（纺织材料与纺织品设计专业论文）功能与智能束纤维强力测量方法及装置的研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

摘要 功能与智能束纤维强力测量方法及装置的研究 摘要 纤维强力作为纤维物理性能的一个重要指标，其重要性在纤 维的使用过程中一直备受重视。纤维强力的测量分为两种：一是 单纤维测量，适于结构和性能较均匀的纤维，如化纤等，能较准 确地反映纤维的强伸性能，不足在于操作烦琐、费时费力，一般 要测量2 0 0 3 0 0 根纤维才能得到有代表性的测量结果。另外一种 是束纤维测量，适合结构均匀性较差、力学性能离散较大的纤维， 如棉、毛等天然纤维。目前国内的束纤维测量，均使用早期的束 强仪，如y 1 6 2 束强仪、斯特洛仪等，技术落后，信息量小，难 以适应工业化的大批量测试和检验的要求。而国外澳大利亚 c s i r o 于上世纪末推出s i r o l a n t e n s o r 束强仪，自动化水平有所 提高，但仅适用于毛。在进出口业务和商检业务对羊绒力学性质 评价中，急需快速、标准化的检验，单纤维测量因羊毛纤维粗细 差异大试验极其困难，而束纤维测量因纤维卷曲极难理直，故必 需解决制样和测量问题。 而国内在此方面反应迟钝，数十年来基本上都完全沿用国 外仪器的原形设计原理或直接采用国外的仪器与技术。有用于 棉、麻纤维测量的老式斯特洛仪和相应的a s t m 标准。但目前因 为大容量棉花分析仪( h v l 9 0 0 系统) 的应用，己较少商业化使用， 但h v l 9 0 0 系统未解决麻纤维的测量。毛纤维的测量，现已采用 较新的s i r o l a n t e n s o r 进行( i w t o 一3 2 8 2 ) ，但不适用于其他纤 维。 研制国产自主知识产权的功能化和智能化束纤维力学性能 评价系统，不仅可解决束纤维的快速精确测量，而且通过自主开 发的模型和软件，完成束纤维至单纤维力学性质的转换，是纤维 性能表征的突破，也是实验技术的方向。该测量原理、方法和仪 东华大学硕士论文 摘要 器的建立，不仅可覆盖天然纤维和普通化纤拉伸性质的测量，而 且对一些单纤维测量极难进行的纤维材料，如碳纤维，羊绒，矿 物纤维等也适用。这在纤维材料表征范围上是一突破。由于采用 束纤维拉伸曲线的建模解析处理，可直接导出单纤维断裂伸长和 断裂强度分布值，单纤维的测量在理论上可以废除。而目前束一 单性能转换中，只能根据束纤维曲线得出单纤维强度的平均值， 运用该方法解得强度分布是理论和实践上的突破，具有理论意 义。 本文从束纤维和单纤维强伸性关系的分析入手，着重讨论了 束纤维测量参数与测量结果之间的关联，从而为束强仪的设计提 供理论依据。并初步提出了束强仪的硬件功能设计方案和软件总 体规划，有四处重大创新，与上海中晨数字化设备有限公司合作， 完成仪器的力学测量单元与主机构加工定型。利用自制仪器进行 束纤维强力实验，并与现有仪器进行比较。 关键词：束纤维束强仪硬件参数拉伸曲线软件模型 变兰奎兰婴主迨壅 塑墨 i n v e s t i g a t i o no nt h ef u n c t i o n a la n d 7 i n t e l l e g e n tf i b e rb u n d l et e n s i l e m e a s u r e m e n tm e t h o da n da p p a r a t u s a b s t r a e t t h ef i b e rs t r e n g t h ，w h i c hi sa ni m p o r t a n ti n d e xo ft h ef i b e r p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，i sp a i dm u c ha t t e n t i o nd u r i n gf i b e r sa p p l i c a t i o n g e n e r a l l y ，t h e r ea r et w ow a y st om e a s u r et h ef i b e rs t r e n g t h t h e f i r s to n ei ss i n g l ef i b e rm e a s u r e m e n t ，a n dt h es e c o n di sb u n d l ef i b e r m e a s u r e m e n t t h ef o r m e ri sf i tf o rt h ef i b e rt h a ti sr e l a t i v e l ye v e ni n i t ss t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s ，s u c ha st h es y n t h e t i cf i b e r s s i n g l ef i b e r t e s to w n st h ea d v a n t a g eo fa c c u r a c yt oi n d i c a t et h ef i b e rt e n s i l e p r o p e r t i e s ，b u t i tc o s tal o to ft i m et od os om u c hf i b e rt e s t s ， n o r m a l l y2 0 0 3 0 0f i b e r s ，i no r d e rt og e tar e l a t i v e l yr e p r e s e n t a t i v e r e s u l t t h ef i b e rb u n d l et e s ti sp r o p e rt om e a s u r ef i b e r s ，w h i c hi sn o t v e r ye v e ni nt h e i rs t r u c t u r ea n dt e n s i l ep r o p e r t i e s t h ef i b e rb u n d l e t e s t e ri ne a r l i e rp e r i o da r es t i l lb e i n gu s e dn o wi nc h i n a ，s u c ha st h e y16 2b u n d l ef i b e rt e s t e r s t e l o m e t e ra n ds oo n t h e ya r en o to n l y o u t d a t e di nt e c h n o l o g y ，b u ta l s os u p p l yl i t t l ei n f o r m a t i o n ，a n dc a n t m e e tt h ed e m a n do ft h ei n d u s t r i a lm a s sm e a s u r e m e n t t h e s i r o l a n - t e n s o r ，w h i c hw a sd e v e l o p e db yc s i r o ，h a sg r e a tp r o g r e s s i na u t o m a t i o nm e a s u r i n g ，b u tj u s tf o rw o o lf i b e r s t h e r ei sa nu r g e n t d e m a n df o rt h ew o o lt e n s i l ep r o p e r t i e se v a l u a t i o ni ni m p o r ta n d e x p o r tq u e r yb u s i n e s s h o w e v e r , s i n g l ef i b e rt e n s i l et e s ti sh a r dt o m a t c ht h em e a s u r e m e n to ft h eu n e v e n n e s so ft h ew o o ld i a m e t e r s w h i l et h es a m p l em a k i n gh a st ob ed e a l tw i t hi nt h ef i b e rb u n d l e t e s tb e c a u s eo ft h ec r i m p t h ea b r o a di n s t r u m e n ta n d t e c h n o l o g ya r ed u p l i c a t e do rd i r e c t l y u s e di nr e c e n ty e a r s s t e l o m e t e ra n da s t ms t a n d a r da r ea p p l i c a t e d f o rc o t t o na n di u t et e s t ，b u ta r el e s su s e dn o wb e c a u s eo ft h e h v l 9 0 0 b u tt h eh v l 9 0 0c a nn o ts o l v et h ej u t et e s tp r o b l e m t h e r e i ss i r o l a n t e n s o ru s e df o rw o o lm e a s u r e m e n t ，b u ti ti sn o tf i tf o r o t h e rf i b e r s t h er e s e a r c ho ft h ef u n c t i o n a la n di n t e l l e g e n tf i b e rb u n d l e t e n s i l ep r o p e r t i e se v a l u a t i o ns y s t e m ，n o to n l yc a nm e a s u r et h ef i b e r b u n d l ed i r e c t l ya n dq u i c k l y ，b u ta l s or e a l i z et h ei n t e r c h a n g ef r o m b u n d l ef i b e rt e n s i l ee v a l u a t i o nt o s i n g l e f i b e re v a l u a t i o n t h e e s t a b l i s ho ft h et h e o r y , m e t h o da n di n s t r u m e n t ，c a nn o to n l yc o v e r t h en a t u r a lf i b e ra n dm a n m a d ef i b e rt e s t ，b u ta l s of i tt h eo t h e rf i b e r m a t e r i a l s ，w h i c hs i n g l ef i b e rt e s ti sv e r yh a r dt oa r c h i v e t h es i n g l e f i b e rt e n s i l ep r o p e r t i e sc a nb ea c q u i r e df r o mt h eb u n d l ef i b e r p r o p e r t i e sb yt h eb u n d l et os i n g l em o d e l t h et h e s i sb e g i n sw i t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb u n d l ef i b e r a n ds i n g l ef i b e rp r o p e r t i e s ，a n dm a i n l yd i s c u s st h ee f f e c to ft h e b u n d l ef i b e rm e a s u r e m e n tp a r a m e t e ro nt e s tr e s u l t ，w h i c ho f f e r t h e o r ys u p p o r tt ot h eb u n d l ef i b e rt e s t e rd e s i g n ，w ec o o p e r a t ew i t h s h a n g h a ip o w e r e a c h d a t ai n s t r u m e n tc o l t d ，a n dg i v e o u r h a r d w a r e p r o je c t a n ds o f t w a r e d e s i g n t of i n i s ht h et e n s i l e m e a s u r e m e n tu n i t t oc o m p a r ew i t ht h ee x i s ti n s t r u m e n t ，t h ef i b e r b u n d l et e n s i l et e s t e ri sd e s i g n e db yo u r s e l v e s w a n gy o n g m i n g ( t e x t i l em a t e r i a l s ) s u p e r v i s e db yp r o f y uw e i d o n g k e yw o r d s ：f i b e rb u n d l e ，f i b e rb u n d l e t e n s il et e s t e r ， h a r d w a r ep a r a m e t e r ，t e n s i l ec u r v e ，s o f t w a r e 东华大学硕士论文 符号说明 b s ： b e ： b m ： b w ： w b p ： w a p ： y p ： p p ： f b s t ： b u n d l es t r e n g t h ， b u n d l ee l o n g a t i o n ， b u n d l em o d u l u s ， b u n d l ew o r k w o r kb e f o r ep e a k w o r ka f t e r p e a k y i e l dp o i n t p e a kp o i n t f i b e rb u n d l e 符号说明 束纤维 束纤维 柬纤维 束纤维 峰值前 峰值后 屈服点 峰值点 断裂强度 断裂伸长率 初始模量 断裂功 断裂功 断裂功 s t r e n g t ht e s t e r 束纤维强伸仪 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。祟尚严谨学风。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。 言篓? 荔：烈 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转。 本学位论文属于 不保密口 学位论文作者签名 日期：篇叫日 ：弘 醐忡1 日 东华大学硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 1 1 束纤维与单纤维强力关系的理论回顾 1 1 1 理论研究的重要性 纤维是组成纺织品的基本成分，而纤维束，无论是无捻或稍有粘连。 则是纺织材料的基本集合体，了解纤维集合体的机械行为和结构特征是很 重要的。虽然每根纤维都会对纱线的结构性能产生自己的影响，但对于纤 维集合体的分析可以帮助我们解释加捻纱、混纺纱以及复合纱等纤维束的 结构特征，因为纤维束有其特殊的拉伸行为特征。纤维束作为众多纤维的 集合体，其与单纤维性能间必定存在一定的关系。通过理论模型或实验方 法，建立数学模型来预测其间关系是很必要的。除此之外，还有很多理论 问题也需要解决，如单纤维和束纤维强伸曲线关系，纤维结构对纤维拉伸 性能的影响以及预测单一束纤维拉伸行为的新的理论模型等。这些问题都 需要对束纤维和其组成成分单纤维做更多的探索。 单纤维测量可以直接得到每根纤维的测量结果以及纤维间的变异系 数，但要测量大批量的纤维，这对于工业化生产中的快速测量显然是不适 合的；而束纤维测量由于其制样方便，测试快速可以满足此要求。天然纤 维如毛、棉单纤维间的拉伸性能差异较大，需要测定很多根单纤维才能得 到代表纤维试样的平均性能，手续烦琐，费时费力。在纤维检验工作中， 先测定束纤维强力，然后折算成单纤维强力。这对于纺织品，尤其是毛条 和纱线的质量控制和预测更为可行。 东华大学硕士论文第1 章前言 1 1 2 以往研究的回顾 o r re ta 1 1 对棉纤维研究后发现，棉单纤维平均强度与束纤维强 度有较好的相关性，最佳拟和曲线斜率大约为2 2 7 。p 1 a t t 等人由单纤维 数据计算得到的最大束强和平束法测得的束强也很接近。根据他们的研究 结果，计算得到的最大束强和平束法测得结果之间的差异由以下几个因素 导致，如单纤维断裂的不同时性，纤维束中低而又不均匀的预张力，纤维 束中纤维排列的不平行性以及夹头边缘对纤维的剪切力等。 r e b e n b e l d 2 对单纤维强度与p r e s s l e y 束纤维，纱线断裂强度及织物 断裂强度的影响进行了研究，结果表明，单纤维强度与束纤维强度间相关 性很高，束纤维断裂伸长与单纤维平均断裂伸长存在负相关性。而虽然束 纤维强度由单纤维强力决定，但单纤维与p r e s s l e y 束间却并无线性关系。 v i r g i n 和w a k e h a m 3 用i n s t r o n 强力仪对单纤维和束纤维进行测量， 包括单纤维细度、卷曲、弹性模量、断裂功等众多参数。结果发现棉单纤 维平均断裂强力与其束强有较好的相关性，纤维平均伸长与纤维束伸长紧 密相关；而且在长隔距( 1 5 m m 或5 m m ) 时相关性更好h e r t e l 和c r a v e n 4 用i n s t r o n 强力仪在各种不同试验条件下对棉和粘胶进行了类似的实验。 c o l l i n s 和c h a i k i n 5 ，6 ，7 较早地研究了受结构与非结构因素影响 的羊毛拉伸行为他们对不同阶段，如胡克区、屈服区，以及不同状态， 如湿态、干态下的单纤维拉伸曲线进行讨论，分析了纤维卷曲的影响以及 横截面积对单纤维模量的影响。结果发现在一个式样内，粗纤维卷曲率较 高，虎克区斜率较低；而不同式样相比，粗纤维卷曲较低而虎克区斜率较 高。 b a r e l l a 和s u s t 8 用s t e l o m e t e r 仪测试了羊毛束纤维，分别采用了 0 隔距，i 8 英寸以及i 4 英寸隔距，并与单纤维强力和伸长率进行了相 关性研究通过简单的回归分析，他们发现羊毛单纤维和束纤维强力和伸 长之间为正相关；i 4 英寸为最佳测试条件，测量强度精确度为2 ，伸 长测量精确度为4 ；强度相关性比伸长相关性高。 东华大学硕士论文 第1 章前言 h u n t e r 和s m u t s 9 ，1 0 对2 9 种马海毛单纤维和束纤维进行了测试， 测试条件为单纤维2 0 m m 隔距，束纤维3 2 m m 隔距，拉伸速率为2 0 m m m i n 。 结果发现单纤维和束纤维强度( 1 6 7 c n t e x 到1 4 o c n t e x ) 不一致，尤其 是伸长率之间( 4 3 0 到1 4 6 ) ，他们认为束纤维伸长对单纤维伸长特征没 有多大指导意义。 s a s s e r 1 1 等人采用了一种新方法来测试单纤维强伸性能并用回归 分析法预测单纤维与束纤维性能间关系，发现这种新的单纤维强力方法能 提供基本的纤维强伸数据以及纤维在束纤维和纱线中是如何作用的。他们 还发现采用单纤维平均强力而非h v i 或s t e l o m e t e r 束强，与纱线强力有 更好的相关性。 尽管棉纤维测量比羊毛更早采用柬纤维方法，很多关于羊毛束纤维及 单纤维的结果都已经有所报导。大致结论如下：1 ) 随着纤维断裂负荷的 增加，束纤维断裂强力或强度也增加；2 ) 束纤维断裂处伸长或伸长率， 即负荷峰值点处，与纤维断裂伸长或伸长率成比例；3 ) 束纤维模量随单 纤维模量增加而增长，但并非线性方式；4 ) 束纤维断裂功很少在讨论中 涉及。 1 2 课题理论模型概述 印度学者在2 0 世纪6 0 年代提出，从束纤维拉伸曲线可以预测单纤维 的平均断裂强力、断裂伸长率及其变异系数，并与8 0 年代完善。于伟东 教授的研究实现了由束纤维强伸性能预测单纤维性能 1 2 。 1 2 1 由单纤维拉伸性能预测束纤维拉伸性质 ( 1 ) 拉伸曲线近似服从虎克定律的纤维 棉和麻纤维的拉伸曲线近似为直线，单纤维的张力，( 口) 由下式表示 ，( e ) = t 岛 ( 卜1 ) 式中，墨为某纤维的弹性常数；q 为某纤维的伸长率。 东华大学硕士论文第l 章前言 天然纤维的断裂伸长率差异较大，常形成一个分布，假设其概率密度 分布函数为m 0 ) 。则当平行纤维束的伸长超过某些纤维的断裂伸长率时， 其强力将由未断裂部分的纤维来承担，其一般表达式可由p e i r c e 的理论 写为 f i e ) = 去降 m z ， 式中，f c e ) 为伸长率为e 时的束纤维张力或负荷；k 为纤维的平均弹性 常数；n 为纤维总根数。 式( 卜2 ) 即为束纤维的拉伸曲线，其与单纤维断裂伸长概率分布函 数间关系示于图卜1 。令兰掣：o ，可得 f ( 刁沈= 吝矽( d ) ( i - 3 ) 由上式可解得p 值，它是最大束纤维强力时的伸长率。将e 代入式 ( 1 2 ) ，可得 只。= 西2 0 ( e ) ( 1 4 ) 由此可知，根据纤维的代表性拉伸曲线和断裂伸长率概率密度分布函 数，由式( 1 - 2 ) 和式( 卜4 ) 可以求出平行纤维束的拉伸曲线和束纤维的 强力。 从实测棉纤维的拉伸曲线如图卜2 可知，断裂强力高的棉纤维其断裂 伸长率不一定高。所以上述处理方法是一种简单的近似处理方法。因为实 际上的k 值并非常数，纤维的强力与断裂伸长率也并非线性相关，即断裂 强力高的纤维，其断裂伸长率不一定大。实验结果表职，单纤维的断裂强 力和断裂伸长率是相互独立的。因此，上述理论必须进行修正，些学者 进行了这方面的研究。 n a c h a n e 和k r i s h n al y e r 假设：纤维的断裂伸长率的概率密度分布函 数为，( 力，则断裂伸长在p - - p + 出的概率为p ( e ) d e 。同理，纤维的断裂负荷 的概率密度函数为，( 们，则断裂强力在w _ w + 咖间的概率为，( w ) 咖。因 4 东华大学硕士论文 第1 章前言 此，当纤维的断裂强力和断裂伸长相互独立时，纤维断裂伸长e 寸8 + d e 和 断裂强力在w j w + d w 间的概率为 ， p 0 ，砂= p ( p ) g 厂( w ) 虎咖 当纤维的拉伸曲线为直线，伸长为工时的纤维负荷可写成 一w x ( x 口时) ( 1 5 ) e 式中，1 ，为纤维的断裂负荷；e 为纤维的断裂伸长翠。 在纤维数为n 的平行纤维束中，断裂伸长在e 专口+ d e 和断裂负荷在 w 时w + 咖间的纤维根数为n g p ( e ) g f ( w ) d e d w ，当纤维束伸长为x 时，其张 力为f ( e ，w ) ( x ) = n w x p ( e ) f ( w ) d e d w 因此，束纤维的总张力为 m ) = 萨，l 詈m ) f ( w ) d e d w ( 1 - 6 ) 因为f 盯( 咖= i 是纤维的平均断裂负荷，所以 雎) _ 西f 掣沈 ，) 令百d f ( x ) ：。得：f 旦笋出= p ( x ) ，将其代入式( 1 7 ) ，得束纤维强力为 f ( x ) = n g w x p ( x ) ( 1 8 ) 经棉纤维实测表明：按式( 卜8 ) 计算得到的纤维束强力预测值比式 ( 1 - 4 ) 的预测值更接近实测值。 ( 2 ) 纤维不服从虎克定律的束纤维张力计算 当单纤维断裂伸长率服从常态分布时 ，( e ) d e 0 4 9 6 + 静一苟+ 号 苈一等 _ 苟( 纠2 将 i - 式代入式( 1 2 ) ，得到纤维柬的负荷一伸长曲线为： 东华大学硕士论文第1 章前言 f = n f 0 4 9 6 - + - 筹一呙+ 乱罱一针而9 7 9 u e , y ，l 尸m 。， 式中，p ；锄：k 为纤维的平均弹性常数；为纤维或纤维束的伸长率。 为纤维的平均断裂伸长率；c v 为纤维断裂伸长率的变异系数。 当纤维不服从虎克定律时，许多纺织纤维的拉伸曲线可以近似简化成 p = a + b e b 的形式。 式中，f l 、b 为常数，将p = a + b e b 代入式( 卜9 ) ，并对气求导，求得e b 值，然后将e b 值代入式( 卜9 ) 即得到平行纤维束的强度( 或最大负荷值) 。 我们定义：平行纤维束中纤维的强力利用率 ，、束强 g2 否覃爵露蔼巧西矿 ( 卜1 0 ) 则q 值与纤维性能a b 、和纤维断裂伸长率的变异系数( c v d ) 间关 系示于图卜1 。 由图i - 1 ，我们可以得到以下结论： 在其他条件相同情况下，束纤维强力利用率随纤维断裂伸长率变异 系数增大而减小。 束纤维强力利用率随a b 比 值的增加而增加。 当a b 比值为正时，强力利 用率随纤维平均断裂伸长率( ) 增加而降低。当a b 比值为负时， 强力利用率( q ) 随气的增加而增 加。当a = o 时，即纤维 服从虎克定律，q 值与无关。 图i - i 纤维代表性拉伸曲线 1 2 2 由束纤维拉伸曲线预测单纤维力学性能 通过以上讨论可以发现，如果两组同品种纤维的平均强力相同，但其 断裂伸长率的概率密度分布函数不同，则断裂伸长分布越宽，所对应的束 6 东华大学硕士论文第l 章前言 纤维拉伸曲线也是宽而矮，它表示纤维断裂不同性大，束纤维强力低。因 此，束纤维拉伸曲线的形式与单纤维的力学性质指标的平均值及其离散性 是密切联系着的。通过束纤维拉伸曲线可以估计单纤维的平均力学特性。 令式( 卜2 ) 中f ( e ) 沈= q ( p ) ，它表示束纤维伸长为e 时，未断裂纤 维的比例，q ( e ) 称为“残存函数”。即 = 击 华 当口一0 时，q ( e ) = 1 ，所以 l i m ( f ( e ) ) ：i ( 卜1 2 ) p 式中，n = 纤维束线密度单纤维线密度。 由式( 卜1 1 ) 和式( 卜1 2 ) ，可根据平行纤维束拉伸曲线f ( e ) 作出 三盟p 间的关系曲线，如图卜5 所示。将此曲线外推到。：o 时的纵坐标 e 值即为n k ，进而由n 可以计算得到后值。 f ( c ) ( b ) 华砌缱 图1 - 5 由纤维平均断裂伸长率定义 孔e 酬岫= e ) 虎丽1 r - - f 。( e ) 沈= 去 掣对幽线下的面叫 ( 1 - 1 3 ) 孑= ee 2 o ) d e = 2 e e q o ) d e = 丽2k i f o ) d e = 去 束纤维拉伸曲线下面积 7 东华大学硕士论文第1 章前言 因此，单纤维的平均断裂强力为厂= k e 断裂伸长率变异系数( c v ) 为 c 唧川。 ，。， 由上述讨论结果可以得到，从束纤维拉伸曲线可以预测单纤维的平均 断裂强力、断裂伸长率及其变异系数。 需要说明的是，在束纤维强力实验中，如果纤维束没有被完全整理伸 直平行，或在拉伸实验时，仪器夹头不能牢固地握持纤维束中全部纤维， 会使实测束纤维拉伸曲线的峰值降低、曲线变宽，从而使计算所得的单纤 维平均断裂强力偏低，而断裂伸长率的变异系数增大。 1 3 课题由束纤维拉伸曲线预测单纤维强伸指标的理论 在束纤维拉伸的f e 曲线中有很多关于单纤维强伸指标的信息。单 纤维的断裂强力和断裂伸长率可以从束纤维的拉伸曲线中推测得出。事实 上，在这方面已经有很多研究见诸报导，不过此类研究所用模型只适合纤 维模量接近常数的情形，对于羊毛单纤维和束纤维来说就不适用了。 根据单纤维断裂引起的对束纤维断裂行为的影响，束纤维拉伸f e 曲线的尾部特征包含了相应断裂单纤维的性能。 从单纤维的拉伸曲线分析，如果没有单纤维断裂，那么束纤维拉伸曲 线应该大致接近线性。纤维断裂的可能性可由下式得出： 砟) 1 一错 ( 1 1 6 ) 式中，船( e ) 和】，( e ) 分别代表伸长率为e 时实际束纤维强力和没有纤维 发生断裂的束纤维强力，而且纤维束被拉伸时其线密度不发生变化。对 口( p ) 求导，占( e ) 为伸长率为p 时断裂纤维的概率密度函数。8 s ( e ) y ( p f 表纤维束中未断裂纤维的比例。 事实上，当纤维束拉伸时其线密度是变化的，而这会导致纤维束真实 东华大学硕士论文第1 章前言 强力的增加。线密度t e x ( e 1 可以由下式得到： 由于 ( o ) = 器= 半 ( 1 - 1 7 ) 1 - “ ， 眦嘶) = 器= 篱= 訾e 等1 0 0 ( 1 1 8 ) 、7 厶i + a 1 + 工厶、 1 + 、 式中，w e x ( 0 ) 为e = 0 时的线密度，e 为纤维束的伸长率； g 和g o 分别为纤维束重量和厶部分的纤维重量； 厶和三分别为隔距长度( 3 2 2 0 m m ) 和拉伸时纤维长度， 三= 厶+ 越： x 为夹具宽度( 8 m m ) 根据式( 卜1 8 ) ，纤维束伸长率对其线密度的影响相当大，因为纤维束 的伸长率从3 0 到6 0 范围内变动。然而，式( 1 - 1 8 ) 只有当无论e 为何值 纤维都不会发生断裂的情况下才成立，换句话说，如果有纤维开始断裂， 那么e 对纤维束的线密度t e x ( e ) 就不再有影响。就是说拉伸时纤维断裂越 早，对纤维束线密度影响越小。如果再考虑纤维束拉伸对纤维束线密度的 影响，那将会更加复杂。在式( 1 - 1 6 ) 中，t e x ( e ) 可以消除掉。因此，在 拉伸过程中可以忽略束纤维伸长率e 的影响，而将纤维束线密度t e x ( e ) 视 作常量。 1 3 1 单纤维伸长参数的预测 基于以上的假设和定义，单纤维断裂伸长率勺的分布函数( 0 ) 可以视 作( 勺) = 口e ) 。单纤维伸长率平均值和c v 值，占和c 匕可以由下式得出： 占2e 勺矿( 。p 。2 e b ( e ) 如 ( 1 1 9 ) c 以= i 1 压百而= 丢厄而( 1 - 2 0 ， 式中，e 为束纤维伸长率；e m i 。为y ( e ) 和b s ( e ) 的分离点，即开始有 纤维断裂时的伸长率，e m 。为束纤维完全断裂时的伸长率；。和。分 9 东华大学硕士论文 第1 章前言 别代表最小和最大的断裂伸长率。 1 3 2 单纤维强度参数的预测 以往的理论和公式假定单纤维强力已知，或通过公式 弓( e ) = 瓦s s ( e ) = 笋= 丽b f ( e ) 瓦g u n b = 掣 1 一b ( e ) 来计算单 纤维强力，式中k 为弹性常数。对于后者来说，特定的拉伸曲线必须为线 性，而且巧只是平均值。同时，单纤维断裂强力的分布，( 0 1 ，与s ，的分 布同等，y 田) = ( 0 ) 。然而，这两个分布却并非相同，因为无论是c q 与c g , 之间还是c v s s 与c f s e 之间，都不存在任何相关性。 虽然估计单纤维断裂强力的c v 值有困难，但是可以通过束纤维拉伸 曲线的尾部特征来预测单纤维强度的平均值。具体方法有如下两种： ( 1 ) 比例法 由于铲掣= r 卜争) ( 1 2 1 ) 或弓( 刁= 丐s s ( e ) = 警= 丽b f ( e ) + 锫= 掣+ 1 一b ( 明( 1 - 2 2 ) 式中，t e x ：，t e x b 和t e x , 。分别代表单纤维，纤维束中未断裂纤维以及束 纤维的线密度；和为未断裂纤维数和纤维束中所含纤维数；s s ( e ) 和 b f ( e ) 代表单纤维强力和束纤维强力。 而弓= 器嘶) ( 1 - 2 3 ) 因此，一旦没有单纤维断裂的束纤维拉伸曲线确定下来后，乃( p ) 就可 以由y ( 0 得到，单纤维平均强力珞z 弓= l ，p ) 对于羊毛纤维来说，y 为一线性函数。因此，如果单纤维断裂强力 分布为均匀分布， 驴掣= r 降 旷z a ， 1 0 东华大学硕士论文第1 章前言 ( 2 ) 微分法 这种方法代表了一种根据束纤维拉伸曲线尾部特征来预测单纤维强 度的新方法。公式与比例法大致相同。由式1 2 2 可得， = 掣钙= 揣= 端一鬻 列沪掣= 筹m 甄a b s ( e , ) x b s知，年 p ，年p 川争r 7午r h v 式中，i $ i 数b s t ( o ：塑：掣阻一o 1 4 课题内容与意义 束纤维的测量，起因于操作简化，取样方便，测量次数少( s 5 次) 。 有用于棉、麻纤维测量的老式的s t e r o ( 卜氏) 强力仪和相应的a s t m 标准 1 7 】。但目前因为大容量棉花分析仪( h v l 9 0 0 系统) 的应用，已较少商业 化使用，但h v l 9 0 0 系统未解决麻的测量。毛纤维的测量，现已采用较新 的s i r o l a n t e n s o r 进行( i w t o 8 2 e ) ，但不适用其他纤维。 国内在此方面反应迟钝，基本上数十年来都完全沿用国外仪器的原形 设计原理或直接采用国外的仪器与技术。近5 年来，本课题组在此方面有 较多的基础性研究，并提出了智能化束强仪的设计方案和测量原理，及其 有相关的实验与理论报道 1 8 ，1 9 】。同时在国家经贸委的羊毛细化技术 ( 2 5 0 1 1 ) 和教育部的重点科研项目( 0 0 0 5 8 ) 中有所应用。 研制国产自主知识产权的功能化和智能化束纤维力学性能评价系统， 不仅可解决束纤维的快速精确测量，而且通过自主开发的模型和软件，完 成束纤维至单纤维力学性质的转换，是纤维性能表征的突破，也是实验技 东华大学硕士论文第1 章前言 术的方向。该测量原理、方法和仪器的建立，不仅可覆盖天然纤维和普通 化纤拉伸性质的测量，而且对一些单纤维测量极难进行的纤维材料，如碳 纤维，羊绒，矿物纤维等也适用。这在纤维材料表征范围上是一突破。由 于采用束纤维拉伸曲线的建模解析处理，可直接导出单纤维断裂伸长和断 裂强度分布值，单纤维的测量在理论上可以废除。而目前束单性能转换中， 只能根据束纤维曲线得出单纤维强度的平均值2 0 ，运用该方法解得强度 分布是理论和实践上的突破，具有理论意义。 1 2 东华大学硕士论文第2 章f b s t - i 束强仪设计方案 第2 章f b s t 1 束强仪设计方案 现有纤维拉伸性能的评价有两种方法：一是单纤维测量，较适于粗细 均匀、力学性能稳定的纤维，如化纤；一是束纤维测量，通常用于粗细均 匀性差、力学性能离散大的天然纤维，如棉、麻、毛纤维。理由很简单： 单纤维测量操作繁琐，试样量大，一般天然纤维要2 0 0 5 0 0 根，只考虑 平均值的省力做法当然是束纤维测量。 而目前的束纤维强伸性测量，均使用早期的束强仪 1 4 ，技术落后， 信息量小，制样麻烦。上世纪末澳大利亚c s i r 0 推出的s i r 0 1 a n t e n s o r 1 5 ， 适于毛纤维，在测量技术上有所提升，制样较方便，但适用于毛。 国内至今未见理想的束纤维强力仪，而工业界的常规检验量大，其他 进出口业务和商检业务亦是如此，急需要快速、标准化的检验，因此，研 发自主知识产权的束纤维强力仪成为必然。 近年来在与企业的合作中，发现有很大的需求，因为毛条强伸性直接 影响成纱品质 1 6 。在一般商检业务对羊绒力学性质评价中，单纤维测量 因粗细差异大试验极其困难，束纤维测量又因纤维卷曲成团，极难理直， 故必需解决制样、测量问题。因此，强化了自主设计加工该测量仪器的想 法。并开始设计、加工仪器模型和申请专利。 2 1 国内外束纤维强力仪工作原理 2 1 1 y 1 6 2 束纤维强力仪的工作原理 y 1 6 2 束纤维强力仪下夹钳运动使用重力式传动装置，仪器结构比较简 单，主要由测力机构和驱动机构组成 东华大学硕士论文第2 章f b s t - i 束强仪设计方案 ( 1 ) 测力机构与显示 经过整理的纤维束先固装于带有凹凸表面的上夹钳内，上夹钳可以取 下来，操作非常方便它被悬挂在钢带的钩子上钢带绕在半圆盘上，半圆 盘装在扇形测力摆的短轴上，扇形测力摆由摆杆、重锤、平衡重锤和弧形 刻度尺组成，因此刻度尺能够摆动，刻度从0 3 0 0 0 n ，最小刻度值为2 0 c n ， 试验过程中上夹钳承受拉力时，测力摆顺时针方向转动，弧形刻度尺显示 出作用力的大小，在短轴上还安装着带有锯齿的扇形铁块，通过旋纽逆时 针方向旋转，可以使锯齿上面的掣子上抬，放开扇形铁块，于是同轴上的 扇形测力摆在其重锤的作用下，连同弧形刻度尺逆时针方向转动以使回复 至零位 ( 2 ) 驱动机构 下夹钳安装在拉杆的上端，下降动程为0 - 5 0 m m ，上下夹钳距离调节范 围o 一2 0 m m ，带有加压重锤的杠杆可以在短轴上转动短轴固装在垂直支 柱上杠杆藉耳柄和油缓冲器相连，同时又和下夹钳的拉杆连在一起，缓 冲器的作用是防止加压重锤下落时产生的冲击和控制调节下夹钳的下降 速度 扳动手柄以解除对杠杆的制约，杠杆便由于加压重锤的作用发生转 动，此时油缓冲器的活塞和拉杆便开始下移，带动下夹钳一起下降下夹 钳牵引夹紧在两个夹钳内的纤维束，纤维束牵引上夹钳，上夹钳经由钢 带，半圆盘而使扇形测力摆连同弧形刻度尺转动这便使纤维束受到拉伸 负荷当负荷增加到一定程度，纤维束发生断裂，支撑在锯齿上的片掣子 不允许扇形测力摆回落，因此便能从弧形刻度尺上读出断裂负荷值 2 1 2 斯特洛仪的测力原理 在初始时刻，仪器横臂、摆臂均处于垂直位置，此时纤维束不受力 开始测量后，横臂偏转带动摆臂也偏转，设横臂偏转角度为o ，由于 纤维受力后有所伸长，所以摆臂的角度偏转比。小，即滞后横臂o ，摆臂 与铅锤线夹角为( 8 一o ) ，此时摆臂下方重锤( 质量为m ) 重力对0 点产生 1 4 东华大学硕士论文 第2 章f b s t - i 束强仪设计方案 力矩，使纤维束受力f 如果认为横臂及摆臂在转动过程中为静态的( 这种假设虽有误差，但 误差很小) ，同时忽略两者在转动中的摩擦力矩。则有： f l = m g l s i n ( 0 一ao ) ，( 2 1 ) f = ( m g l 1 ) s i n ( 8 一ae ) ， 即纤维束受力与摆臂角位移成正比，而伸长则与ao 成正比 强力指针靠摆臂下边的拨针推动，当纤维束没有伸长时，拨针推动强力 指针与摆臂同步转动当纤维有伸长时，摆臂滞后横臂a0 ，为了保证纤维 伸长时不产生强力指示的误差，拨针通过凸轮机构推动强力指针，以此来 补偿可能产生的误差 伸长指示也是靠同一拨针实现的上式对时间t 微分， 警= ( 愕爿c 。s ( 曰一口) 警 c z 吲 该仪器在设计中，配合有关部件的质量和尺寸及油阻尼筒，控制了摆动 件的角回转速度do d r ，从而使力对时间的增加过程成为： f = ( 愕号 b s ( 占- v 曰) 警卜“， c z 吲 边界条件，当t = 0 时，f = 0 ，代入积分常数c = 0 ，故 f ( 孵加巾删甜r 浯4 ， 此式相当复杂，但可以采用数值解法求得f = f ( t ) 的函数图形，如上图所 示图中虚线式直线，其函数图形近似直线，故斯特洛仪基本上是c r l 类型的 仪器 2 1 3 卜氏束纤维强力仪的测力原理 h 氏束纤维强力仪的测力原理与木杆秤的原理十分相似斜面相当于 秤杆，可绕支点转动，小车相当于游跎，可在斜面上自由滚动试验时， 上、下夹头将纤维束平束夹住，小车向左滚动，使得小车重力对支点有一 东华大学硕士论文第2 章f b s t - ! 束强仪设计方案 力矩作用，这一力矩与纤维受力平衡，小车左移越远，纤维受力越大直到 纤维束断裂时，支点右端失去拉力，斜面左端急速下跌在小车下端有一 橡皮触头，在斜面下跌后即与底板平面接触而使小车停止移动在小车上 有一刻度尺，可由小车停顿位置读出束纤维强力小车的四只滚轮使用宝 石轴承，摩擦阻力很小，运转灵活轻巧，测量精度较高 由于仪器在制造时采取了专门措施，使得斜面绕支点0 转动及小车滚 动时的阻力很小，为了讨论方便，此阻力忽略不计 设开始试验时。 斜面与水平面的夹角为o ，纤维受力为f ( f = o ) ，小车重力为m g 开始试 验后，随小车左移，小车与支点的距离x 增大，纤维受力渐增，由于纤维束 有所伸长，斜面倾角0 增大，小车重力对支点的力矩也越大由于斜面转动 惯性力矩很小，此系统可以静力平衡分析，则由静力平衡方程式： m g c o s