（纺织材料与纺织品设计专业论文）利用织物实际弯曲形态测试织物弯曲性能的方法研究.pdf

利用织物实际弯曲形态测试织物弯曲性能的方法研究 利用织物实际弯曲形态测试织物 弯曲性能的方法研究 摘要 织物的弯曲性能是织物的一项重要性质，其好坏直接影响着织物的 实际用途和整体性能。如今，随着织物在各个领域更广泛的应用，织物 弯曲性能的好坏也越来越受到重视，因此有一种好的测试方法能真实的 反映织物的实际弯曲性能是非常有必要的。 本文深入分析织物在悬臂梁状态下弯曲时的力学模型，建立了利用 织物弯曲形态曲线计算织物非线性弯矩一曲率关系曲线的算法，同时以 此为基础设计了一种利用织物悬臂梁状态时实际弯曲形态测试织物弯 曲性能的新测试方法。该方法兼具f a s t 测试法简单方便，与i ( e s 测试法 可以获取织物非线性的弯矩一曲率关系曲线的优点。论文完成了新测试 方法试验装置的设计、组装和实测，分析了实测得到织物非线性弯矩一 曲率关系曲线，提出了临界曲率k w 的概念，将非线性的弯矩一曲率关系 曲线区分为线性和非线性两个部分，并用线性部分的斜率作为系统的弯 曲刚度特征指标b w 表征织物的弯曲性质。用测试得到的弯曲刚度值b w 与k e s 纯弯曲测试法和f a s t 悬臂梁法测试得到的结果b k e s ，b f a s t 进行了 对比分析，相关系数分别达到了0 9 0 7 和0 8 8 8 ，表明新指标b w 是可信 的，新方法能有效地测试织物的弯曲性质。同时文章用实验结果证明了 虽然测试得到的大多数k w 是在0 5 附近的，但其实是一个随织物本身性 利用织物实际弯曲形态测试织物弯曲性能的方法研究 质的变化而变化的值，用k w 比k e s 方法强制规定为曲率0 5 - 1 5 段，更 加符合织物的实际情况，文章最后用数值方法验证了算法的可靠性。 关键词：织物，弯曲刚度，测试仪器，弯矩，弯曲曲率，非线性 利用织物实际弯曲形态测试织物弯曲性能的方法研究 r e s e a r c ho nt e s t i n gm e t h o df o rb e n d i n g p r o p e r t yo ft e x t i l eu s i n ga c t u a lb e n d i n g s h a p e o ff a b r i c b e n d i n gp r o p e a i e so ff a b r i ci sa l li m p o r t a n tp r o p e r t y , w h i c ha f f e c tt h e p r a c t i c a la p p f i c m i o na n d t h et o t a lp r o p e r t yo f f a b r i c r e c e n t l y , w i t ht h ew i d e a p p l i c a t i o ni ne v e r yf i e l d ，b e n d i n gp r o p e r t yh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nb y s c h o l a r si nt h ew o d d s oi f t h e r ei sag o o dw a yt oc h a n “：t a r i z et h ep r a c t i c a l b e n d i n gp r o p e r t y ，i tw o u l db eag r e a tp r o g r e s s i nt h i st h e s i s ，m e c h a n i c sm o d e lo ff a b r i cb e n d i n gi nt h ec a n t i l e v e ri s a n a l y z e d ，a n da r i t h m e t i ct oc a l c u l a t en o n l i n e a rb e n d i n gm o m e n t - c u r v a t u r e r e l a t i o n s h i pu s i n gb e n d i n gc o n f i g u r a t i o nc u r v ei ss e tu p a n da tt h es a l l l e t i m e ，o nb a s i so f t h i s ，an e wm e t h o dw h i c hu s e st h ea c t u a lb e n d i n gs t a t e d u r i n gc a n t i l e v e rs t a t eo f f a b r i ct ot e s tt h eb e n d i n gp r o p e r t yi sd e s i g n e da n d d e v e l o p e r t h i sm e t h o di sn o to n l y e a s yt oo p e r a t el i k ef a s t ，b u ta l s oc a n b eu s e dt og e tn o n l i n e a rb e n d i n gm o m e n t - c u r v a t u r ec u r v ea sk e s a f t e r f i n i s h i n gt h ed e s i g n ，f i x i n ge x p e r i m e n te q u i p m e n tt e s t i n g ，a n d 利用织物实际弯曲形态测试织物弯曲性能的方法研究 a n a l y z i n gt h er e s u l tc u r v eo f b e n d i n gm o m e n t - c u r v a t u r e ，t h ea u t h o r h a sp u t f o r w a r dt h ec o n c e p t i o no f c r i t i c a lc u r v a t u l k w t h en o n l i n e a rb e n d i n g m o m e n t - c u r v a t u r ec u r v ei sd i v i d e di n t ot w op a r t s t h es l o p eo fl i n e a rp a r ti s c o n s i d e r e da sac h a r a c t e rp a r a m e t e ro f b e n d i n gr i g i d i t yi nt h es y s t e m - b w i t c a nb eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h eb e n d i n gp r o p e r t yo f f a b r i c f u r t h e rs t u d yi s d o n ea b o u tt h ec o m p a r i s o no fr e s u l t sb ww i t ht h er e s u l t sb k e sg o tb yk e s t e s t i n gm e t h o da n db f a s tg o tb yf a s tt e s t i n gm e t h o d a n d t h er e l a t i v i t y p a r a m e t e r sa 舱r e s p e c t i v e l y0 9 0 7a n d0 8 8 8 ，w h i c h s h o wt h a tb wi sr e a s o n a n dc a nb eag o o dp a r a m e t e rt oc h a r a c t e r i z eb e n d i n gp r o p e r t ye f f e c t i v e l y w h a t sm o r e ，r e s u l t sg o ti nt h i st h e s i sp r o v e st h a tt h o u g hm o s to f t h e r e s u l t sa l en e a r0 5 ，k si sav a l u ew h i c hv a r i e sw i t ht h ec h a n g eo ff a b r i c p r o p e r t y t h a ti st os a y ，t h em e t h o do f u s i n gk w t oc h a r a c t e r i z eb e n d i n g p r o p e r t yi sm o r es u i t a b l et h a nu s i n go f k e s m e t h o d a tl a s t , n u m e r i c a lv a l u em e t h o di su s e dt ov a l i d a t et h ec r e d i b i l i t yo f a r i t h m e t j c h eq i h u i ( f i b e rs c i e n c ea n dt e x t i l ed e s i g n ) s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o lw a n gz h e n g w e i a s s o c i a t ep r o f z h a n gr u i y u n k e y w o r d s ：f a b r i c ，b e n d i n gr i g i d i t y ，t e s t i n ga p p a r a t u s ，b e n d i n g c u r v a t u r e ，b e n d i n gm o m e n t , n o n l i n e a r 利用织物实际弯曲形态测试织物弯曲性能的方法研究 附件一 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 ： 表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内 容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：佰蔹弑争 日期：纱歹年z - j 9z o 日 利用织物实际弯曲形态测试织物弯曲性能的方法研究 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅本人授权东华大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密l 学位论文作者躲伺埒辉 日期：m 纠协e l 指导教师签名丑。中张绋云 e t l l 日山f 年，2 月j 6 e l 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 第一章综述 1 1 织物弯曲性能测量的意义 随着人类社会的发展和人们生活水平的不断提高，人们对纺织品的要求已经不 仅仅局限于传统的遁身蔽体，保暖，耐用的基本要求，开始追求美观、舒适以及其 它许多附加功能。人们在购买或穿用服装时的关注点由原先的耐久性转为颜色、花 型、纹路、光泽、手感、面料的硬挺度或柔软度、服装的造型形态、穿着舒适性等 性质，这些性质被统称为织物风格【n 。对织物风格的考察目前主要集中在织物的尺寸 稳定性、悬垂性、抗起皱性、抗拱性、服装成形性等性能上，如作为内农织物时需 要具有良好的柔软特性，作为外衣织物服用时要保持必要的外形和美观，并具有一 定的刚度和悬垂性：织物在使用过程中受到多次搓揉，会在衣服的肘部、膝部发生 起拱产生塑性变形，形成不规则的皱痕与残留的起拱变形，这不仅有损于衣服的外 观，而且会降低耐用性；因此织物也应具有良好的抗皱性与变形回复能力1 2 ) 。目前 的研究发现这些性能都与织物的弯曲性能有一定的关系，织物弯曲性能的好坏一定 程度上影响了织物的这些性能的好坏。如果织物的弯曲刚度较小，则织物的悬垂性 较好，硬挺度变差，在实际应用中，变形大，易起拱、起皱，且不易恢复，具有“飘 荡”感，缺乏身骨；反之，织物手感硬挺，服用适体性差；其好坏直接影响到织物 的实际用途和评价【3 1 。 同样经常折叠的户外运动纺织品( 如睡袋、帐篷等) 和产业用纺织品( 如承受气 压力的气袋织物或各种传输带等) ，其弯曲性能也是至关重要的。例如织物作为帐 篷材料时，如弯曲性能过小，实际使用中就很容易受到外力作用发生变形，发生抖 动等现象，不符合帐篷的实际功能要求。 从上分析可以看到织物的弯曲性能在一定程度上决定了织物的应用，是其实际 使用性能的基本因素之一，其好坏直接影响织物的实际应用范围。因此对织物弯曲 性能的评价尤其显得重要，正确的评价织物的弯曲性能对人们客观把握材料的特 性，实现加工目标和满足使用要求都有实际的意义。一直以来许多研究者在这方面 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 做了大量的探讨研究工作。由于纺织品独特的结构特征，使其力学性能的分析要比 一般的材料要复杂的多，目前虽然已经有了很多的测试方法，但是都各自存在一定 的缺陷，因此深入对织物弯曲性能测试的方法进行研究，探讨一种新的测试方法具 有很大的实际应用价值的。 1 2 织物弯曲性能研究的历史与现状 由于织物弯曲性能在纺织科学研究和工业应用中的作用，织物弯曲性能的研究 一直以来是研究者的焦点所在。在织物弯曲性能的研究上，一般可以分为两大类： 织物弯曲力学理论的模型研究和弯曲性能测量方法的探索，目前为止织物弯曲性能 的研究已经取得了很大的进展。 1 2 1 织物弯曲性能的理论研究 织物弯曲性能的理论研究最早可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，英国物理学家 p e i r c e f 3 1 首次对织物的力学性能进行了初步研究，引入材料力学中的悬臂梁模型对织 物的弯曲性能进行分析，提出了以此为基础的一种分析织物弯曲性能的模型一织物 弯曲悬臂粱模型。p e i r c c 3 1 同时根据模型给出了织物在自重条件下弯曲的微分方程： 鲁+ 等c o s 妒= 0 c o ； ( 1 - 1 ) 蒂+ 百叩2 。 1 1 ) 和上述方程的近似解析解： 喜w l = 鼍箸； m z ， 3 8 t a n 矽 、一 用来计算织物的弯曲刚度指标值，这也是目前为止唯一一个关于织物弯曲性能的近 似解析解。p e 妊c _ e 之后，a b b o t i ! 4 l 5 1 ，w g b i c k l e y t 6 1 ，t t l i p p n - 强n n m ，c y w a n g 【8 1 ， m w e i l g 埘等学者都在其基础上对悬臂梁模型进行了大量的理论研究。可以说悬臂 梁模型是目前为止纺织领域里研究织物弯曲性能最简单有用的模型，至今仍然在得 到广泛应用。但是由于p e f f c e 理论是基于假设织物的弯曲刚度为一定值，即线性的 弯矩一曲率模型，得出弯硅f t a f j 度解析解的，这与大多数织物的实际弯曲时所表现出 来的非线性的弯矩一曲率关系不符合。因此，严格意义上说，p e i r c c 的线性模型只 能近似的表征织物的弯曲性质，不可能准确的描述织物的实际弯曲过程。悬臂梁模 2 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 型理论提出以后，陆续又有很多学者开始投入到织物的弯曲性能的研究上来，为了 解决p e i r c e 线性模型的缺陷，他们对织物弯曲性能的内部机理，织物的实际弯曲现 象等做了深入的研究，并相继提出了自己不同的研究成果和理论模型。g r o s b e r g h 1 【1 2 1 在6 0 年代在研究了大量的织物样品实际弯曲情况后，提出了织物弯曲摩擦力偶模 型，随后c l a p p ，p e i 话1 ，】【h l 等人也关于这个模型开展了大量的研究，他们认为织物 实际弯曲时表现性质可以分两部分：弹性的线性部分和由于摩擦产生的非线性部 分。该模型认为织物在实际弯曲时候弯矩一曲率关系是非线性的，其原因在于织物 内部的摩擦力矩的作用，该模型能较好的分析织物的实际弯曲过程中非线性部分， 但是线性部分的值远大与实际值。七，八十年代，h u a n g u 1 ，l e 矗1 6 1 和g h o s h 1 7 1 相 继提出与研究了织物双线性弯曲理论，他们认为织物弯曲时曲率变化趋势可以被分 为两个部分，在各个部分中曲率变化趋势都是表现为线性的，但是在整个弯曲过程 中，曲率变化趋势则是非线性的。9 0 年代以后，又有学者认为织物弯曲过程中弯矩 一曲率的关系应该是非线性的指数关系，并根据大量的实验分析，提出了弯矩一曲 率指数函数关系模型【l 嗣： m ) = 雠+ 西 1 一e c - a k ) ： ( 1 3 ) 以描述织物实际弯曲过程。这些关于织物弯曲的非线性模型与p e h - c e 的线性模型模 型相比能够更加真实的描述织物实际的弯曲性质，但是由于它们仍然都是建立在一 定的假设条件上的，因此不可避免的与实际织物的弯曲过程有所差异，不可能完全 真实地反映织物的实际弯曲过程。织物弯曲过程的实际描述还有许多问题需要解 决。 1 2 2 织物弯曲性能测试方法和仪器的研究 i 织物弯曲性能的研究历史与现状 织物弯曲性能既然被用来定量表征织物的性质，其性能表征指标、测试方法 和测试仪器的研究也变得尤为重要，历来有许多研究者致力予织物弯曲性能的测试 方法和仪器的研究。到目前为止，研究者已经提出许多不同的关于弯曲性能测试的 方法和标准，同时设计了相应的检测仪器。 关于弯曲性能的测试方法，最早由p c r i 胡在其悬臂梁理论模型基础上提出 的，他根据不同弯曲刚度的织物设计了测定常规织物的斜面法和分析柔软织物的心 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 形法两种实验测试方法，利用p e i r c e 公式计算出织物的弯曲刚度指标b ，用来表征 织物的弯曲性能。由于简单易行的实验过程和指标描述，使其成为迅速在学术界和 工业界得到推广，著成为了各国的标准测试方法如美国的a s t m 1 9 1 ，中国的g b 2 0 等。p e i r c 宅以后，随着对弯曲机理研究的逐步深入，其它学者随后又相继提出和设 计了出了不少新的弯曲性能的测试方法和仪器，以迸一步使完善对织物弯曲性能描 述和评测，其中比较常见的方法和仪器有压刀法【2 1 1 ，喷嘴法阎，振动法 2 3 1 ，圈性 法剀，c s i r o 的f a s t - f b 弯曲测试仪 2 5 1 1 2 6 1 ，日本川端季雄的k e s 纯弯曲测试仪 2 7 ( 2 s 1 ，国内上海纺研院的y g 8 2 1 弯曲测试仪溯，和三点法弯曲性能测试仪d o 等多 种。这些测试方法和仪器几乎都提出了自己特有的测试指标和测试方法。例如，压 刀法提出了2 项描述织物弯曲性能力学指标：弯曲刚度b 及弯曲弹性率b e ，可以利 用自有的仪器测出，并从图纸上得到读数。喷嘴法通过测试仪器得到负载一拉伸曲 线( 或织物受拉力与时间的关系曲线图) ，计算即可得到织物的基本力学指标弯曲刚 度b 。振动法通过实验测量共振频率f 时，再利用模型公式求出弯曲刚度b 。f a s t - f b 测试仪则通过仪器获取织物在4 1 5 度角弯曲时候的弯曲长度，利用公式计算弯曲 刚度b 。k e s 方法可以得到实时的弯矩一曲率关系曲线，进而以分析得到弯曲刚度b 和弯曲滞后矩2 h b 两个表征指标，综合表征织物的弯曲性能。y g 8 2 1 可以测得织物 的弯曲滞后曲线，并计算出活络率、弯曲刚性、弯曲刚性指数和最大抗弯力4 个指 标表征织物的弯曲性能。三点法测试仪能得到织物弯曲时的弯蓝一力位移曲线，通 过曲线，提取出织物的弯曲刚度指标b 麟等特征指标。 但是对上述测试方法所基于的原理进行分析，绝大部分的测试弯曲刚度的仪 器可以划分为两类。一类是依靠织物自身的自重来测量织物弯曲性质；另一类则是 依靠外部力量，通过对织物施加的力、力矩、或者能量等参数的测量来间接表征织 物的弯曲性能。目前在纺织研究领域和纺织工业领域被广泛应用主要是两类方法的 代表；悬臂梁测试法( f a s t ) 和川端季雄的纯弯曲测试法。 i i目前常用两类方法的优缺点 悬臂梁法和纯弯曲测试方法代表了两类的测试方法，下面我们将重点分析这 两类代表方法。 f a s t 的悬臂梁弯曲测试方法是基于p e r i c 的悬臂梁理论模型的，利用测量织 物样品在弯曲时自由端到达斜面( 斜面角为4 1 5 度) 时候的弯曲长度，并通过p e i r c a 4 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 的近似解析解公式求得样品的弯曲刚度，具有实现硬件简便，操作要求低，实验快 捷等优势。但是由于p c i r c e 的悬臂梁模型是基于弯矩一曲率具有线性关系的假设提 出的，而实际情况中的大部分织物的弯曲刚度是非线性的，因此这种方法有明显的 原理性缺陷；而其计算弯曲刚度p e i r c e 公式也只是一种近似的解析解，只有在4 0 度左右时候才能保准较小的计算误差口“，因此使其测试计算的弯曲刚度不能准确的 表示大部分织物的实际弯曲性能，使其应用范围变的相对比较狭窄，一般只能用于 毛织物的测试：对于其它类型的织物，例如，棉、化纤、混纺织物等，它的实测指 标就不能很好的表征其所测织物的实际弯曲性能0 2 。 川端季雄的弯曲性能测试法，是基于弯矩一曲率非线性关系的原理上提出的， 它充分的考虑了织物在大曲率弯曲状态时的弯矩一曲率非线性特性，能够对织物在 纯弯曲下的样品弯矩一曲率关系进行直接测量。他通过其独特的测试仪器，使织物 样品在弯曲时曲率为单调线性变化，同时记录相应的弯矩值，得到一条表征实际的 非线性弯曲性能的弯矩一曲率曲线，并且可以从曲线中获取弯曲刚度和弯曲滞后矩 两个指标。与悬臂梁测试法相比，该方法能更好的描述织物的实际弯曲过程，同时 k e s 纯弯曲测试仪可以测量绝大部分织物的弯曲测试性能，而不仅仅如其它大部分 测试仪器只能测试某些特定类别的织物。但是纯弯曲测试法无法对大部分非线性现 象发现的小弯曲曲率交化段的弯矩一曲率关系做出有效的分析，因此实际应用中 k e s 取曲率在0 5 一1 5 和一0 5 1 5 段来进行表征，这有失偏颇；同时由于其设 备价格过于昂贵，后期的指标与风格关系烦琐，使其在实际的应用也受到了一定的 限制。 1 3 计算机图像处理技术在纺织上的应用现状 图像处理和分析技术就是借助一系列的操作( 即数学算法) 来改变或改善图像 并从中提取某些特定信息的- f l 技术，在纺织领域得到了日益广泛的应用。图象技 术的发展非常迅速，特别是大规模集成电路技术和计算机软件技术的发展，为图像 处理技术奠定了良好的软硬件环境，使图像处理技术所具有的运算速度快、测试精 度高、处理数据量大、结果再现性好的优点得以充分发挥。 上世纪9 0 年代中期，图像处理技术在纺织中应用的研究热点主要是：纤维材料 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 性能测试、纱线性能分析、半制品质量检测等。如纤维的直径、卷曲频数、波幅、 伸长率、纱线外观均匀度及织物光泽特性等，由于这些测试涉及的是纤维与纱线的 外观特性，比较直观，因而部分研究成果已经可以解决实际问题。近几年来，人们 关注的重点主要集中在几个方面：织物表面特性的分析、组织结构的自动分析、成 品及半成品性能检测等，其中一些技术已经在纺织生产中得到实际应用。 1 3 1 织物表面特性分析 织物外观性能在纺织品质量控制及贸易中是一项重要指标，而且会直接影响最 终产品的美观。目前图像处理技术在这方面的应用研究较多地集中在评定织物起球 等级、织物折皱等级、织物悬垂性能以及织物表面疵点识别和分类等方面【3 3 1 。 ( 1 ) 织物表面疵点识别和分类 织物表面疵点直接影响织物的外观效果，同时也是织物等级评定的一个重要指 标。大多数研究采用灰度统计的方法，提取图像上的特征区域，并实现织物表面疵 点的动态识别和分类，这方面的研究成果可用于验布机上织物疵点的实时检测，可 以大大地提高劳动效率，具有很大的实际价值。目前国外已有成熟产品推向市场。 如以色列e v s 公司的i t e x 验布系统；比利时b a r c o 公司的验布系统等例。 ( 2 ) 织物表面起球等级的评估 8 0 年代后期，就有学者开始运用图像处理技术对织物表面的起球等级进行评 估。但由于织物种类及起球状态的多样性，目前图像处理方法仅限于素色、简单组 织、非印花织物和表面底纹有规律的织物中；另外也有人运用三维激光扫描方法从 毛球高度特征上分析织物起球等级，该方法能适应各种类型织物，但分析速度很慢， 且织物表面平整度及破损对毛球特征提取影响很大【3 5 1 。因而，目前织物表面起球等 级评估中尚待解决的问题主要是毛羽及松结构毛球对等级评定的影响；非规律性印 花及深色织物的起球等级评定。 ( 3 ) 织物折皱等级的评定 在织物折皱等级评定研究中，中外学者作了大量工作，对折皱程度的评价给出 了多种算法和指标，如马里兰大学的y o u n g j o o n a b e h n a m 和p o u r d e y h i m i 提出用折皱 强度、轮廓，功率谱密度、尖锐度、随机分布程度、总体外观等来表征折皱强度； 德克萨斯大学的学者提出用折皱灰度表面积，阴影面积对折皱评级；我国学者陈健 6 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 敏、吴兆平、严灏景等应用分形理论进行这方面的研究，提出用折皱块的侧面积比、 图像各像素点灰度、标准差三个指标来评价织物的起球程度。这些指标从不同侧面 表征了织物折皱程度，为进一步深入研究奠定了基础。 ( 4 ) 织物悬垂性的评定 织物的悬垂性问题是研究的另一个热点。运用图像处理技术评定织物的悬垂性 时，首先摄取织物样本的悬垂图像并将其转换成数字图像，然后采用一定的图像预 处理方法，得到易于分析的图像。根据主客观评定的指标，结合图像处理技术本身 的特点，提取图像中有用的特征，可得到各种悬垂性指标，如最大凹度、性质因子、 褶数、褶裥平均凹度、悬垂系数等。采用图像处理技术也可以获得灰度等值线图和 三维重建图，为织物悬垂性能的主客观评价结合提供了新的测试手段0 4 。评价织物 悬垂性能同评价织物起球存在类似问题，即目前只能评价素色织物的悬垂性能，并 且动态分析效果不理想，样本的三维重建也仅是在尝试阶段，因此这方面的研究还 有待进一步深入。 1 3 2 织物组织结构的自动分析 随着纺织贸易往来日益增加以及订单样品的多样化，传统的来样分析方法已无 法适应目前生产中小批量、多品种、高效率的要求。纺织品c a d 系统的出现和日渐 成熟大大简化了产品的设计和小样织造，但织物组织结构自动分析却成为制约纺织 品快速设计和生产的“瓶颈”。十几年来，国内外许多学者都尝试进行织物组织结 构自动分析方面的研究，但由于织物组织结构复杂，生产中受结构、机械、后整理 等方面因素的影响，使最终形成的织物中具有许多不确定的参数，因而虽然早期已 有许多学者进行过这方面的研究，但一直没有形成比较完善的理论和系统。目前韩 国和日本在这方面的研究比较多，也比较深入。韩国的t j k a n g 等推出了一套比较 完善的识别系统，能够有效识别织物的组织循环、经纬纱密度、经纬纱支数以及配 色模纹，但只限于单层织物 3 0 3 。上世纪9 0 年代开始，我国在这方面的研究也逐渐增 多，并取得了一定的成果，比如可以利用图像处理技术自动识别织物密度、组织循 环大小等，但也只限于单层简单织物，而且离生产实用仍有较大的距离。因此，今 后几年中这仍是一个研究的热点【3 7 】。 目前，纺织工业中已经大量地用到了计算机图像处理技术，并取得了较满意的 7 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 效果。但是有些还受到纺织品特有性质的制约，需要寻求合理的途径来解决。可以 看到图像处理技术在纺织中的应用正朝两个方向发展，一个方向是快速计算和工厂 实用，另一个方向就是与智能技术的融合。随着计算机技术和数学理论的不断发展， 计算机图像处理技术将向深度和广度发展。计算机智能分析和测试必将逐步把人们 从费时费力的手工操作中解放出来。 1 4 本文的研究内容 本课题的主要任务是在分析前人织物弯曲刚度测试方法的基础之上，提出一种 利用织物实际弯曲形态间接测量织物弯曲性能的方法并建立相应的评价指标。 主要内容分为以下几个部分； ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 利用目前先进的图像处理技术对织物在悬臂梁状态时的实际弯曲形 态图像进行处理，获取织物的实际弯曲形态曲线。 通过对织物弯曲力学理论的研究，建立一个基于织物弯曲形态曲线 分析织物任意点所受力矩的数学模型，以该模型为基础，用计算机 编制算法程序，实现利用织物弯曲时的弯曲形态曲线获取弯曲力矩 一弯曲曲率曲线的目的。 提取表征织物弯曲性能的特征指标，并与斜面测试法和纯弯曲测试 法进行对比，验证新的测试方法。 8 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 第二章图像法织物弯曲刚度测试系统的原理与设计 2 1 织物弯曲形态的力学分析 织物在悬臂梁状态，受重力场作用时将产生大绕度弯曲。如图2 - 1 所示。 图2 - 1 织物悬臂弯曲图 学术界在进行宏观的织物平面弯曲力学分析时候，织物被定义为一个连续细长 的固体弹性粱进行力学分析1 3 8 。因此本文也将以此为基础进行力学分析。 2 1 1r n o u ili e u l e r 弹性理论凹 根据b e r n o u l l i - e u l e r 弹性理论，弹性梁上任意点处的弯矩与曲率( k ) 的 关系可以表示为： 芷；丝：1 3 = e i( 2 1 ) e l b ：梁的弯曲刚度；e ：材料的弹性模量；i ；惯性矩 织物在本文中简化定义为一个细长的连续介质固体弹性梁，力学特征符合 b e r n o u l l i - e u l e r 弹性理论。但是由于织物在受到压缩或者拉伸时力学响应是不同 的，导致很难决定织物的中性轴和弹性模量，因此利用b ( k ) 来表示织物的弯曲刚 度比用e i 来表示要更加合适【3 3 l 。式( 2 1 ) 应改为： 石：黑( 2 - 2 ) 占( 髟) 9 利用织物的实际弯陆形态测试织物弯曲性质的方法研究 2 1 2 大挠度弯曲梁理论 图2 2 大弯曲时的曲率 如图2 1 所示，织物在受自重力作用发生弯曲时，产生很大的弯曲挠度，织物 上任意点处的的曲率分析需要建立在材料力学中的大挠度弯曲梁理论基础之上f 3 9 j 。 由图2 2 ，任意点处的织物弯曲曲率k 可以表示为： 置；塑( 2 3 ) 丞 织物弹性梁弯矩与曲率关系变为： 一d o ：l ( 2 4 ) 西 召( k ) 2 1 3t i m o s h e n k o 弹性理论 一个弹性梁在受外力产生平面弯曲时的受力图( 图2 3 ) 可表示如下： p y t + 。7 h 固定鹿 妒1 w y ， 1 r o x r 图2 - 3 织物弯曲受力图 0 点为悬臂梁状态织物的自由端，h 为织物的固定端，t 为梁上任意一点，其中 l o 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 p 为0 点受到的向右压力，r 为0 点所受向上的支撑力，m e 为0 点受到的弯曲力矩， w 为重力，方向与y 轴平行，s 为梁上任意点处到自由端的长度，0 为任意点处切 线与y 轴的夹角。 对于一个弹性梁，其力学方程符合t i m o s h e n k o 弹性理论嗍，梁上任意一点h 处的弯矩平衡方程可以表示为： m = - p y + m e + r x r 畎x x ) 出- ；( 2 - - 5 ) 即： 雕) 警= - e y + m e + 戤一f 吣卅凼- ( 2 _ 6 ) 珊 。 由于本文讨论的是悬臂梁状态的织物，织物在弯曲时只受到外部的重力场产生 的自身重力w 的作用，自由端受到外力p 、r 以及力矩都为0 ，因此公式( 2 6 ) 可以转换为 m = 丑塑d s = 一r 以x x 西； 占 、 7 = 1w s i n o d s ； ( 2 7 ) 由上述理论分析可知，当织物假设为一弹性梁时，其在悬臂梁状态时的弯曲形 态曲线上任意一点的处的力学平衡方程可以由表示为公式( 2 7 ) ，利用该方程我 们可以计算曲线上任意点处所受到的弯曲力矩m 同时根据上述的公式( 2 3 ) 可 以计算任意点处的曲率k ；由此我们可以得到织物在弯曲时的弯矩m 与曲率k 之间 的关系曲线。 2 2 利用织物弯曲形态曲线获取弯矩i 卜曲率k 曲线关系的算法 利用数字图像处理方法对拍摄到的织物实际弯曲形态图像进行处理之后，我们 可以得到织物的实际弯曲形态曲线( 具体方法将在第三章详细阐述) 及其在如下图 ( 2 4 ) 所示的坐标系中的一系列曲线上点的坐标。 下面我们将利用3 个步骤来获取织物的弯曲力矩m 与弯曲曲率k 之间的关系曲 线。 ( 1 ) 弯曲曲线上任意点直角坐标( 而，只) 向角坐标( 研，所) 的转换； 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 ( 2 ) 仅受重力作用时弯曲曲线上任意点处弯曲力矩舭的计算； ( 3 ) 弯曲曲线上任意点处的曲率k i 的计算； y i - - i ox 图2 4 织物悬臂梁状态时的弯曲形态曲线图 图中i 为曲线上任意点，x 吖坐标系以织物自由端0 点为原点 2 2 1 直角坐标( ，m ) 向角坐标( 瓯的转换 经过图像处理以后的织物弯曲形态可以得到n 个直角坐标( 薯，乃) 来表示其 形态特征，其中自由端点( 毛，m ) = ( 0 ，0 ) 。从2 i 节的原理分析中可知，织 物的曲率和弯矩计算由弧长s i 和角度所来完成，下面介绍利用曲线上的任意点的 直角坐标( ，只) 来计算该点处的( 研，研) 的算法： i 弯曲形态曲线的拟合方程 图像处理后测量得到的n 组( x i ，y i ) 坐标，只是一些表征织物实际弯曲形态 的离散点，我们首先利用这些数据作多项式插值运算进行拟合，得到代表这个实际 弯曲形态曲线的一个曲线函数。材料力学中，均匀加载梁为线性弯曲性质时的弯曲 曲线，由一个四次的多项式方程来表示d 9 1 ；表征一个织物的非线性弯曲性质时，可 用一个五次的多项式( 2 8 ) 来拟合弯曲形态曲线方程y = f ( x ) 【翔。 y = a i x 5 + a 2 x 4 + 码x 3 + a 4 x z + x + c ( 2 - - 8 ) i is i 的计算 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 利用上述得到的织物弯曲形态曲线拟和方程( 式2 - - 8 ) ，可以计算曲线上任意 点i 处拟合后形态曲线的( x i ，y i ) 坐标。曲线上任意点t ( 1 - i n ) 处的弧长s ， 和其微分增量觚可如下计算 a s , = 厄i 丽啄而 ( 2 9 ) i - i ，2 ，n - i ； 焉“= s j + 她 i - - ! ，2 ，j l ； & = 0 。 i i io i 的计算 任意点i ogi n 1 1 处的切角优，同样可以通过形态曲线方程y = f ( x ) 来 计算得到： 磷= 争( 现嗽艄( 2 - - 1 0 ) 其中尾端点n 因为是一个固定端，岛= 詈，作为边界条件。 利用上述公式，可以转换得到任意点i 处的 ，谚) 。 2 2 2 仅受重力作用时任嚣点处弯曲力矩一i 的计算 根据方程( 2 - - 7 ) ，任意点处的弯矩为： 肘= r 懈s i n o d s 。； 因此点i + l 处的弯曲力矩可以表示如下： m + l = “w s s i n o d s = rw s i n o d s + rw s i n o d s = m + 啦；i = l ，2 ，n 一1 ；( 2 - - 1 1 ) m = 0 ，m 为点i 与点i + l 之间的弯矩微增量，可近似用下式计算得到 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 a m = r “w s i n o d s = w s i n 否，f s d s 缸扫，( 华 = w 如扫一争& ( 2 1 2 ) i = l 2 一，n - 1 ； 其中s i n 址s i n ( 华 ( 2 1 3 ) 利用上述算法，可以计算得到一系列的弯矩值m i 。 2 2 3 弯曲曲线上任意点处的曲率硒 由于直接采用 ，q ) 计算k i 会导致结果存在着数据波动性过大，在实际的计 算过程中，我们同样利用五次多项式回归来拟合织物弯曲形态曲线方程曰= f ( j ) ， 以减少计算曲率时候的波动性和程序工作量，利用下式可以计算得至任意点处的曲 率k i 。 鼢：掣i = l ，2 ，胂l ； ( 2 1 4 ) d s l 。 。 利用以上三个部分可计算得到织物在自重作用下弯曲时任意点处的( 酝 毋) ， 通过这一系列的数据，就可以获得织物在悬臂梁状态下的弯矩m 与曲率k 之间的关 系曲线。 2 3 测试系统的设计 基于上述的织物悬臂梁状态时弯曲力学模型与算法的分析，我们设计了利用织 物在悬臂梁状态下产生的实际弯曲形态来测试织物弯曲性能的新方法。方法利用数 字图像处理技术对拍摄到的织物在悬臂梁状态时的弯曲形态图像进行处理，获取其 弯曲形态曲线，再通过上述的力学模型和算法，计算织物弯曲形态曲线上任意点的 1 4 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 弯矩( m ) 和曲率( k ) ，以得到表征织物弯曲性质的弯矩( m ) 一曲率( k ) 关系曲线， 同时计算出织物的弯曲刚度b 值。 测试系统如图( 2 5 ) 所示，共有4 个部分组成，各个部分的目的和要求具体 如下： 图2 - 5 测试系统流程图 ( 1 ) 织物弯曲形态图像的采集 本文设计的方法是基于对织物悬臂梁状态时的弯曲形态分析，因此采集织物实 际弯曲形态图像是我们首先需要解决的问题。 ( 2 ) 织物弯曲形态曲线的获取 利用图像处理技术对其进行处理，分离出本文需要的目标图像，并记录该目标 图像中表征织物的弯曲形态的参数。 c 3 ) 织物弯矩力矩一曲率关系曲线的获取 利用数学拟合技术获取织物的弯曲形态曲线方程，通过上述2 2 节中的算法， 计算任意点处的弯矩m 和曲率k ，得到织物的弯矩( m ) 一曲率( k ) 关系曲线。 ( 4 ) 织物弯曲刚度指标的提取 分析得到的弯矩( m ) 一曲率( k ) 关系曲线，提取织物弯曲刚度指标。 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 第三章测试系统的研制 基于对已有成熟实验测试系统的架构分析，作为一个测试系统，应该具有 组装简易，操作方便，易于维护等特点。根据前人经验和本测试自身的特点，本文 的测试系统设计为由软硬两个集成模块组成：测试图像采集系统( 硬件模块) 和图 像处理与数据处理系统( 软件模块) 。整体结构见图3 一l ： 图像处理及测试指标计算系统 厂f k 试样台 7 淞织物 惫 li fj p e n t i u mi v 计算机 图3 - - 1 测试系统结构图 在进行实验时，将样品以如图方式置放于试验台之上，由图像采集系统采集实 际弯曲图像并传输到计算机进行图像处理和指标计算。具体的流程如图3 - - 2 ： 图3 - - 2 铡试流程图 3 1 硬件部分的设计与实现 硬件部分主要由实验台和图像采集系统两个部分组成 1 6 型旦堡塑塑塞堕皇些垄查型堕堡望奎些丝堕竺塑鎏堡塞一 3 1 1 实验台设计 本文的测试系统是基于对重力场作用下织物的弯曲分析，从实验机理上与f a s t 测试方法是一致的，我们以其试验台设计为基础进行了一定改进作为我们的测试 试验平台。 图3 3 试验平台设计图 1 ：白色背景板；尺寸：3 5 c m x 5 0 c m ；( 高宽) 2 ：样品上压块；宽度( 3 5 2 ) 岫，长度2 0 0 咖，厚度l o 珊( 为突出设计效果，图3 3 中被放大) 。钢板，其下表面有橡胶层 3 ：试样支撑台：宽度( 4 0 2 ) 咖，长度3 0 0 珊，高度2 0 0 哪。平面前面的斜板与 水平台底面的成4 5 。夹角。支撑台整体为白色。 4 ：标尺( 中间上半部分有一段黑色标志线) 标尺中间如图3 3 所示，有一段底边平行与试验台水平面的黑色矩形( 左边 相距试样台垂直线相距i c m ) ，其作用为： ( 1 ) 、拍摄到的图像与水平面可能存在一定的角度偏差，在后期处理时可以利 用标志线进行几何校正，以使图像中的织物重力方向垂直与水平面。 ( 2 ) 、照相机拍摄倍数为一变值，且织物每次的伸出长度是一个不定值，因此 为测定织物的实际长度，需要通过标记线之间的长度来确定图像的放大 倍数和织物伸出长度。在实际测试中，根据样品情况，我们确定标志段 利用织物的实际弯曲形态测试织物弯曲性质的方法研究 长度的为1 2 0 m 。 实验台中背景板，支撑台，标尺三个部分按图所示粘合为一整体，实验时样品 上压块压住样品，并从支撑台左方逐渐向右推出支撑台，使织物在重力场作用下自 然弯曲至靠近斜面板边线附近( 不超过) 。 3 1 2 图像采集系统 本系统基于织物的弯曲图像基础上进行研究的，因此图像采集系统是测试系统 的重要组成部分，采集到图像的好坏直接影响后期的数据处理。传统的图像采集系 统大致由以下几个部分：观测图像并进行数字化的输入设备；处理像素阵列的运算 装置；存储输入数据和处理结果的存储器；显示、记录处理结果的输出设备 4 0 l 。其 中，图像输入，输出设备的种类取决于被处理图像的性质和处理的目的。根据上述 分析，本文建立了如图所示的数字图像采集系统。 图3 4图像采集系统的构成示意图 i 、图