丝绸织物悬垂性影响因子定量相关性分析

李 钢，胡新荣，姚 迅，崔树芹

(武汉纺织大学，a.纺织产业链共性技术湖北省协同创新中心；b.湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室培育基地，武汉 430074)

丝绸织物悬垂性影响因子定量相关性分析

李 钢a，b，胡新荣a，b，姚 迅b，崔树芹b

(武汉纺织大学，a.纺织产业链共性技术湖北省协同创新中心；b.湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室培育基地，武汉 430074)

丝绸织物具有良好的手感和悬垂性，是研究织物悬垂性的优良材料。为研究织物悬垂性的影响因素，选择常见的15种丝绸面料，分别利用KES、织物悬垂仪等设备对其结构参数，拉伸、弯曲、剪切、摩擦等力学性能参数以及各种悬垂特性参数进行测量，然后对所测得的各项参数进行相关性分析，得出影响丝绸织物动静态悬垂性的影响因子序列。实验结果表明，丝绸织物动静态悬垂性受到多方面性能的影响基本相似，但弯曲性能和剪切性能对静态悬垂性的影响稍强一些，各影响因子中，纬向拉伸性能影响最大。

丝绸；悬垂性；相关性分析；影响因子

织物的悬垂性，是指织物因自重而下垂的程度及其形态，是评价织物手感、外观、质量和三维形态的重要指标。根据织物所处的状态，悬垂性又可以分为静态悬垂性和动态悬垂性。织物的静态悬垂性是描述织物在自然状态下的悬垂程度和形态，织物的动态悬垂性则描述织物在运动状态下的悬垂形态。由于织物的动态悬垂性受织物各项参数影响较大，织物不同的原料类型、结构差异、织造方法，甚至试验方法的不同都将导致测量出来的悬垂性存在明显的差异，特别是对于动态悬垂性[1]。一个好的测量方法和评价指标对于纺织行业具有重要意义。近年来，众多学者在如何评价织物悬垂性上进行了相关的研究。文献[2-4]通过对原有测量数据的建模方法进行了改进，李强等[5]研究通过改进试验的测量方法来获得更加精确的测量数据，沈毅等[6]则通过对单一的悬垂性的影响因素进行分析。

丝绸面料具有良好的手感和悬垂性，同时兼具散湿及保健功能，是市场上的常见面料。本文通过对比丝绸织物静态与动态悬垂性，分析各因素对丝绸织物的动静态悬垂性的影响。为了较好地描述织物在运动状态下的悬垂性，对运动状态下织物进行的三维仿真，选取15种市场上常见的丝绸织物，对影响丝绸织物悬垂性的各种织物结构参数、力学性能、悬垂性等参数进行测量，并对参数进行评价分析，力求得到最能影响丝绸织物悬垂特性影响因子，从而为织物动态仿真模型参数的选取奠定理论依据[7]。

1 丝绸织物的参数测试

1.1 织物结构特征测试

为了比较丝绸织物的悬垂性差异[8]，本文选取了市场上常见的15种丝绸织物，所有面料的成分均为100%桑蚕丝，包括：建宏绉、双乔、绢纺、塔夫绸、电力纺、斜纹绸、双宫、素绉、双绉、珍珠缎、顺纡缎、重绉、桑波缎、绢丝、杭罗。将这些织物进行编号，分别以1到15号表示，测得其基本结构参数如表1所示。

表1 丝绸织物基本结构参数测量值

按试样织物结构可将上述材料分为三大类，包括平纹、斜纹和缎纹。5号织物杭罗为平纹与纱罗组织联合构成。

从试样织物的加捻特性来看，1号、3号、13号、14号均为绉织物，经丝不加捻或弱捻，纬丝采用二左二右强捻丝，整体呈现绉效应。2号、8号和15号属于纺类织物，经纬线都不加捻。

1.2 织物力学性能测试

为测试各种丝绸织物的力学性能，在试样织物的经纬向，每种织物分别裁取20cm×20cm试样3块，在低应力环境下利用全自动织物风格评价系统KES-FB-AUTO-A(Kawabata evaluation system for fabric system)分别对15种丝绸织物进行测试。

KES-FB-AUTO-A仪器由KES-FB1拉伸与剪切试验仪、KES-FB2纯弯曲试验仪、KES-FB3压缩试验仪、KES-FB4摩擦与表面性能试验仪以及相关的数据处理装置组成，用来测量织物处于低应力环境下的拉伸、剪切、弯曲、压缩、摩擦性能，测量的织物物理性能指标共计17个。所测环境均为标准大气条件[9]。

1.2.1 拉伸性能测试

测量试样的拉伸比功WT(拉伸至500 cN/cm时的能量)、拉伸线性度LT(拉伸曲线下面积与假设拉伸曲线为直线时的面积之比)、拉伸功回复率RT(拉伸形变下回复能量的百分比)、拉伸延伸率EMT(在500 cN/cm负载下扩展百分比)。织物的拉伸性能反映了织物常规受力时的变形效果。织物受自重下垂产生的悬垂性与与拉伸性能显然具有相关性。本文中测试的拉伸特性参数如表2所示。

表2 织物的拉伸特性参数测量值

1.2.2 弯曲性能和剪切性能测试

织物的弯曲性是指织物受到与自身平面垂直的力或力矩作用时产生的形变。它影响织物的刚柔性，对于织物的悬垂形态和悬垂程度都有影响。弯曲性能参数包括试样织物的弯曲刚度B(试样弯曲曲率k在0.5～1.5 cm-1之间滞后曲线的平均斜率)，弯曲滞后值2HB(试样弯曲曲率k为0.5cm-1时的滞后矩)。

织物的剪切性是反映织物的成型性的重要性能，它影响织物面料的成形时的曲面造型。这对织物的悬垂形态具有影响。剪切性能参数分别包括经纬向的剪切刚度G(剪切角在0.5～5°之间滞后曲线的平均斜率)，剪切滞后值2HG(剪切角为0.5°时滞后曲线剪切力矩差)，剪切滞后值2HG5(剪切角为5°时滞后曲线剪切力矩差)。

本文中测试的弯曲性能和剪切性能参数如表3所示。

表3 织物的剪切性能和弯曲性能参数测量值

1.2.3 压缩性能、摩擦与表面性能测试

织物的压缩性能是反映织物柔软性、承载能力和舒适性的物理指标，该性能既与织物的内在质量密切相关，又与织物在厚度方向上的压缩性能、织物的蓬松丰满度及表面的滑糯性有关。主要测试试样的压缩比功WC(压缩曲线下面积)、压缩功回复率RC(压缩回复功与压缩功之比)、压缩线性度LC(压缩曲线下的面积与假设压缩曲线为直线时的面积之比)、表观厚度T0(织物在0.5cN/cm2压力作用下的厚度)、稳定厚度Tm(织物在50cN/cm2压力作用下的厚度)。

织物的摩擦与表面性能反映织物与其他物体之间的摩擦行为，是影响织物手感的主要因素。织物的摩擦与表面性能主要与织物的表面滑糯性与滑爽性有关。主要测试试样的动摩擦因数MIU(积分长度2cm范围内，织物正反向移动时摩擦因数平均值)，摩擦因数变化平均差MMD(摩擦因数瞬时值与平均值的绝对差值的平均)，表面粗糙度SMD(织物表面高低变化的平均差系数)。测试结果见表4。

表4 织物的压缩性能与摩擦性能参数测量值

1.3 织物悬垂性测试

织物的悬垂性包括悬垂程度和悬垂形态两个指标，悬垂程度指织物在自重作用下，其自由边界下垂的程度。按照国家标准GB/T23329—2009纺织品织物悬垂性的测定，测定装置如图1所示。通常用悬垂系数F来表示织物悬垂程度大小[10]。悬垂形态主要是指悬垂曲面的三维外观形态。由于织物的各向异性，织物的三维形态具有不对称的效果。实际过程中，一般通过悬垂轮廓曲线的波纹展开图来表示[6]。具体通过悬垂波数、最大波幅、最小波幅和平均波幅来表示。

图1 YG811型织物悬垂测定仪

本试验所用仪器为YG811-F型织物悬垂仪，裁取直径为24cm的圆形试样，在标准大气环境下，分别在试样处于静态，和处于40r/min转动时，测得试样的悬垂性数据(如表5所示)包括：静态悬垂系数F0和动态悬垂系数F1(单位：%)，静态时波峰个数为N0，动态时波峰个数为N1。

试样3的悬垂性投影见图2。

表5 织物的悬垂性参数

图2 试样3的静态和40r/min的动态悬垂投影图

2 测试数据的处理

2.1 相关性分析

本文对测试的数据进行了相关性分析。相关性分析是一种在实际应用中经常用到的数理统计方法，对多个具备相关性的变量因素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。其基本方法是通过计算序列的协方差矩阵，来得到相关系数矩阵，得到的相关系数显示了两个随机变量之间线性关系，然后通过相关系数来判断参数之间的相关性。

目前，通常使用织物的悬垂系数来表示织物的悬垂程度大小，悬垂系数越小，悬垂程度越大。在本试验中，需要得到丝绸织物力学与结构方向上的指标与丝绸织物的悬垂性之间的相关程度。通过测量得到的基本参数和力学性能参数，然后加上代表丝绸织物悬垂性程度的动态悬垂性指标，总共有40种指标参数来表示一种丝绸织物，将这些指标参数组成一个序列，通过对这个序列进行相关性分析来得出结论。

首先将所测得的每一种织物试样的各测试指标组成一个序列，每一列Xi=(x1,x2,…x15)T表示15种织物的其中一项测量指标参数，为方便计算，本文指定第一列X1为织物的动态悬垂系数F1。

对于测得的这个序列X中，由于各项数据指标之间的计量单位不一致，需要对这些指标的数据进行标准化处理。将测得原始数据化为无量纲的指标测评值，使各指标处于同一数量级上，从而能够对各指标进行比较与处理。常用的数据标准化方法包括min-max标准化和Z-score标准化。本文采用Z-score标准化的方法。对试验中所测得的每一列序列按式(1)进行变换：

(1)

其中：Yi为对原始数据，Xi进行标准化处理后所得的无量纲数，μ为测量的所有数据的平均值，σ为测量所有数据的标准方差。原始数据序列X经过处理就后得到对应的标准化序列Y=(Y1,Y2,Y3,…,Yn)。这样处理后所得序列的每一列的指标参数的均值为0，方差为1。

不仅是故事的内容，还包括讲故事的方式，都会传递给小人儿许多信息：一个单纯的故事，呼应着孩子世界的单纯，而一个附加了其他意味的故事，则会打破这种自然纯粹的状态；教育的姿态，哪怕是隐藏在故事背后，也会引发双方位置的高下之别。所以我如果给孩子讲故事，那就是讲故事而已，不附带任何其他的目的；许多时候，我还会设法让故事变成我和小人儿共同参与的事。

(2)

式中：Y=(Y1,Y2,Y3,…,Yn)是序列X经过标准化之后的序列，按照前面指定的第一列X1为织物的动态悬垂系数F1，则Y1表示标准化之后的动态悬垂系数ri,j=Cov(Yi,Yi)表示第i列与第j列的协方差，即相关系数，它反映了这两列属性之间的相关性强弱。

下面选取相关系数矩阵R的第一行，其中每一个相关系数r表示织物的动态悬垂系数指标F1与其他的指标之间的相关性强弱，其中r1,1=1。对相关系数ri,j取绝对值，按照相关系数绝对值大小排列。

2.2 结果分析

试验所得丝绸织物动静态悬垂系数与其他参数之间的相关系数如表6所示。表内数值为衡量各变量之间线性相关性的指标，其值r取值范围在[-1,1]之间，当r=0时，称X、Y不相关；当|r|=1时，称X、Y完全相关，此时，X、Y之间具有线性函数关系；当|r|<1时，X的变动引起Y的部分变动，r的绝对值越大，X的变动引起Y的变动就越大，当|r|>0.8时称为高度相关，当|r|<0.3时，称为低度相关，其他为中度相关。

表6 各影响指标与静态悬垂系数F0、动态悬垂系数F1对比的情况

图3是按照表6的顺序分别将丝绸织物各力学与结构参数和丝绸织物的动静态悬垂系数进行对比，得到的相关性走势图。虚线代表静态悬垂性与各参数之间的对比，实线代表了动态悬垂性与各参数之间的对比。从图3中可以看出，实验测得的丝绸织物的静态悬垂性与动态悬垂性与各力学参数之间的相关性影响基本相似，但是从第11至19号参数对丝绸织物静态悬垂性影响要偏高点，这些参数主要包含丝绸织物的弯曲和剪切性能。

图3 静态悬垂系数与动态悬垂系数分别与各参数对比

下面将各性能指标按照测试属性的不同分为6组，这6组数据分别与织物的动态和静态悬垂性的对比的相关度如图4所示，相关度取相关系数的绝对值。由表6和图4中可以看出，丝绸织物动态悬垂性与代表织物压缩性能的指标(LC,RC,WC,T0,Tm)、代表织物摩擦与表面特性的指标(MIU,MMD,SMD)以及织物密度指标(S)相关性较小，与代表织物静态悬垂性的指标(F0)、代表织物纬向拉伸性能指标(RT纬,WT纬,LT纬,EMT纬)以及代表织物弯曲和剪切性能指标(G,2HG5,2HG,B,2HB)具有较强相关性。

图4 丝绸织物各指标属性与织物悬垂性的相关度

图4中可以看出，静态与动态悬垂性的拉伸性能参数波动比较明显，主要是由于RT经的影响造成的，总体来看，经向的织物拉伸性能指标(RT经，WT经，LT经，EMT经)与织物悬垂性指标相关度较低，而纬向的织物拉伸性能指标(RT纬，WT纬，LT纬，EMT纬)与织物动态悬垂性指标相关度较高，这说明丝绸织物的经纬向选择对织物悬垂性能影响较大，需要着重考虑。

对比2号织物与15号织物，同为绢纺的这两种织物悬垂性，2号斜纹绢纺的悬垂系数较大，悬垂性明显好于平纹绢纺。同样的11号斜纹绸的悬垂性要好于同样是绸类的9号织物。

3 结 论

织物的悬垂性是影响织物外观美感和服用贴身性的诸多因素中重要的因素之一，丝绸织物普遍具有较好的悬垂性，是研究织物悬垂性较好的材料。通过测量丝绸织物的各项指标参数，可以定量地全面评价织物的悬垂性受各参数的影响程度。这为继续研究织物悬垂的仿真提供了一个基础。由本文中的试验可以得到以下结论：

a)各个影响因子对丝绸织物的动态悬垂性与静态悬垂性影响基本相似，但丝绸织物的弯曲性能与剪切性能方面对静态悬垂性能的影响稍强一些，这一现象可能与织物动静态悬垂性的测试方法有关，也可能与丝绸织物质地轻薄等相关，但尚需要作进一步验证。

b)丝绸织物的纬向拉伸性能指标对其悬垂程度影响较大，其次是剪切性能指标与弯曲性能指标。摩擦性能指标、压缩性能指标经向拉伸性能指标与织物密度对丝绸织物的悬垂性的影响较小。

c)相关系数的绝对值大部分都处于0.3～0.5之间，说明影响丝绸织物的悬垂性参数是多方面的。

d)对织物的动静态悬垂性影响结果中，拉伸、弯曲性能各指标等具有较强的波动，主要是受经纬向的选择不同的影响。

下一步的研究可使用本文分析得到的最能影响织物悬垂性的参数来表征丝绸织物的悬垂性，建立数学模型方程，为织物的悬垂性模拟及动态仿真提供理论依据。

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(责任编辑：康 锋)

Correlation Analysis of Quantifying Drapability Impact Factors of Silk Fabric

LIGanga,b,HUXinronga,b,YAOXunb,CUIShuqinb

(a.Hubei Provice Collaborative Innovation Center for Common technology of Textile Industry Chain；b.The State Key Laboratories Cultivation Base Co-constructed by Province and Ministry by Hubei Province of Textile Materials and Advanced Processing Technology, Wuhan Textile University, Wuhan 430074, China)

Silk fabric has good feeling and drapability, and it’s a suitable material for study of fabric drapability. In order to study impact factors of dynamic drapability of silk fabric, 15 kinds of common silk fabrics were selected to measure their structural parameters, mechanical properties such as stretching, bending, shear and friction and drapability characteristics by KES instrument, drapability measuring instrument and so on. Then, correlation analysis of the fabric parameters measured was done to acquire the impact factor sequence of dynamic and static drapability of silk fabric. Experimental results show that dynamic and static drapability of silk fabric suffers basic similar impacts in multiple aspects, but bending property and shear property strongly influence static drapability. Among all impact factors, weft tensile property imposes the greatest impact.

silk; drapability; correlation analysis; impact factor

2014-12-24

国家自然科学基金项目(61103085)；湖北省教育厅重点项目(D20131604)

李 钢(1986-)，硕士研究生，研究方向为图像处理、可视化计算与仿真建模。

胡新荣，E-mail:hxr@wtu.edu.cn

TS141.8

A

1009-265X(2015)05-0036-07