纯棉环锭纱结构力学性能与其强力计算方法.pdf
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1、第3 0 卷第3 期 2 0 0 9 年3 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 3 0 N o 3 M a r 2 0 ( ) 9 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 0 3 - 0 1 3 1 0 5 纯棉环锭纱结构力学性能与其强力计算方法 张宏伟1 ,李南1 ,黄艳丽1 ,王善元2 ( 1 常州纺织服装职业技术学院纺化系,江苏常州2 1 3 1 6 4 ;2 东华大学纺织学院,上海2 0 1 6 2 0 ) 摘要根据纤维性能和纱线设计参数预测纱线强力。对合理使用纤维原料、降低成本、
2、保证成纱质量具有重要意 义。对环锭纱结构力学性能进行系统研究,得出环锭纱的相关力学性能参数与纱线线密度和捻度的关系;通过对 从工厂收集的2 0 0 组纯棉纱线线密度、捻度、强力等数据的统计分析,并综合考虑纱线线密度、是否精梳、是否使用 长绒棉等因素,得出了线密度和捻度与纱线强力相对值的经验函数关系。综合考虑环锭纱的力学性能参数和经验 函数,根据连续介质力学理论,推导出一种纯棉环锭纱单纱强力计算公式。该公式使用方便,对纯棉环锭纱强力预 测精度较高。预测强力与实测强力之间呈线性关系,二者之间回归方程的决定系数达到0 9 6 23 。 关键词捻度;纯棉环锭纱;结构力学性能;强力 中图分类号:t I
3、s1 0 2 7 2 2文献标志码:A S t r u c t u r a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp u r ec o t t o nr i n g - s p u ny a r na n d i t ss t r e n g t hc a l c u l a t i n gm e t h o d Z H A N GH o n g w e i l ,L IN a n l ,H U A N GY a n l i l ,W A N GS h a n y u a n 2 ( 1 T e x t i l eC h e m i s
4、t r yD e p a r t m e n t ,c 脚够蛔uT e x t i l eG a r m e n tI n s t i t u t e ,锄,l 舻幻,五a n g s u2 1 3 1 6 4 ,C h i n a ; 2 C o l l e g eo fT e x t i l e s ,D D ,动m 妙,舶州2 0 1 6 2 0 ,C h n a ) A b s n 孙c t P r e d i c t i n gy a ms t r e n g t hw i t hf i b e rp r o p e r t i e sa n dy a md e s i g np a
5、 r a m e t e r si sv e r yi m p o r t a n tf o r r e a s o n a b l eu s eo f f i b e rl a Wm a t e r i a l ,l o w e r i n gt h ec o a ta n de n s u r i n gy a r nq u a l i t y T h es t r u c t u r a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr i n g s p u ny a mh a v eb e e ns t u d i e dc o m
6、p r e h e n s i v e l y T h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ny a r n l i n e a rd e n s i t y ,y a r nt w i s t ,a n dt h er e l a t i v ey a r ns t r u c t u r a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a v eb e e no b t a i n e d T h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i so fy a m
7、l i n e a rd e n s i t y ,t w i s t ,a n ds t r e n g t ho f2 0 0g r o u p so fp u r ec o t t o ny a r n ,a n d c o n s i d e r i n gs o m ei n f l u e n c ef a c t o r s ,s u c h 聃c a r d e do rc o r n e d ,a p p l i c a t i o no fl o n g - s t a p l ec o t t o n ,e x p e r i e n t i a l f u n c t
8、i o n so fy a mr e l a t i v es t r e n g t hw i t l ly a ml i n e a rd e n s i t ya n dt w i s th a v eb e e no b t a i n e d C o n s i d e r i n gt h ea b o v e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ee x p e r i e n t i a lf u n c t i o n s ,ap u r ec o t t o nr i n g s p u ny a ms t r e
9、n g t hc u l c u l a t i o ne q u a t i o n h a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do nc o n t i n u o u sm e d i u mt h e o r y T h ee q u a t i o ni sc h a r a c t e r i z e db ye a s yu s e ,h i 出 p r e c i s i o ni np r e d i c t i o no ft h es t r e n g t ho fp u r ec o t t o ny a r n T h er
10、e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e d i c a t e dv a l u ea n dt e s t e d v a l u ei sl i n e a r i t y 。a n dt h ed e t e r m i n a t i o nr a t i oo fr e g r e s s i o ne q u a t i o ni sa 8h J i g h 鹊0 9 6 23 K e yw o r d st w i s t ;p u r ec o t t o nr i n g - s p u ny a m ;s t r u c t u r
11、a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y ;s t r e n g t h 2 0 世纪以来,许多学者对纱线结构提出了一些 理想化的假设:用结构力学理论分析纱线中纤维的 分布与受力情况,从而用统计学方法对纱线整体进 行结构力学性能分析。他们在长丝纱和短纤维环锭 纱结构力学方面的研究已取得了丰硕的成果。4 J , 并建立了多种纱线强力预测模型D d 】,但这些模型 对纱线强力预测时所涉及参数较多,有的很难得到 具体数值,预测精度受到限制。本文在以上研究的 基础上,推导得出了纯棉环锭纱单纱强力计算公式, 实验证明该公式具有较高精度。 1 对环锭纱结构力学
12、性能的假设 结合H e a r l e 1 1 和P a n 对短纤维纱线的结构力 收稿日期:2 0 0 8 0 4 0 2 修回日期:2 0 0 8 1 0 0 8 基金项目:常州市新型纺织材料重点实验室建设资助项目( C M 2 0 0 8 3 0 4 ) ;常州市科技局工业科技攻关计划项目( C E 2 0 0 7 0 7 3 ) 作者简介:张宏伟( 1 9 6 6 一) ,男,副教授,博士。研究方向为新型纤维材料开发与纱线结构分析。E m a i l :w e i h o n g z 1 2 6 硎。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase
13、 from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 2 纺织学报 第3 0 卷 学性能的分析,作出如下假设:1 ) 纱线的截面是圆 形,线密度均匀;2 ) 组成纱线的纤维具有相同的性 能,有较好的弹性,受拉伸时符合虎克定律,并且轴 向对称,沿纱线各截面的应力相同;3 ) 纤维按螺旋线 分布在纱线中,螺旋线的轴线即是纱线的轴线,捻度 沿纱线径向分布均匀;4 ) 当纱线捻度为零时,纤维间 抱合力忽略不计。 2 捻度与环锭纱结构力学性能的关系 2 1 密集系数与捻度的关系 H e a r l e 认为纤维在纱线中是按最小能量原理排 列的,使纱线中的
14、纤维趋向于稳定状态,纤维在纱线 中所占的体积与整个纱线体积之比称为密集系数 H 。n 是小于1 的比值,无量纲参数。密集系数的 大小直接受捻度的影响阳 。P a n 2 1 总结H i c k i e 等n o 】 关于密集系数与捻度之间关系的实验数据结果,得 出K 与英制捻度r 。之间的关系: K :0 7 ( 1 0 7 8 e - O 1 T e )( 1 ) 把式( 1 ) 中英制捻度换算成公制捻度r 后得 K :0 7 ( 1 0 7 8 e - O 0 4 95 7 )( 2 ) 用式( 2 ) 作图得到图1 ,图1 示出了密集系数与 捻度的关系。可以看出,捻度较小时,K 随r 快
15、速 增大,当捻度达到一定值时,K 趋于最大值0 7 。 图1 密集系数与捻度的关系 F i g 1 F i b e rv o l u m ef r a c t i o n 以v e r s u sy a r nt w i s tT 2 2 捻回角与捻度的关系 H e a r l e b l 在研究长丝纱表面捻回角g 与捻度r 之间关系时得出 口= a r c t a n0 0 0 1 T ( 罴) “2 】 ( 3 ) 式中:r 为纱线捻度,捻1 0c m ;l D ,为纤维密度, g c m 3 ;V f 为密集系数。P a n 陋3 考虑到短纤维纱与长 丝纱的不同,加了一个修正系数a 。=
16、 2 5 ,得到如下 关系式: g c t a n 【叫o 0 0 1 r ( 罴门( 4 ) 将式( 2 ) 代入式( 4 ) 得到捻回角q 与捻度T 的关 系式: q :焉a r c t a n 0 0 0 2 5 r q25 _ i 而a )1 4 0 吾7 8 了鬲】( 5 )e ”) J 把棉纤维密度1 5 1 D f _ 1 5 3g c m 3 代人式( 5 ) 作 图,得到图2 ,图2 示出了捻回角与捻度的关系。可 以看出纱线捻回角随捻度增大呈非线性增大。 图2 捻回角与捻度的关系 F i g 2 Y a r ns u r f a c eh e l i xm l g l egV
17、 e l 皇U gy a r nt w i s tT 2 3 抱合因子与捻度的关系 当纱线受到拉伸时,纱线中纤维受到周围纤维 的摩擦与抱合力的作用。抱合因子n 反映纱线中 任意一根纤维受到的摩擦与抱合作用的大小,是无 量纲参数乜】。纱线捻度越大,越紧密,摩擦与抱合作 用越强,l 值越大。 根据抱合因子随捻度变化的曲线图 2 】,用数值 分析和曲线回归分析方法得出n 与r 之间呈倒指 数曲线关系: n :0 6 0 4 e 4 1 删7( 6 ) 考虑到纤维长度和细度的影响,用纤维长度和 直径的比值s 进行修正,s 是无量纲参数,得 n = 0 0 0 03 3 55 s e 一9 1 - 舛7
18、 T ( 7 ) 当s = 18 0 0 时,用式( 7 ) 作图,得到图3 ,图3 示 出抱合因子与捻度的关系。可以看出,抱合因子随 捻度增大而增大,当捻度小于1 5 捻1 0c m 时,n 为0 , 其物理意义正如假设的那样,当捻度趋于0 时,纤 维间抱合力可忽略不计。 2 4 滑脱率与捻度的关系 当纱线受到拉伸而断裂时,断口处有一部分纤 维发生断裂,一部分纤维发生滑脱。产生滑脱作用 的纤维数与断口处纤维总数之比称为滑脱率A 。A 是一个小于1 的比值,无量纲参数。P a n 3 1 推导出有 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from
19、www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期张宏伟等:纯棉环锭纱结构力学性能与其强力计算方法 1 3 3 。 图3 抱合因子与捻度的关系 F i g 3 Y a mc o h e s i o nf a c t o rnv e r s u sy a mt w i s tr 关滑脱率A 、抱合因子厅和纤维长径比s 的超越方 程式: X n s ( 1 一= 【) = t a n h t $ ( 1 一;I ) ( 8 ) 用数值分析方法,结合式( 7 ) 和( 8 ) 得出| :I 与r 之间的幂函数曲线关系: A :2 6 6 8 4 9 e 2
20、l ,7 ( 9 ) = 一 yJ 5 当s = 18 0 0 时,依据式( 9 ) 画出滑脱率A 与捻度 丁之间的函数关系曲线,见图4 。可以看出:当捻度 较小并趋于0 时,A 明显增大;捻度小到一定程度 时,A 为1 ,即纤维间没有抱合力,纱线受拉伸断裂 时,纤维全部滑脱。 图4 滑脱率与捻度的关系 F i g 4 F i b e rs l i p p a g er a t i oAv e i | u sy a r nt w i s tT 2 5 纤维长度有效系数与捻度的关系 P a n 2 。3 在文献 1 1 研究的基础上考察了短纤 维环锭纱中任意一根纤维的受力情况,研究得出纱 线中纤
21、维长度有效系数田是一个小于1 的无量纲参 数,刁与纤维间摩擦因数、抱合因子厅、纤维长径比 s 、以及滑脱率A 有关。而虬n 、S 、;I 这几个影响纱 线结构力学性能的参数最终都是由纤维长度有效系 数叩体现出来: 吁:1 一A + 蔓翌尘丑二! 竺羔剑 二n 掣 1 器1 , + (一A ) ( ,l 酃以) 2 、1 。7 当s = 18 0 0 ,弘= 0 2 5 时,把式( 1 0 ) 中的儿、;1 分 别用式( 7 ) 、( 9 ) 代入,作出纱线中纤维长度有效系数 叩与捻度r 之间的关系曲线( 见图5 ) 。可以看出, 在实际生产中捻度取值范围( 5 0 1 2 0 捻1 1 0c
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- 纯棉 环锭纱 结构 力学性能 与其 强力 计算方法
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