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1、第3 0 卷第1 0 期 2 0 0 9 年1 0 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e h a s h V 0 1 3 0N o 1 0 0 c t 2 0 0 9 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 11 2 0 0 9 ) 1 0 0 0 6 2 0 4 基于M a t L a b 优化工具的混纺织物混纺比设计 李辉芹,巩继贤,黄 故 ( 天津工业大学纺织学院,天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要为探索新的设计方法,将系统论思想引入纺织品设计中,进行织物的混纺比设计。通过研究混纺比对混 纺纱线及织物性能的影响,确定纱线及织物性能与纤维混纺比的关
2、系,并由此建立多目标优化模型。用M a t L a b 遗 传算法工具箱进行优化计算,确定使纺织品系统整体最优化的混纺比方案。由优化得到的混纺比方案进行纺纱和 织造,并对纱线和织物性能进行测试,对设计的效果进行榆验与评价。通过从新的视角进行纺织品设计过程、思路 和模式的探索,为纺织材料与纺织品设计的理论研究与实践提供新思路。 关键词纺织品设计;系统方法;混纺比;竹浆纤维;M a t L a b 中图分类号:T S1 0 6文献标志码:A D e s i g no fb l e n d i n gr a t i ob a s e do nM a t L a bt o o l b o x L IH
3、 u i q i n ,G O N GJ i x i a n ,H U A N GG u ( S c h o o lo fT e x t i l e s ,T i a n j i nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ,T i a n j i n 3 0 0 1 6 0 ,C h i n a ) A b s t r a c tT oe x p l o r en e wd e s i g nm e t h o d s ,s y s t e mt h e o r yi si n t r o d u c e di n t ot e x t i l ed
4、e s i g nt oc a r r yo u tb l e n d i n g r a t i od e s i g n T h ei n f l u e n c eo fb l e n d i n gr a t i oo nt h ep r o p e r t i e so fb l e n d e dy a m sa n df a b r i c sw a gs t u d i e d ,a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mW a gd e t e r m i n e d ,a n d t h e r e b y
5、a no p t i m i z e da n dm u h i f u n c t i o n a lm o d e lW a g d e v e l o p e d T h eb l e n d i n gr a t i of o rt h eo p t i m i z a t i o no f h et e x t i l es y s t e ma saw h o l eW a gd e t e r m i n e dt h r o u g h o p t i m i z e dc o m p u t a t i o nb yu s i n gM a t L a bg e n e t
6、i ca l g o r i t h m st o o l b o x S p i n n i n ga n dw e a v i n gw e r ep e r f o r m e d b a s e do nt h eb l e n d i n gr a t i od e s i g no b t a i n e dt h r o u g h o p t i m i z a t i o n ,t h ep r o p e r t i e so fy a m sa n df a b r i c sw e r e t e s t e d ,a n dt h er e s u l to ft h
7、 ed e s i g nw a sc h e c k e da n de v a l u a t e d T h ee x p l o r a t i o no ft h ep r o c e s s ,c o n c e p t ,a n d m o d eo ft e x t i l ed e s i g nf r o man e ws t a n d p o i n tp r o v i d e san e wt h i n k i n gf o rd e s i g n i n gt e x t i l em a t e r i a la n dp r o d u c t i nt
8、h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la s p e c t s T h i se x p l o r a t i o nc a r r i e do u ti nt h i sp a p e rcanp o t e n t i a l l yo p e nap r o m i s i n g a v e n u et o w a 砌e x p e r i e n t i a ld e s i g nt or a t i o n a ld e s i g n K e yw o r d s t e x t i l ed e s i g n ;s y s
9、 t e mm e t h o d ;b l e n d i n gr a t i o ;b a m b o op u l pf i b e r ;M a t L a b 目前,科学研究的思维方式正逐渐由传统还原 论的分析方法转向系统论方法3J 。系统科学的理 论和方法已经广泛地渗透到科学研究的各个领域, 形成许多新兴前沿学科H 。8 。将系统观念引入产品 设计,有助于改变以直觉和经验为主的传统方式,形 成更全面、客观的科学设计方法。本文将系统论思 想引入纺织品设计,以竹浆纤维混纺织物的设计为 例,进行了基于M a t L a b 优化工具的织物混纺比设 计,从新的视角进行纺织品设计过程、思路
10、和模式的 探索,为纺织材料与纺织品设计的理论与实践研究 提供了新的思路。 1 试验部分 1 1 试样 竹浆纤维规格为1 6 5d t e x 3 8m m ,河北省吉藁 化纤厂;棉纤维选用实验室保存的细绒棉3 2 9 。 采用相同的纺纱工艺,用上述2 种纤维纺制 7 种混纺纱,线密度为2 8t e x ,捻度为6 2 4 捻1 0c m 。 竹浆纤维和棉纤维的混纺比分别为0 1 0 0 、3 0 7 0 、4 0 6 0 、5 0 5 0 、6 0 4 0 、7 0 3 0 、1 0 0 0 。 用这7 种混纺纱采用相同的参数织制结构完全 收稿日期:2 0 0 8 1 0 3 0 修回日期:2
11、 0 0 9 0 5 2 4 作者简介:李辉芹( 1 9 7 4 一) ,女,讲师,博士。主要研究方向为纺织材料与纺织品设计。E - m a i l :z h x l i h u i q i n 1 6 3 c o r n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期李辉芹等:基于M a t L a b 优化工具的混纺织物混纺比设计 6 3 相同的7 种平纹织物。 1 2 测试方法 参照F Z T0 1 0 5 8 - - 1 9 9 9 ,采
12、用T M 型纱线抱合力 试验机,测试纱线耐磨性;参照F z T0 1 0 4 5 - - 1 9 9 6 , 采用Y G8 1 1 型织物悬垂性测定仪,测试织物悬垂 性;参照G B T1 2 7 0 4 - - 1 9 9 1 ,采用L F Y 2 1 6 C 织物透 湿量测定仪,测试织物透湿性。 1 3 数据处理方法 应用O r i o n 软件对实验曲线进行拟合。用遗传 算法进行系统优化,优化模型的求解通过M a t L a b 遗 传算法工具箱进行。 1 4 试验设备及工艺 纺纱及织造设备为:A 1 8 6 型梳棉机、A 2 7 2 型并 条机、F A 4 0 1 A 型粗纱机、A S
13、5 1 1 A 型细纱机、A S L - 2 0 0 0 型自动小样织机。 竹浆纤维和棉纤维的混合采用条混方法,2 道并 条。不同原料采用不同处理方式,有利于节约原料, 减少纤维损伤。所有织物均在自动小样织机上完成。 2 结果与讨论 2 1 混纺比优化模型的建立 基于系统方法的纺织品设计是将纺织品视为由 纤维、纱线和织物3 个层次构成的复杂系统,在对纺 织品系统分析的基础上,构建纺织品的结构与功能 数学模型,并根据纺织品设计目标对系统的结构参 数进行优化,确定设计方案。 为了实现用系统方法进行纺织品设计的理念, 将多目标优化的理论。9 1 用于纺织品设计参数的优 化。本文将竹浆纤维混纺纱线及织
14、物的各项性能作 为多目标优化的目标函数E ( 聋) ,将竹浆纤维的混 纺比作为决策变量茗。 为了研究的方便,选取纺织品系统的部分性能 作为目标函数进行考察,选择纺织品的外观美感、舒 适性以及加工性能为设计对象。纱线的耐磨性好, 在织造过程中可以有效地减少断头,有利于纺织品 的加工过程。织物的悬垂性是决定织物视觉美感的 一个重要因素。悬垂性能良好的织物,能够形成光 滑流畅的曲面造型,给人以视觉上的享受。透湿性 是衡量服装面料穿着舒适性的一个重要指标。因 此,选择织物悬垂性、织物透湿性和纱线耐磨性作为 衡量纺织品外观美感、舒适性以及加工性能的指标 和纺织品优化设计的依据。 本文的多目标优化问题就成
15、为求解m a xF ( 茗) , 其中F ( 菇) = F ,( 髫) ,F :( 戈) ,F ,( 石) ,目标变量 F 。( 戈) 为纱线的耐磨性,:( 髫) 为织物的悬垂性, F ,( 髫) 为织物的透湿性,决策变量石为竹浆纤维混 纺比。 为了建立优化模型,研究了混纺比对混纺纱线 的耐磨性、织物悬垂性和织物透湿性的影响,结果见 图1 。 k 妊 懈 悯 哟 , 兮 一 皇 Y 竺 、 删 蜊 蜊 竹浆纤维的比例, ( a ) 纱线耐磨性 竹浆纤维的比例膈 ( b ) 织物悬垂性 竹浆纤维的比例, ( c ) 织物透湿性 图1混纺比对竹浆纤维,棉混纺纱线和织物性能的影响 F i g 1R
16、e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l e n d i n gr a t i oo fb a m b o o c o t t o n a n dy a r na b r a s i o nr e s i s t a n c e ( a ) ,f a b r i cd r a p e ( b ) ,a n d f a b r i cm o i s t u r ep e r m e a b i l i t y ( e ) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to re
17、move the watermark 6 4 纺织学报第3 0 卷 虽然悬垂性测试最好是用经过染整加工的成品 布,但对于一个系列品种而言,对坯布的测试也可以 得出对比性的相对结果。 对试验数据进行归一化预处理,然后用O r i g i n 软件对试验曲线进行拟合,得到纱线耐磨性、织物悬 垂性、织物透湿性与竹浆纤维混纺比关系的函数表 达式,见表1 。 表1 纺织品性能与纤维混纺比关系的函数表达式 T a b 1F u n c t i o ne x p r e s s i o no ff a b r i cp r o p e r t i e s w i t hb l e n d i n gr a
18、t i o 在纺织品的实际设计过程中,对于不同用途的 纺织品,其各项性能的要求不完全相同。基于这种 考虑,在纺织品的设计时要对各个性能指标赋予不 同的加权系数,以满足不同用途纺织品的需要,满足 人们对纺织品多元化和个性化的需要。 对于本文的多目标优化问题,要为其各个子目 标函数F 。( 菇) ( i = 1 ,2 ,m ) 赋予不同的加权系数 ;( i = 1 ,2 ,m ) ,其中满足0 O 7 i 1 ( i = 1 , m 2 ,m ) ,且 :c c ,i = 1 ,。值代表相应子目标函数 置 E ( 石) 在多目标优化问题中的重要程度。考虑到加 权系数,本文的多目标优化模型就变成求解
19、m a x 叫; F ( 菇) ,c c J i F ( 菇) = ( J lF l ( 菇) ,( ,2F 2 ( 菇) ,3F 3 ( 算) , 其中:叫。为纱线耐磨性的加权系数;叫:为织物悬垂 性的加权系数;,为织物透湿性的加权系数。 对于不同用途的纺织品,要根据各项性能要求 的不同,为目标函数选择相应的加权系数。比如用 作内衣的纺织品,首先要考虑舒适性,所以透湿性的 加权系数要设定的大一些,耐用性的加权系数可以 小一些,而悬垂性则可以不考虑;对于外衣用织物, 出于外观美感的考虑,要注重织物的悬垂性,降低对 舒适性的要求;对工作服的设计则要考虑织物的耐 用性。随着时代的变迁,人们对纺织品
20、的要求也在 不断变化,总的趋势是越来越注重服用的舒适性,而 对纺织品耐用性的要求降低了。在纺织品的设计 中,要满足和体现消费者的这一需求。除了在服用 性能方面的考虑,纺织品的设计还要顾及纺织品的 加工性能。比如竹浆纤维的断裂强度比较低,纯竹 浆纤维织物在染整加工中易断,如果混纺织物中竹 浆纤维的比例很高,就会有类似的问题产生。 在基于系统方法的纺织品设计过程中,可以通 过对加权系数的变换,进行系统中各个要素不同方 式的组合,来实现不同预期的纺织品设计。本文通 过对加权系数的调整,分别以突出纺织品加工性能、 外观美感和舒适性为目的,设计了3 类不同混纺比 的竹浆纤维,优化方案见表2 。 表2由纺
21、织品最终用途确定的加权系数 T a b 2 W e i g hc o e f f i d e n to ff a b r i c sd e t e r m i n e db ye n d - u s e 方案I 是想凸显纺织品加工性能,使纺织品易 于加工,所以纱线耐磨性加权系数最大,这样计算出 的混纺比主要是保证纱线具有良好的耐磨性,从而 有利于混纺织物的织造加工。方案是为得到悬垂 性好的织物,有良好的外观,以用于外衣。方案设 计的产品拟用于贴身衣物,要强调织物的舒适性,于 是增加织物透湿性的权重,由此计算出的混纺比是 以满足织物舒适性为主的。 2 2 基于遗传算法的优化计算 根据多目标优化模
22、型的特点,本文采用评价函 数法中的线性加权和法,化多目标优化为单目标规 划,然后用遗传算法对系统进行优化,通过M a t L a b 遗传算法工具箱完成模型的求解,得到不同设计方 案中目标函数的加权系数为 0 4 ,0 3 ,0 3 、 0 4 , O 5 ,0 1 、 0 3 ,0 2 ,0 5 时,竹浆纤维含量分别为 2 4 、4 3 、5 3 。 2 3 检验与评价 为了对设计的效果进行判断,用计算得到的混 纺比进行纺纱和织造,并对相应的纱线和织物性能 进行测试( 见表3 ) 。为使评价时的测试和建立数学 模型时的测试具有可比性,所用纱线和织物的纺纱、 织造方法保持一致。 表3 设计效果
23、的评价 T a b 3E s t i m a t i o no fd e s i g ne f f e c t 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第l O 期李辉芹等:基于M a t L a b 优化工具的混纺织物混纺比设计 。6 5 从测试结果可以看出,由数学模型得到的预测 值与按优化方案得到的实测值基本一致,但还是有 4 。1 0 的误差。其中由曲线拟合进行建模造成 的误差是一种不可避免的系统误差,性能测试时的 误差有望通过改进试验方法和增加试验
24、的重复次数 加以改善。纺纱和织造过程也是造成偶然误差的一 个重要来源。 总之,尽管预测值与实测值有一定出入,但是按 优化方案得到的纱线和织物性能与数学模型得到的 预测值基本吻合,优化设计的目标得以实现,说明基 于系统方法的混纺织物设计研究从理论到实践都是 可行的。 3结束语 在对纱线和织物性能进行分析,确定纤维混纺 比与纱线及织物性能关系的基础上,建立了以纱线 的耐磨性、织物的悬垂性和透湿性为目标变量的多 目标模型,并以纺织品的最终用途为依据,确定了3 组加权系数。采用多目标优化方法,可以对纺织品 设计问题中相互冲突的目标进行很好的权衡,给出 满意的优化结果,得出科学客观的优化方案,实现纺 织
25、品由经验设计向科学设计的转变。 通过编制目标函数文件和编程调用主程序,用 M a t L a b 遗传算法工具箱进行多目标问题的优化计 算,确定了使整个纺织品系统最优化的混纺比方案。 M a t L a b 遗传算法工具箱的使用为求解多目标优化 问题提供了一个可操作性很强的平台,尤其是为非 计算机专业的研究者解决复杂数学问题提供了一个 有力的计算工具。 由优化得到的混纺比方案进行纺纱和织造,并 对纱线和织物的性能进行测试,对设计的效果进行 检验与评价。结果表明用系统方法进行混纺织物的 设计研究可行。本文应用系统方法对纺织品设计进 行了初步探讨,系统论思想对于纺织工程的研究具 有很好的借鉴作用。
26、 参考文献: 1J W A N GQ I d e o l o g ya n dp r a c t i c eo fs y s t e m se n g i n e e r i n gi n m u l t i m o d a l t r a n s p o r tp l a n n i n g J J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o nS y a e m sE n g i n e e r i n g a n d I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y ,2 0 0 8 ,8 ( 1 ) :1 1 1
27、 6 2 S T A H E LAW V a l u ef r o mac o m p l e xd y n a m i cs y s t e m s p e r s p e c t i v e J E c o l o g i c a lE c o n o m i c s ,2 0 0 5 ,5 4 ( 4 ) : 3 7 0 3 8 1 3 M C I N T O S HKS ,A U E RD ,K O C HKR ,e ta 1 I n t e g r a t i n g p y r o m e t a l I u r g y a n dr o b o t i c s y s t e m
28、 se n g i n e e r i n g :f u l l y a u t o m a t e df i r ea s s a yl a b o r a t o r yf o rr a p i dP G Ea n a l y s i s J M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ,2 0 0 6 ,1 9 ( 3 ) :2 1 9 2 3 1 4 W A N GJ ,Y A NR ,H O L L I S T E RK ,e ta 1 Ah i s t o r i cr e v i e w o fm a n a g e m e n ts c i e n
29、 c er e s e a r c hi nC h i n a J O m e g a 2 0 0 8 ,3 6 ( 6 ) :9 1 9 9 3 2 5 K I T A N OH S y s t e m sb i o l o g y :ab r i e fo v e r v i e w J S c i e n e e ,2 0 0 2 ,2 9 5 :1 6 6 2 1 6 6 4 6 O L T V A IZN ,B A R A B A S IAL S y s t e m sb i o l o g y :l i f e S c o m p l e x i t yp y r a m i d
30、J S c i e n c e ,2 0 0 2 ,2 9 8 :7 6 3 7 6 4 7 B R U G G E M A NFJ ,W E S T E R H O F FHV T h en a t u r eo f s y s t e m sb i o l o g y J T r e n d s i n M i c r o b i o l o g y ,2 0 0 7 , 1 5 ( 1 ) :4 5 5 0 8 M A N S O U RM S y s t e m st h e o r ya n dh u m a ns c i e n c e J A n n u a lR e v i e
31、 w si nC o n t r o l ,2 0 0 2 ,2 6 ( 1 ) :l 一1 3 9 L E U N G ASYS ,W O N G AWK ,M O KPY M u l t i p l e o b j e c t i v eg e n e t i co p t i m i z a t i o no ft h es p a t i a ld e s i g nf o r p a c k i n ga n dd i s t r i b u t i o n c a t t o l lb o x e s J C o m p u t e r s & I n d u s t r i a
32、lE n g i n e e r i n g ,2 0 0 8 ,5 4 ( 4 ) :8 8 9 9 0 2 1 0 L E F T E R I SA ,G E O R G ES M u l t i p l eo b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n o fs a m p l i n gd e s i g n sf o r f o r e s ti n v e n t o r i e su s i n gr a n d o m s e a r c h a l g o r i t h m s J C o m p u t e r s a n dE l e
33、c t r o n i c si n A 鲥c u l t u r e ,2 0 0 4 ,4 2 ( 3 ) :1 2 9 1 4 8 1 1 C A S T I L L OO ,T R U J I L L OL M u l t i p l eo b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m sf o rp a t hp l a n n i n gi na u t o n o m o u sm o b i l e r o b o t s J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fC o m p u t e r s ,S y s t e m sa n d S i g n a l s ,2 0 0 5 ,6 ( 1 ) :4 8 6 4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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