据权利要求3所述的一种织物成型性的评价装置，其特征在于：所述力和位移传感器(7)，量程10N-200N，感量0.1N-0.001N。

8.一种织物成型性的评价方法，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)取一织物试样(10)，把它平整的平铺在支持托盘(4)上，并对织物试样(10)施加向下的均匀准约束力；

(2)通过驱动装置(11)，推动物体模型(6)向上运动或驱使支持托盘(4)向下运动，使物体模型(6)顶取织物试样(10)，使织物试样(10)表面出现皱褶，并逐渐增加；

(3)在物体模型(6)或支持托盘(4)运动的过程中记录织物试样(10)褶皱样式，并且记录物体模型(6)或支持托盘(4)的位移和所受压力的大小；

(4)经过多次的实验，根据织物试样(10)表面褶皱度、物体模型(6)或支持托盘(4)的位移和它所受的压力计算出织物的成型能力。

9.根据权利要求8所述的一种织物成型性的评价方法，其特征在于：实验时，将织物试样(10)裁剪为圆型，直径在100mm-500mm，在织物试样(10)上面画上直径最小为5-10mm，最大为120-180mm，级差为5-20mm的同心圆。

10.根据权利要求8所述的一种织物成型性的评价方法，其特征在于：绘制物体模型位移-作用力曲线的数据，通过力和位移传感器(7)获得。

Images