李 勇， 張 宏， 張有強， 陳曉川， 劉文亮

(1. 塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300； 2. 東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

棉纖維集合體壓縮力傳遞與密度關(guān)系

李 勇1， 張 宏1， 張有強1， 陳曉川2， 劉文亮1

(1. 塔里木大學 機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300； 2. 東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

為分析棉纖維集合體的壓縮力傳遞特性，在萬能試驗機上對棉纖維集合體進行壓縮試驗，用壓力傳感系統(tǒng)采集受壓棉纖維集合體上、中、下3層的壓強，分析傳感器采集的壓縮強度與棉纖維集合體應變、相對密度的關(guān)系。試驗結(jié)果表明：隨著棉纖維集合體應變的增加，其各層壓強值均增加; 各層棉纖維集合體壓強值由上而下呈降低趨勢，層間存在顯著壓強差。分析棉纖維集合體的密度-力學性能發(fā)現(xiàn)，其相對密度與壓強之間呈極佳的線性關(guān)系，即棉隨著纖維集合體相對密度的增加，各層壓強均呈線性增加。同時，相對密度與層間壓強差之間存在良好的關(guān)系，表明棉纖維集合體存在顯著的應變率敏感性。

棉纖維集合體； 壓縮力； 傳遞； 相對密度

棉花是新疆地區(qū)重要的紡織原料。在儲運、生產(chǎn)加工等環(huán)節(jié)，棉纖維集合體需被反復多次壓縮、放松，其壓縮性能的優(yōu)劣與各環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率密切相關(guān)。自20世紀50年代以來，國內(nèi)外學者對各類纖維集合體壓縮力學性能開展大量的壓縮理論推導、力學模型分析和相關(guān)試驗研究[1-3]，從力學原理角度分析纖維集合體的壓縮性能，也從壓縮力與壓縮變形力學曲線分析力學特征[4-6]，研究表明，纖維集合體的密度是影響壓縮力學參數(shù)最重要的指標，且纖維集合體密度與壓縮力之間存在著密切關(guān)系[7-9]。

目前，棉纖維集合體的壓縮力學指標與其壓縮密度演化過程分析、棉纖維集合體內(nèi)部應力分布、傳遞與密度梯度的建模與理論分析推導等方面的研究鮮有報道。針對此類問題的研究，有助于分析籽棉打垛、原棉打包等壓縮環(huán)節(jié)中棉纖維集合體的壓縮壓力與其受壓縮集合體內(nèi)部緊密度程度變化以及纖維集合體壓力傳遞之間聯(lián)系。

基于前人的研究，本文以棉纖維集合體為對象，采用壓力傳感系統(tǒng)采集棉纖維集合體壓縮過程的壓強值，分析壓縮過程中不同層間棉纖維集合體壓強值與密度的關(guān)系，建立相應的力學模型，以期為棉纖維集合體的壓縮生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供理論參考。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

選用新疆阿拉爾市新陸中37手摘原棉，原棉于軋花廠軋花機后端棉道提取。

1.2 壓力傳感系統(tǒng)原理

從表2可知，經(jīng)過對四種敏感性指標d’進行折半信度檢驗后，自我和他人這兩部分的內(nèi)部一致性系數(shù)分別為0.438和0.482，分半系數(shù)為0.534，說明GNAT測量程序可信[27].

萬能材料試驗機(上海卓技儀器設(shè)備有限公司)、FA1104電子天平(上海安亭科學儀器廠)、FSR400薄膜壓力傳感器(Interlink Electronics)、有線薄膜壓力傳感軟件(安徽威科電子有線公司)。

壓力傳感系統(tǒng)由FSR400薄膜壓力傳感器、彩排線、USB公共接頭、筆記本和有線薄膜壓力傳感軟件組成。薄膜壓力傳感器為力敏電阻式壓力傳感器，將其置于棉纖維集合體層間，棉纖維集合體壓縮壓力導致傳感器內(nèi)電阻發(fā)生變化(壓力越大，電阻值越小)。有線薄膜壓力傳感器采集電阻信號，將電阻信號轉(zhuǎn)化為力值，并以每50次/s的頻率采集壓力值并存儲壓力值。

1.3 壓縮試驗

稱取225 g原棉，裝入亞克力管(外徑110 mm，內(nèi)徑104 mm，壁厚3 mm)，置于萬能試驗機平臺上，以20 mm/min的加載速度進行壓縮試驗(室內(nèi)溫度16 ℃，相對濕度27%)。在萬能試驗機動壓頭、定壓頭和定、動壓頭中間位置放置3個壓力傳感器。動壓頭在壓縮過程中由有線薄膜壓力傳感系統(tǒng)采集3路壓力數(shù)據(jù)。3路數(shù)據(jù)依次由上傳感器、中傳感器和下傳感器采集。上傳感器采集萬能試驗機動壓頭施加在棉纖維集合體整體的壓強；中傳感器采集棉纖維集合體中間位置所承受的壓強；下傳感器采集棉纖維集合體底部所承受的壓強。萬能試驗機壓縮壓力采集示意圖，如圖1所示。

棉纖維集合體傳感器采集的壓強與亞克力管內(nèi)棉纖維集合體平均密度計算公式見式(1)、(2)。棉纖維集合體壓縮數(shù)據(jù)采用Orgin8.5軟件進行繪圖與分析。

通過對河源及泛珠三角電子信息企業(yè)高技能人才需求的調(diào)研與分析; 對相關(guān)專業(yè)方向畢業(yè)生進行跟蹤調(diào)查；對嵌入式技術(shù)與應用專業(yè)職業(yè)崗位的工作過程與工作任務(wù)系統(tǒng)化分析，形成了以職業(yè)能力為導向的課程體系，并在人才培養(yǎng)模式改革方面初步形成了以“項目引導、學訓交替”為特征的人才培養(yǎng)模式，如圖1所示，將校企合作、能力層次培養(yǎng)、創(chuàng)新能力及職業(yè)素質(zhì)教育貫穿整個人才培養(yǎng)過程。

(1)

式中：P為棉纖維集合體壓強，0.1 MPa；F為傳感器采集的壓力值，N；d為傳感器壓力采集區(qū)直徑，mm。P1為上傳感器壓強；P2為中傳感器壓強；P3為下傳感器壓強?！鱌13為上下傳感器壓強差；△P12為上中傳感器壓強差；△P23為中下傳感器壓強差。

(2)

式中：ρ為棉纖維集合體平均密度，g/cm3；m為亞克力管內(nèi)棉纖維集合體質(zhì)量，g；D為亞克力管內(nèi)徑，mm；H為亞克力管內(nèi)棉纖維集合體初始高度，mm，亞克力管內(nèi)可裝棉纖維集合體有效高度為255 mm；x為萬能試驗機動壓頭下行位移量，mm。

2 結(jié)果分析

式中：σ*為泡沫材料的塑性塌陷強度；ρ*為泡沫材料的塑性塌陷密度；σs為基體材料的屈服強度；ρs為基體材料的密度；A、B為材料的常數(shù)。

3個壓力傳感器采集的棉纖維集合體壓強與應變曲線，如圖2所示。

圖3～5中，棉纖維相對密度的b(b分別取1、2、3、4、5、6)次冪與3路傳感器采集的壓強之間分別進行線性擬合，得出二者之間的擬合曲線和回歸方程，如表1、2、3所示。由圖3、4、5可知，不同b次冪值下，b次冪相對密度與3路傳感器所采集的壓強數(shù)據(jù)線與擬合線均相近。比較表1、2、3中相對密度與壓強之間相關(guān)系數(shù)R2發(fā)現(xiàn)，R2值均大于0.85，表明二者之間存在較好的線性關(guān)系。故建立相對密度與壓強兩者之間的相關(guān)解析方程是可行的。隨b值的增加，3路傳感器的數(shù)據(jù)線與擬合線之間吻合程度呈先加強后減弱的變化趨勢。當b取4時，3路傳感器采集的壓強與相對密度之間的相關(guān)系數(shù)均為最大，其R2值分別為0.998、0.998和0.994?？梢?次解析方程表征3路傳感器采集的壓強與相對密度效果最佳，即P=c(ρ/ρ0,)4+d(d為修正量)可作為表征棉纖維集合體相對密度與壓強之間關(guān)系的最佳解析方程。

2.2 棉纖維集合體密度-力學模型

1.2.2 臍動脈血流監(jiān)測 采用三瑞SRF-608胎兒臍動脈血流檢測儀(武勝陽光康健醫(yī)療器械有限公司)對所有孕產(chǎn)婦進行臍動脈血流監(jiān)測，產(chǎn)婦取平臥位，確認胎位后將探頭置于胎兒腹部處，通過探尋其上、下臍動脈血流情況，凍結(jié)穩(wěn)定的血流成像圖，根據(jù)電腦將各監(jiān)測數(shù)值進行技術(shù)，可自動生成正常或異常報告。

壓縮過程中棉纖維間的空隙壓縮、纖維體的變形引起的壓強與應變曲線，與泡沫材料泡孔壓縮變形或塌陷的壓強與應變曲線相類似。可見，棉纖維集合體的壓縮性與聚氨酯多孔泡沫、泡沫鋁等材料的壓縮性極類似，可以使用泡沫材料壓縮性能的研究方法分析棉纖維集合體的壓縮性能。

此外，還有學者從契約融合的角度進行分析.如Xiong等 [10-11]在回購契約的基礎(chǔ)上考慮了數(shù)量彈性契約，Chung等[12]將價格折扣激勵契約融入數(shù)量彈性契約之中，Lumsakul等[13]設(shè)計了一組收益共享契約與數(shù)量彈性契約的復合式契約，朱海波和胡文[14]研究了期權(quán)與數(shù)量柔性契約的融合.也有研究從不同行業(yè)為對象，如Li等[15]以化妝品行業(yè)供應鏈為對象，構(gòu)建了數(shù)量彈性契約下的兩階段動態(tài)模型，求解零售商和制造商的最優(yōu)訂貨和定價策略.

Gibson等[12]基于單胞體模型的壓縮變形研究，推導出泡沫材料力學性能與密度關(guān)系的解析方程，并提出了泡沫材料的塌陷強度理論。泡沫材料壓縮解析方程為

(3)

2.1 棉纖維集合體壓縮力傳遞過程

諸多學者基于此理論對聚氨酯多孔泡沫或泡沫鋁的壓縮性能進行研究，研究結(jié)果均表明材料的壓強與其胞體相對密度的冪指數(shù)之間呈良好的線性關(guān)系[13]。

式中：P0為棉纖維集合體的壓潰強度，取定值；ρ0為棉纖維集合體的壓潰密度，取1g/cm3；P為棉纖維集合體的壓縮強度；ρ為棉纖維集合體的密度；a、b為常數(shù)。因P0取定值，故相對密度與壓強解析方程簡化為

(4)

(3)實現(xiàn)通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)展現(xiàn)功能形成房間內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)分析報告，實時獲取居室環(huán)境情況，提供給人們進行實時管理居室環(huán)境。

(5)

上傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關(guān)系見圖3所示。中傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關(guān)系見圖4。下傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關(guān)系見圖5。

在壓縮過程中，3路傳感器采集的壓強與棉纖維集合體應變曲線均呈下凹狀況，即隨著棉纖維集合體整體應變的增加，被壓縮的壓強均呈增加趨勢。按壓強與應變比值變化率的高低，將此壓縮曲線分為平緩區(qū)和致密區(qū)。在壓縮平緩區(qū)，棉纖維集合體內(nèi)纖維間空隙受擠壓排空，同時伴有集合體內(nèi)纖維間滑移與穿插作用，其應變量增加而壓強增幅極緩慢。此期間動壓頭施加于棉纖維集合體的能量以纖維間孔隙擠壓排空、纖維間摩擦等形式耗散掉，存在明顯的吸能現(xiàn)象[10]。在致密區(qū)棉纖維集合體受擠壓發(fā)生彈塑性形變，其應變量增加而壓強增幅極快速。棉纖維集合體剛度快速增加，呈現(xiàn)較為顯著的應變量硬化特征[11]。將同等應變時3個傳感器采集的壓強相比，發(fā)現(xiàn)P1>P2>P3。在壓縮過程中，3個傳感器采集的壓強與應變曲線呈現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，表明萬能試驗機的動壓頭所施加的壓力由上向下發(fā)生了降低。

腫頭龍的外表看上去雖然有些猙獰，但它們屬于植食性恐龍。在通常情況下，它們是很溫順的，除非遭到攻擊。突然，負責警戒任務(wù)的腫頭龍發(fā)現(xiàn)了“敵情”——幾只冥河盜龍正從遠處跑來，雖然冥河盜龍身上的綠色條紋很好地融入了周圍的環(huán)境當中，但還是被機警的腫頭龍發(fā)現(xiàn)了?！熬l(wèi)員”發(fā)出了報警聲，腫頭龍群立即緊張起來，并迅速朝森林深處跑去。

表1 上傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關(guān)系Tab.1 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from upper transducer

注：x為ρ/ρ0,無量綱；P1為上傳感器采集棉纖維集合體壓強。

表2 中傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關(guān)系Tab.2 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from middle transducer

注：P2為中傳感器采集棉纖維集合體壓強。

表3 下傳感器采集壓強與棉纖維集合體相對密度的關(guān)系Tab.3 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from lower transducer

注：p3為下傳感器采集棉纖維集合體壓強。

2.3 棉纖維集合體層間密度-力學模型

在壓縮過程中，3路傳感器采集的棉纖維集合體兩兩之間的壓差與整體應變關(guān)系如圖6所示。由圖可知，棉纖維集合體壓縮應變量的增加，△P13和△P12逐漸增加，△P23先增后降。棉纖維集合體整體應變量在0～0.28范圍時，△P12基本保持恒定，△P23持續(xù)增加；在0.28～0.42范圍時，△P12與△P23相近；在0.42～0.56范圍時，△P12快速增加至與△P13相接近，△P23則呈下降趨勢。采用2.2所述相對密度與壓強的方法，分析相對密度與壓強差的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

完善的土地流轉(zhuǎn)機制和竹農(nóng)之間的利益協(xié)調(diào)機制，是推行雷竹林規(guī)模經(jīng)營的首要條件。竹林適度規(guī)模經(jīng)營往往以竹林地利用規(guī)模為主要的衡量標準，在保證雙方利益的基礎(chǔ)上，只有通過建立相應的土地流轉(zhuǎn)機制才能實現(xiàn)土地的流轉(zhuǎn)和集中。在85戶受訪者中，有36.8%的農(nóng)戶愿意流進竹林，希望竹林的面積能達1.20～1.33 hm2，有13.1%的農(nóng)戶希望達到2.00 hm2及以上。

圖中解析方程中常數(shù)取4，對棉纖維集合體相對密度與壓強差進行擬合。棉纖維集合體相對密度與△P13、△P12均呈線性關(guān)系，與△P23呈非線性(拋物線)關(guān)系，且其相互間相關(guān)系數(shù)均達0.9以上，擬合效果極佳，結(jié)果如表4所示。

考慮到該瀝青混凝土路面施工工程的作業(yè)跨度相對較大，擁有較長的運輸距離，因此在結(jié)合現(xiàn)有施工條件的基礎(chǔ)上，工程選擇配置兩座強制間隙式瀝青混凝土拌和樓負責完成瀝青混凝土的拌和工作。在對其進行選型配套的過程中，需要運用公式：

表4 層間壓強差與棉纖維集合體相對密度的關(guān)系Tab.4 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure difference from cotton interlayer

注：△P13為上下傳感器壓強差；△P12為上中傳感器壓強差；△P23為中下傳感器壓強差。

棉纖維集合體受壓，其內(nèi)部由上而下逐漸變致密，上層棉纖維集合體致密速度遠快于下層棉纖維集合體致密速度，即棉纖維集合體的局部密度遠大于其平均密度，棉纖維密實化過程中纖維體彎曲變形，纖維體內(nèi)部越密實，纖維體之間相互接觸、擠壓產(chǎn)生的局部應力越大。據(jù)此，棉纖維集合體相對密度屬應變敏感材料，其壓縮過程中局部變形、致密是其應變敏感的根本原因。

2.1 隊列人群基線特征 基線時用MS診斷標準將隊列人群分成兩組，MS組467人，非MS組867人?；倔w格特征和實驗室特征比較，除年齡、總膽固醇（TC）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）外，MS組的體質(zhì)指數(shù)（BMI）、腰圍（WC）、收縮壓（SBP）、舒張壓（SBP）、空腹血糖（FPG）、TG、HDL-C測量均值均高于非MS組，兩組之間差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。見表1。

3 結(jié) 論

1)以棉纖維集合體為原料，在萬能試驗機上進行壓縮試驗，分析棉纖維集合體的應變與壓力傳感系統(tǒng)采集壓強之間關(guān)系。試驗結(jié)果表明：棉纖維集合體應變增加，各層壓強值均呈下凹拋物線增加。各層棉纖維集合體壓強值由上而下降低，層間存在壓強差。

2)建立棉纖維集合體的密度-力學模型，相對密度與壓強之間的最佳關(guān)系表達式為P=c(ρ/ρ0)4+d?？梢?，棉纖維集合體相對密度增加，各層壓強均呈線性增加。分析棉纖維集合體相對密度與層間壓強差關(guān)系，發(fā)現(xiàn)相對密度與層間壓強差之間存在良好的關(guān)系，表明棉纖維集合體存在應變率敏感性。

FZXB

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Research on compressive force transmission properties and densities-mechanical properties model of cotton fiber assembly

LI Yong1， ZHANG Hong1， ZHANG Youqiang1， CHEN Xiaochuan2， LIU Wenliang1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300, China; 2. College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to analyze compressive force transmission properties of the cotton fiber assembly, the compression test of cotton fiber assembly was carried out in the universal test machine, pressure was acquired in the pressure sensing system form the upper,middle and lower cotton layer.This paper analyzed the relationship between pressure and strain, and relative density of cotton fiber assembly.The results showed that various cotton layers of pressure increased with increasing strain of the cotton fiber assembly during compressing process. And various cotton layers of pressure became lower in turn from top to bottom, the interlayer pressures showed obvious differences. By subsequent analysis on the cotton fiber assembly density with mechanics, it was found that the relationship between relative density and pressure could be expressed in best linearity.Namely, various cotton layers of pressure was in the linear increasing in the compression process with relative density increasing.The R-square of regression function between relative density and presuure difference of various cotton layers of pressure for testing sample was close to 1. It is shown that the cotton fiber assembly has significant strain-rate sensitivity.

cotton fiber assembly; compressive force; transmission; relative density

10.13475/j.fzxb.20160201707

2016-02-17

2016-06-09

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團支疆計劃項目(2012AB008)；國家質(zhì)檢總局項目(201310107)

李勇(1986—)，男，講師，碩士。主要研究方向為紡織功能材料研究與應用。張宏，通信作者，E-mail:deyuzhijia@163.com。

TS 102.2

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