趙文銳 賀秋森 張婧怡 馬 雪 劉建立

（江南大學(xué)，江蘇無錫，214122）

“打結(jié)”是人類最古老的技術(shù)之一，是紡織生產(chǎn)中最常見的操作，結(jié)頭的形式影響其相對穩(wěn)定性。盡管人們已經(jīng)對打結(jié)技術(shù)研究了多個世紀，形成不同形式的結(jié)頭，在眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是，對于紗線結(jié)頭形成的拓撲結(jié)構(gòu)和力學(xué)之間的相互作用仍然知之甚少。為此，本研究以紗線結(jié)頭為研究對象，從理論上研究結(jié)頭拓撲結(jié)構(gòu)與其相對穩(wěn)定性的關(guān)系，通過試驗方法驗證結(jié)頭形式與其牢度的關(guān)系，為紡織生產(chǎn)提出更加科學(xué)的打結(jié)方式[1]。

紡織生產(chǎn)中，在高速絡(luò)筒機上自動結(jié)頭技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子清紗器的廣泛應(yīng)用，紗線上的疵點即可被切除，使得產(chǎn)品質(zhì)量得到了大幅度提高[2]。但同時這樣的技術(shù)也帶來了新的問題，結(jié)頭的質(zhì)量對后道工序的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都有很大影響，紗線上增加了大量結(jié)頭，例如傳統(tǒng)的自緊結(jié)和織布結(jié)因結(jié)頭結(jié)構(gòu)及結(jié)頭尾部長度等因素的影響，對后道工序的生產(chǎn)及質(zhì)量也帶來了較多的問題。目前，國內(nèi)已有基于剛?cè)峤佑|動力學(xué)的打結(jié)器虛擬打結(jié)方法，利用ADAMS的Bushing連接建立動力學(xué)模型用于評價優(yōu)劣、保證打結(jié)器一次性制造成功[3]。國外已經(jīng)有學(xué)者通過變色光子纖維研究結(jié)的力學(xué)性質(zhì)[4]。

在現(xiàn)代紡織技術(shù)的發(fā)展過程當中，不同工藝流程下的不同結(jié)頭及其拓撲結(jié)構(gòu)影響著紡織品的質(zhì)量，我們可以利用拓撲結(jié)構(gòu)理論系統(tǒng)來研究紡織生產(chǎn)中結(jié)頭形式的穩(wěn)定性差異[5]，指導(dǎo)紡紗、整經(jīng)、漿紗和織造等工序合理選擇結(jié)頭形式[6]。因此，本研究對紡織過程中常用的4種結(jié)頭形式進行了針對性試驗，對其斷裂伸長、斷裂強力、強力有效率、伸長有效率進行了分析，并利用ANSYS中的workbench模塊對不同結(jié)頭的受力情況進行模擬仿真，以驗證最終結(jié)論的正確性。

1 結(jié)頭的三維建模

在進行實際的試驗操作前，首先建立編織結(jié)、盤頭結(jié)、反手結(jié)1、反手結(jié)2的三維模型，并利用ANSYS中的workbench模塊對其進行仿真受力分析，可以在一定程度上判斷出各個結(jié)頭的結(jié)構(gòu)及受力差異[7]。由于結(jié)頭的分析屬于高度非線性模型，操作難度較大，因此，將結(jié)頭在一定程度上進行了簡化，將多股紗線簡化為單股圓柱形紗線，方便虛擬仿真試驗的進行，結(jié)頭的三維模型如圖1所示。

圖1 結(jié)頭的三維模型

2 虛擬仿真測試

在workbench模塊中對試驗所用材料——棉進行參數(shù)填寫，若將模型具體至股線加捻纏結(jié)的受力分析[8]，該分析過程將會異常復(fù)雜，各股線間的關(guān)系也嚴重影響試驗結(jié)果的準確性，因此將多股線加捻模型簡化為單根紗線的受力分析模型。簡化后的編織結(jié)三維模型如圖2所示。

圖2 簡化后的編織結(jié)三維模型

在model模塊中，在打結(jié)紗線的CD端施加Fixed support將其固定，AB端施加隨時間增長而恒速率增加的拉伸力，直至模型達到應(yīng)力極限并斷裂。通過1 mm的網(wǎng)格化處理后，得出紗線拓撲結(jié)構(gòu)受力的最大值、最小值點并作出標記，如圖3所示。

圖3 紗線拓撲結(jié)構(gòu)受力的最大最小應(yīng)力點

不同結(jié)頭形式的紗線在相同軸向受力情況下，應(yīng)力變化各不相同[9]，其應(yīng)力極值點的分布隨繩結(jié)拓撲結(jié)構(gòu)的變化而變化，根據(jù)各極值點的位置可以初步得出：編織結(jié)、盤頭結(jié)的最大應(yīng)力點處于拓撲結(jié)構(gòu)中部，反手結(jié)1、反手結(jié)2的最大應(yīng)力點處于拓撲結(jié)構(gòu)的尾部。將各結(jié)頭模型仿真得出的極值應(yīng)力點在后續(xù)力學(xué)試驗的結(jié)頭試樣上進行標記。

3 紗線結(jié)頭的力學(xué)試驗

對前期收集到的不同結(jié)頭形式的穩(wěn)定性進行量化統(tǒng)計[10]，采用C 14.8 tex集聚紗進行打結(jié)試驗，通過島津AGS?X型材料試驗機進行打結(jié)紗線的拉力試驗。為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，需要充分觀察結(jié)頭的斷裂位置，確保每種結(jié)頭的20組數(shù)據(jù)都在結(jié)頭最大應(yīng)力點標記處斷開，以便后續(xù)對張力進行對比分析，紗線結(jié)頭的力學(xué)試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 紗線結(jié)頭的力學(xué)試驗數(shù)據(jù)

在表1中引入拓撲糾纏數(shù)、強力有效率和伸長有效率的概念。拓撲糾纏數(shù)即結(jié)頭的抽象拓撲結(jié)構(gòu)所包含的糾纏個數(shù)，在一定程度上反映了拓撲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。強力有效率即結(jié)頭后的紗線斷裂強力與未結(jié)頭的紗線斷裂強力的百分比，用此來表示結(jié)頭的斷裂強力特性，見式（1）。伸長有效率即結(jié)頭后的紗線斷裂伸長與未結(jié)頭的紗線斷裂伸長的百分比，用此來表示結(jié)頭的斷裂長度特性，見式（2）。

式中：ηF為強力有效率，F(xiàn) i為結(jié)頭的斷裂強力，F(xiàn)0為紗線的正常斷裂強力。

式中：ηL為伸長有效率，L i為結(jié)頭的斷裂伸長，L0為紗線的正常斷裂伸長。

由表1可以得出，編織結(jié)雖斷裂伸長達到原紗線的93.19%，但斷裂強力僅達原紗線的82.78%，結(jié)頭易斷裂；反手結(jié)1的斷裂伸長及斷裂強力均降低，僅達原紗線的84%，總體性能較差；盤頭結(jié)的斷裂強力達原紗線的96.69%，斷裂伸長超過原紗線，該結(jié)頭不易斷裂且斷裂伸長較長，適宜使用；反手結(jié)2與編織結(jié)的性能類似，雖斷裂伸長達原紗的93.51%，但斷裂強力僅達原紗的82.61%。綜上所述，盤頭結(jié)的斷裂伸長及斷裂強力較高，適宜在生產(chǎn)流程中使用[11]。

4 結(jié)論

通過ANSYS進行紗線結(jié)頭斷裂的仿真試驗，得出初步結(jié)論后，利用島津AGS?X型材料試驗機測定純棉紗正常拉斷時的斷裂強力并與4種不同結(jié)頭形式的斷裂強力、斷裂伸長進行對比，驗證仿真試驗的結(jié)果，最終可以得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)試驗結(jié)論及ANSYS的仿真結(jié)果，盤頭結(jié)的力學(xué)性能最佳，盤頭結(jié)的斷裂強力達原紗線的96.69%，斷裂伸長超過原紗線，根據(jù)AN?SYS的力學(xué)受力圖不難得出，產(chǎn)生這種情況的原因是盤頭結(jié)的拓撲結(jié)構(gòu)比其他結(jié)頭形式更加穩(wěn)定，其拓撲數(shù)、股線交叉次數(shù)、股線扭曲的方向以及收緊扭結(jié)時相鄰股線的滑動方向都優(yōu)于其他3種結(jié)頭。

（2）盤頭結(jié)作為紡織日常生產(chǎn)流程中常用到的結(jié)頭之一，有著優(yōu)異的斷裂強力與斷裂伸長，為斷頭后重結(jié)紗線的后續(xù)工藝流程提供了較高的保障，減少了結(jié)頭后續(xù)再斷的風(fēng)險，推薦各企業(yè)在紡紗、整經(jīng)、漿紗和織造等工序使用該種結(jié)頭。

（3）不同的拓撲結(jié)構(gòu)對結(jié)頭的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的影響，盤頭結(jié)的性能優(yōu)異主要是由于其纏結(jié)數(shù)多于其他3種結(jié)頭形式，所受拉力在主軸方向得到分散，從而減輕了結(jié)頭處的受力。