动态调湿控温立体针织物拓扑优化设计

袁鲁宁，王建萍,3，张冰洁，张宇婷，姚晓凤

(1.东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051；2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051；3.同济大学 上海国际设计创新研究院，上海 200092)

针织面料的功能性在不断提升，实现其功能性的技术也在不断涌现[1]。对于冬季运动保暖内衣来说，织物的调湿控温能力要求更高，但传统的功能性针织面料常通过原材料的固有属性来体现，没有利用丰富的针织结构，无法形成面料的拉伸与压褶以提高其功能性。

纬编立体针织物使用不同的材料、不同的组织结构能够获得性能或外观上的两面性[2-3]。Marcela等[4]开发了可持续功能纺织品用天然高分子纤维，并用于纬编针织物；Wu等[5]研究了纬编针织物的变形行为及机制；杨恩惠等[6]探索了纬编针织物热量传递的有限元仿真模拟。针织物调湿控温能力深受学者们关注，王欣[7]对调湿控温涤纶混纺织物的基本参数进行了比较与分析；黄小蝶等[8]设计了面密度相近、组织结构相同的针织面料，研究不同比例纤维混纺针织物的热湿舒适性。

拓扑优化具有很好的设计自由度[9]，通过优化设计确定设计域内材料分布情况，较少学者尝试用拓扑优化知识解决纺织上的问题。本文动态调湿控温立体针织物拓扑优化设计，可直接在单面电子提花针织圆机上进行编织，改变了常规针织物组织结构设计方法的繁琐，提高了织造效率。通过组织结构的三维扭曲而形成面料的拉伸与压褶，有效增加蒸发面积和里层静止空气含量，提高了织物调湿控温能力，同时保持良好的拉伸回复性能。

1 设计原理

1.1 褶皱片状结构调湿控温原理

通过单面提花工艺对织物进行局部拉伸与压褶以形成褶皱片状结构。根据调湿控温原理在CINEMA 4D软件中建模构建织物的三维模型，如图1所示。图中：1为褶皱片状结构，2为控温区域，3为控温单元，4为内部空气通道，5为外部空气通道，6为张力区域，7为侧向分离组织，8为控温单元的周围区域，9为汗滴的收集区域，10为皮肤与织物里层形成的网状结构。

图1 褶皱片状结构示意图

上述褶皱片状结构包含面层和里层，里层与穿着者的皮肤接触，并在人体与褶皱片状结构之间形成内部空气通道，褶皱片状结构之间由于面层的拉伸与里层的压褶在远离人体的一面形成凹槽及外部空气通道。人体、内部空气通道与外部空气通道和环境形成了动态调湿控温区域，控温区域具有单独的控温单元，这些控温单元包含于褶皱片状结构中并由侧向分离组织彼此隔开，内部空气通道通过侧向分离组织彼此连接，外部空气通道通过侧向分离组织彼此相互弥补，使得拓扑几何形态垂直于身体轴向覆盖。织物局部拉伸与压褶使控温单元形态不规则，呈中间窄两边宽的多边形，中间为张力区域。

1.2 控温单元编织原理

织物组织结构以纬编立体针织物的形式呈现并形成控温单元，用针织的形式产生附加优点，比如线圈拉伸使烟囱效应更显著。使用从0°～359°且按逆时针方向转动的单面电子提花针织圆机，用面纱和地纱进行织造，面纱采用保暖蓄热功能纱线，地纱采用弹性包覆纱。

图2为控温单元编织意匠图。纱线在针床每编织N纵行后开始编织控温单元，第N+1行每编织M针持圈不编织P针，逆时针编织S行，第N+S+1行开始全起针编织，其中N、M、P、S为1的整倍数。循环以上步骤形成控温区域。同时变换M与P值改变控温单元的大小与形状，可产生不同的性能。本文实验用织物所含2种控温单元。较小的控温单元使用面纱和地纱在针床进行每编织4纵行开始编织控温单元，第5行每编织7针持圈不编织4针的编织动作，逆时针编织18行，第23行全起针编织。较大的控温单元使用面纱和地纱在针床进行每编织4纵行开始编织控温单元，第5行每编织7针持圈不编织4针的编织动作，逆时针编织33行，第34行全起针编织。

图2 控温单元编织意匠图

1.3 控温单元排列方式

织物拓扑优化的核心是各控温单元的排列方式。当人体流汗时，汗滴收集区域吸收汗滴并转移至皮肤与织物里层形成的网状结构，蒸发面积扩散，为皮肤表面降温。在寒冷状态下，内部空气通道的暖空气形成保暖空气层，三维控温区域阻止外部冷空气进入，以维持身体保暖。该织物可直接在单面电子提花针织圆机上编织，通过组织结构三维扭曲，有效增加蒸发面积，提高织物拉伸回复能力。

图3示出控温单元排列方式示意图。图中A为汗液滴落的方向，B为暖空气流动的方向。图中褶皱片状结构组成部分的命名方式为a.b。a为褶皱片状结构与人体和环境接触组成空间的编号，其中，1为褶皱片状结构，2为控温区域，3为控温单元，4为内部空气通道，5为外部空气通道，6为张力区域，7为侧向分离区域，8为控温单元的周围区域，9为汗滴的收集区域。b为控温单元排列方式的编号，控温单元按V字、Y字等斜向排列，增加汗滴的收集区域，促进汗液的收集和蒸发，同时便于热空气的多方面循环，其中:1为控温单元排列方式1，即相同大小的控温单元沿纵向错位排列；2为控温单元排列方式2，即每3个相同大小的控温单元为1组斜向排列形成错位；3为控温单元排列方式3，即每2个较小的控温单元与1个较大的控温单元为1组斜向排列形成错位，每编织3组改变倾斜方向，使得交界处形成V字；4为控温单元排列方式4，即每4个较小的控温单元与5个较大的控温单元为1组形成Y字形，并沿纵向错位排列和重叠。控温单元的布置方式使得皮肤上的汗液在滴落时通过内部空气通道4被就近的汗滴收集区域9收集，而不能从上到下贯穿整个控温区域。因此，控温单元彼此错位，使得接触皮肤的区域与不接触皮肤的区域彼此偏移，便于汗液收集并扩散到服装表面，同时保证一定的内部空间便于皮肤表面热空气的顺畅流动。如本文控温单元排列方式1的内部空气通道的命名方式为4.1。

图3 控温单元排列方式示意图

控温单元排列方式按线圈横列与纵行方向排列，形成可重复使用的拓扑几何形态，便于面料的织造与编织图的调取。一方面，控温单元捕捉汗水，汗液滴落被中断。另一方面，服装里层与皮肤之间垂直方向上的空气通道通过控温单元的错位排列而保持打开状态，气流方向与重力方向相反，人体轴向空气畅通，增加服装的烟囱效应，改善了水分去除，使得面料里层与面层保持更好的干燥效果，实现针织物的调湿作用。

2 实验部分

2.1 材 料

为开发具有保暖性且排汗率高的立体针织物，本文选用由义乌盈云科技有限公司提供的4种纤维(DRYARN®、DRYARN®包覆氨纶、锦纶、丙纶包氨纶)作为研发材料，图4为纤维束的表面形态。就纤维束而言，DRYARN®纱线(意大利Aquafil公司)中纤维排列整齐光滑，纤维直径较锦纶细，细度均匀。DRYARN®包覆纱中大多数纤维沿轴向并带一定捻度包裹在氨纶表面，整根纱线呈卷曲状，与丙纶包覆纱相比，纤维直径相差不大且数量较少，DRYARN®包覆纱中氨纶直径稍粗。

图4 纤维束SEM照片(×200)

2.2 试样织造

分别按照控温单元排列方式1、2、3、4设计试样1#至8#。在意大利SANTONI Top2单面电子提花针织圆机上进行试织，机器参数为8F成圈系统，针数为1 488针，筒径为381 mm。织物规格参数见表1。

表1 织物组织规格参数表

2.3 实验方法

以下实验方法均在实验温度为(20±2)℃，相对湿度为(65±2)%的环境下进行。

参照GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定》，采用YG606E型纺织品热阻测量仪对织物的保暖性能进行测试。分别剪取3块织物规格为35 cm×35 cm的试样进行测试，结果取平均值。

参照GB/T 21655.2—2009《纺织品 吸湿速干性的评定 第2部分：动态水分传递法》，使用MMT液态水分管理测试仪测试了织物吸湿速干性能。每种样品裁剪5块试样，尺寸为8 cm×8 cm。每种样品的测试结果取各自各指标的平均值。

参照FZ/T 70006—2004《针织物拉伸弹性回复率试验方法》，使用HD026 N+型电子织物强力机测试了织物的弹性回复率。以带状形式制备20 cm×5 cm样品(其中有效实验范围为10 cm×5 cm)，测试织物在30%应变下拉伸2次的拉伸回复率。

3 实验结果与分析

3.1 织物保暖性能分析

织物的保暖性能测试结果见表2。织物保温率均远超过FZ/T 73022—2019《针织保暖内衣》标准中30%的保温率，织物具有优异的保暖控温性能。在织物原料相同的情况下，按照控温单元排列方式3和4编织的织物保暖率更高，这是由于皮肤与织物里层形成的网状结构大小不一，控温单元排列方式3和4的网状结构错位排列，相邻距离较大，存储静止空气能力较好。总的来说，由DRYARN®和DRYARN®包覆纱构成的织物控温能力更好，这与纤维本身的蓄热保暖性能有关。

3.2 液态水分传递性能分析

表3示出8种织物的吸湿速干性能测试结果。单向传递指数反映液态水从材料的浸水面传递到渗透面的能力(即液态水传递能力)，其值越大，表明材料液态水传递能力越强[10]。8种织物的单向传递指数从大到小的排列顺序为4#、2#、1#、7#、3#、5#、6#、8#，总体上，织物1#～4#的液态水传递能力较好。织物1#～4#由DRYARN®和DRYARN®包覆纱构成，DRYARN®纱线纤维间缠绕抱合紧密，孔隙等效直径较小，适合液态水分的传递，单向传递指数较大。由各织物的液态水动态传递综合指数可见，1#～4#达到4级，说明液态水动态传递性能很好，5#～8#达到3级，说明液态水动态传递性能好。这是由于内部空气通道与外部空气通道共同作用，使得织物结构影响了织物液态水分传递能力。

表3 织物吸湿速干性能测试结果

3.3 拉伸回复性能分析

表4示出经向和纬向的弹性回复率与织物控温单元排列方式的关系。4种控温单元排列方式的织物纬向弹性回复率优于经向，这是由于织物的拉伸与压褶主要依靠纵向线圈拉伸实现，已被拉伸的线圈经向弹性回复能力有所降低。采用保暖蓄热功能纱线DRYARN®织造的织物表现出较好且稳定的弹性回复性能，而由锦纶和丙纶包覆纱织造的织物虽然有优异的纬向弹性回复性能，但经向弹性回复性能较差且随着控温单元排列方式的变化呈现出不稳定性。

表4 织物拉伸回复性能测试结果

4 结 论

本文基于拓扑优化设计考虑物体位置关系的特点开发了4种动态调湿控温立体针织物。应用于2组纱线进行织造与服用性能测试。得到以下结论。

1)4种不同控温单元排列方式的立体针织物通过组织结构的三维扭曲，有效增加蒸发面积和里层静止空气含量，提高了织物调湿控温能力，并保持良好的拉伸回复性能。同时，控温单元不同的排列方式影响织物的服用性能，V字和Y字形排列方式表现出明显的优势。当人体流汗时，褶皱片状结构里层吸收汗液并转移至面层以快速蒸发，当人体感到寒冷时，内部空气通道储藏静止空气有效控温。

2)组织结构相同，材料的固有属性影响织物服用性能。采用保暖蓄热功能纱线DRYARN®织造的织物保暖性能优异，液态水动态传递性能很好，拉伸回复性能也呈现出较高的稳定性。

本文尝试用拓扑优化知识解决纺织上的问题，形成面料的拉伸与压褶以提高其功能性,为冬季运动保暖内衣用立体针织物的研发提供了新思路。

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