多梳贾卡织物结构形变研究与计算机仿真

张爱军， 蒋高明， 李欣欣， 丛洪莲

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

多梳贾卡织物结构形变研究与计算机仿真

张爱军， 蒋高明， 李欣欣， 丛洪莲

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

为实现多梳贾卡织物的形变模拟，尤其是提花地网中不同大小网眼对织物形变的模拟，建立了适用于多梳贾卡经编织物的质点弹簧模型。通过研究多梳贾卡织物的组织结构和贾卡提花原理，将地梳线圈简化为质点，连接线圈之间的延展线简化为弹簧，并进一步将地梳、氨纶梳和衬纬贾卡梳、花梳形成的组织简化为纵向结构弹簧、卷曲弹簧、横向结构弹簧和约束弹簧；研究了线圈质点在4种弹簧复合作用下的受力，引入弹簧阻尼力以减小质点弹簧系统的振动；采用显式欧拉方法求解任意时刻质点的运动状态来减少线圈形变模拟过程的计算时间；通过实样举例，将形变模拟的预测效果与上机编织样布进行对比，验证了所建质点弹簧模型的正确性和实用性。

经编； 多梳； 贾卡； 质点弹簧； 形变； 仿真

质点-弹簧模型由Provot在1995年提出，将织物简化为均匀排列的系列质点，质点间的连接简化为结构弹簧、柔性弹簧和剪切弹簧，用于描述柔性物体的变形行为[1]。随后，质点-弹簧模型被广泛应用于织物的仿真研究中，包括横编织物组织结构仿真[2]、机织物三维变形[3]和三维服装模拟[4]等。虽然质点弹簧模型织物仿真的方法已经比较成熟[5]，但其在多梳贾卡经编织物变形的应用研究尚处于起步阶段，因多梳成圈的复杂性和贾卡提花的多变性，现有的质点-弹簧系统只能简单描述贾卡提花的变形原理[6]，难以较好地模拟多梳贾卡织物的受力变形，尤其是带有氨纶纱的弹性织物，因此，本文提出了针对多梳贾卡织物结构特点的质点-弹簧模型，用来实现其快速、高效的变形仿真。

1 多梳贾卡织物编织原理

1.1 多梳贾卡织物组织结构

多梳贾卡经编织物由成圈地梳、氨纶梳、贾卡梳和花梳编织而成。成圈地梳穿有细度较低但强度较高的原料，垫纱数码为1-0/0-1//，形成开口编链，用以编织轻薄、结实的地组织。氨纶梳穿有氨纶弹性纱，垫纱数码为0-0/1-1//，形成单针衬纬组织衬在编链线圈延展线中，用以改变织物悬垂性和弹性。贾卡梳与成圈地梳一样，所穿纱线较细但强度较高，基本垫纱为0-0/2-2//，配合贾卡提花装置与地梳编链一起形成大小不同的贾卡网眼、厚组织、薄组织等，其中网眼是影响多梳贾卡经编织物变形效果的重要因素。花梳根据花型需要做大针距的横移垫纱以生成主体花纹。

1.2 衬纬型贾卡提花原理

衬纬型贾卡梳栉不进行针前垫纱无法形成线圈圈干，只通过延展线使编链纵行相连。贾卡针在提花装置控制下通过偏移形成不同组织，提花信息用贾卡意匠图来表示，使用红、绿、蓝、白4种颜色代表不同厚薄的组织，红色代表厚效应，绿色和蓝色代表薄效应，白色代表网孔效应。每个意匠格代表1个线圈纵行和2个线圈横列，使用字母H表示该横列的针背横移按花盘基本垫纱横移，字母T表示该横列的针背横移在花盘基本垫纱的基础上向左叠加1个针距，4种颜色和提花信息的对应关系如表1所示。4种贾卡垫纱如图1所示。

表1 衬纬型贾卡提花原理Tab.1 Jaquard principle of inlay

同时需要注意，因贾卡效应在偶数横列存在滞后性，在将贾卡意匠颜色转换提花信息时，需要将偶数横列的信息右移1格，即贾卡提花控制信息值RT=1[7]。

2 多梳贾卡织物质点弹簧建模

经编线圈由线圈主干和延展线组成，线圈纵向相互穿套形成线圈纵行，纵行之间通过线圈延展线连接并将线圈质量抽象为规则排列的一系列离散质点，质点间由忽略质量的轻质弹簧连接[8]。

2.1 织物质点建模

同一纵行当前横列的线圈根部总是和前1横列的线圈圈弧相连，连接处称为线圈穿套点，将每个穿套点作为线圈质点，如图2所示。

假设花型循环大小R=M×(N-1)，其中M表示循环内线圈纵行数，N表示循环内每个纵行上的横列数，则循环内的织物质点数Z=M×N。用矩阵ZM×N表示循环内的质点集合，如式(1)所示。

(1)

式中m和n分别表示集合内某质点的纵行编号和横列编号。

2.2 地梳质点弹簧建模

地梳为织物提供结构稳定的地组织结构，成圈地梳所穿纱线只在同一枚织针上成圈形成编链组织，且纵行之间无联系，只在同一纵行相邻2个横列线圈之间以延展线连接，将延展线抽象为在上下2个质点P(m，n)和P(m，n+1)之间提供纵向结构的弹簧，如图3所示。则花型循环内共有M×(N-1)个纵向结构弹簧。

2.3 氨纶梳质点弹簧建模

氨纶梳穿的弹性氨纶纱只衬在同一个编链纵行延展线内，氨纶纱具有较强的张力，使得同一纵行相邻横列的线圈收缩在一起。将单针衬纬氨纶纱抽象为作用于每个质点上的卷曲弹簧，如图4(a)所示，则1个循环内共有M×N个卷曲弹簧。当质点P(m，n-1)、P(m，n)、P(m，n+1)不共线时，质点P(m，n)上的卷曲弹簧对质点P(m，n-1)和P(m，n+1)产生力的作用，弹力Fpol大小为

(2)

式中：θ为质点P(m，n)分别与质点P(m，n-1)和P(m，n+1)的连线之间的夹角，Kpol为氨纶的卷曲弹性系数，弹力方向分别与线段P(m，n-1)P(m，n)和P(m，n)P(m，n+1)垂直[9]，如图4(b)所示。

2.4 衬纬型贾卡梳质点弹簧建模

贾卡梳栉一般使用经轴送经，每根导纱针所穿纱线在同一横列送经量相同，针背横移大的导纱针上的纱线比针背横移小的导纱针上的纱线的张力大，较大张力的纱线使其约束的编链纵行之间产生较强的收缩趋势。

衬纬贾卡梳质点弹簧模型中将衬纬贾卡延展线抽象为左右质点纵行间的结构弹簧。常见的花边织物，成品纵密为横密的3～4倍，贾卡延展线与编链纵行的夹角大于45°，以横向纱线的形态呈现，所以将衬纬贾卡简化为质点间的横向结构弹簧。贾卡基本垫纱组织和贾卡提花信息决定了横向结构弹簧的自然长度和变形量。

某横列延展线连接的线圈纵行由当前横列的提花信息和下一横列的提花信息共同决定，假设横向结构弹簧连接的2个质点为P(((n+1)mod 2)+c+t1，n)和P(((n+1+1)mod 2)+c+t2，n+1)，其中：n为纵向横列编号，mod表示进行除运算后返回余数；c为贾卡导纱针编号；t为提花数据值，当提花信息为H时t=0，提花信息为T时t=1。横向结构弹簧与横列编号和提花数据的关系如表2所示。对应的横向结构弹簧形态如图5所示。

表2 横向结构弹簧形变Tab.2 Spring model of Jacquard bar

由表2可知，当((n+1)mod 2)+c+t1和((n+1+1)mod 2)+c+t2相等时，弹簧连接的2个质点位于同一纵行上，所以不建立横向结构弹簧。

2.5 花梳质点弹簧建模

花梳一般穿有较粗的纱线作较大针背横移，由纱架按需供纱，属于消极送纱，纱线在织物中的松紧状态由纱架上的纱线张力器控制。花梳纱线的张力引起其约束的编链纵行之间产生收缩趋势，花梳质点弹簧模型中将花梳延展线抽象为该横列左右质点纵行间的约束弹簧，且只约束每横列延展线连接的左右端质点，如图6所示。

本文模拟多梳贾卡织物平展在桌面时的形态，质点受到的重力和桌面提供的支持力相互抵消，因此在模拟过程中不考虑这2种力的影响。

3 质点弹簧模型受力变形

3.1 质点受力分析

假设花型循环为4×4，贾卡提花意匠图如图7(a)所示，其中RT=1，对应的垫纱如图7(b)，质点弹簧模型中4类弹簧的复合如图7(c)所示。

每个质点都受到纵向结构弹簧和卷曲弹簧作用力，一些质点还受到横向结构弹簧和花梳约束弹簧的作用力。

(3)

其中纵向结构弹簧作用力为

(4)

纵向结构弹簧阻尼力为

(5)

横向结构弹簧作用力为

(6)

横向结构弹簧阻尼力为

(7)

(8)

约束弹簧作用力为

(9)

约束弹簧阻尼力为

(10)

3.2 形变模拟数值计算

多梳贾卡经编织物中线圈个数较多，为减少模拟过程中的计算时间，使用显示欧拉方法求解[10]。

假设在初始状态织物所受的外力之和为0，质点均匀分布在织物中，卷曲弹簧处于弹簧平衡状态，纵向弹簧的自然长度为线圈高度h，横向结构弹簧、约束弹簧的自然长度与线圈圈距w比值分别为rjac、rpat，且rjac<1，rpat<1，rjac

为保证织物的宽度和长度与成品花宽和成品花高一致，对织物的边缘质点进行约束，具体方法为在计算过程中对边缘质点施加一个与弹簧合力反向的外力，使作用在质点上合力为0，则该质点加速度和速度都为0，质点位置不发生变化。

4 多梳贾卡织物的形变模拟

根据建立的质点弹簧模型，利用Visual C++语言实现多梳贾卡织物的形变模拟。模拟系统的运行环境为intel Core CPU i3 550、2 GB RAM、Windows 7 OS。下面分别列举了2个不同的局部织物图以及利用模型计算出的对应仿真图。

样例1：花高182横列，花宽86纵行，成品纵密21横列/cm，成品横密11.5纵行/cm，模拟耗时158 ms。

样例2：花高124横列，花宽56纵行，成品纵密21横列/cm，成品横密11.5纵行/cm，模拟耗时60 ms。

图8、9分别示出样例1、样例2的工艺设计图、仿真图与实物图。对比可知：基于质点弹簧模型的多梳贾卡织物形变模拟效果与实际织物相似度较高，说明该模型的可行性；且2个样例的仿真时间很短，仿真效率较高，满足实时模拟的要求。

5 结 语

1)根据多梳贾卡织物结构特点，引入纵向结构弹簧、横向结构弹簧、约束弹簧和卷曲弹簧建立了适用于其结构形变仿真的质点弹簧模型。模型表示形式直观，可用公式显式计算，易于计算机程序实现。

2)基于建立的质点弹簧模型研究了线圈质点因组织结构变化在结构弹簧、约束弹簧和卷曲弹簧复合作用下的受力；采用效率较高的显式欧拉法进行力学数值计算，可满足织物形变模拟过程的实时性要求。

3)通过实际工艺举例，利用建立的质点弹簧模型和受力变形算法对花型进行形变模拟，并将其与实际打样的织物进行对比，验证了所建质点弹簧模拟和形变算法的正确性和实用性，实现了多梳贾卡织物的快速、高效仿真。

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Structural deformation and simulation of multi-bar jacquard fabrics

ZHANG Aijun, JIANG Gaoming, LI Xinxin, CONG Honglian

(EngineeringResearchCenterforKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Deformation, caused by various jacquard meshes, is the key core of simulation for multi-bar jacquard fabrics. To perfect its deformation simulation, a tailored mass-spring model is built in agreement with structure features and jacquard theory. With this model, ground pillars are referred to as particles, while underlap between two courses is referred to as a longitudinal structural spring. Similarly, spandex inlay is referred to as coil spring, jacquard inlay as transverse structural spring and pattern lapping as restriction spring. Resultant force on particles by these four springs is calculated to analyze motion state and simulate deformation with explicit Euler method. Finally, simulated deformation based on the mass-spring model is proved accurate when compared with real samples.

warp knitting; multi-bar; jacquard; mass-spring; deformation; simulation

10.13475/j.fzxb.20151005406

2015-10-24

2016-04-06

中央高校基本科研业务费专项资金重点项目(JUSRP51404A)；江苏省产学研项目(BY2015019-31)

张爱军(1982—)，男，博士生。主要研究方向为数字纺织技术。蒋高明，通信作者，E-mail:jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 941.26

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