经编间隔织物结构参数对振动性能的影响

杨慧娟，吕志军，杜赵群

(东华大学 a. 纺织面料技术教育部重点实验室； b. 机械工程学院， 上海 201620)

经编间隔织物结构参数对振动性能的影响

杨慧娟a，吕志军b，杜赵群a

(东华大学 a. 纺织面料技术教育部重点实验室； b. 机械工程学院， 上海 201620)

摘要：采用敲击法和模拟地面随机振动法对坐垫用经编间隔织物实施振动力学性能测量，分析其阻尼比、固有频率和刚度等振动特征值，并讨论该3个振动特征值与经编间隔织物结构参数之间的关系.通过敲击法和模拟地面随机振动法对试样施加激励，由两个加速度计对输入和输出的加速度信号进行测量，获得加速度-时间曲线，计算试样的阻尼比、固有频率和刚度.对试样振动传递性能的分析，可用于指导和改进经编间隔织物的结构设计，满足人们对坐垫舒适性的要求.关键词： 经编间隔织物； 刚度； 共振频率； 阻尼比； 振动

经编间隔织物是一种立体纺织结构材料，由两个系统的表层织物和连接上、下两个表层织物的间隔纱构成的中间层组成[1-2].经编间隔织物中间层的空隙结构赋予其良好的透气透湿、抗压回弹、隔音减振、过滤等物理性质[3-6]，并广泛应用于服装、医疗、农业、建筑、汽车等多个领域[7-9].现有坐垫的填充物主要为聚氨酯等泡沫材料，其不透气、不透湿，难以满足长时间乘车的乘客舒适性要求，尤其是体质虚弱的老人以及行动不便的残疾人对舒适性和健康的要求，且泡沫材料制备过程中污染大.而经编间隔织物作为坐垫时，其存在传热、传湿的中间层，可保持良好的透通性，提供舒适的微环境.与经编间隔织物相比，聚氨酯泡沫材料的透通性较差，且易造成热量和湿气的聚集，让人产生不适之感[10].但是，经编间隔织物在车辆坐垫、轮椅等使用过程中，由于车辆的机械振动和地面的不平坦造成的颠簸，车辆或轮椅运动过程中瞬时的垂直振动频率与人体固有频率接近时，导致乘客产生极度的不舒适，甚至产生眩晕、呕吐等症状，特别是年迈体弱的老人，由于振动激烈可能导致伤害.故对坐垫材料而言，动态振动力学性能是评价人体乘车坐姿条件下舒适程度的主要性能，其减振性能也是衡量材料作为坐垫而赋予人体舒适性的重要性能，主要与经编间隔织物的振动性能有关.

因此，本文设计不同结构参数(包括间隔丝排列、直径、垫丝角度、织物的厚度和面密度等)的经编间隔织物，实施振动传递性能测量，探讨经编间隔织物结构与振动特征指标的相关性，通过指导合理设计结构参数，使其振动传递频率避开人体的固有频率，赋予乘客坐姿时良好的动态舒适性.

1试验

1.1试验样品

间隔织物原料的选择是由最终用途决定的，本文探讨的织物性能主要应用于坐垫类产品，而间隔丝是主要的受力单元，所以间隔丝应采用具有一定抗弯刚度的单丝.本文选用的间隔织物表面层纱线为涤纶复丝，间隔丝为涤纶单丝.

由于采用单因素进行分析，因此，试样织物的结构参数需具有一定变化规律.这里选择17种不同规格的经编间隔织物进行振动对比试验，其规格参数如表1所示.其中，横密是沿线圈横列方向5cm的线圈个数，纵密是沿线圈纵行方向(编织方向)5cm的线圈个数，网眼数是织物25cm2内的网孔个数，每种间隔织物的横密、纵密、网眼数各测量5次，求平均值；垫丝角度是经编间隔织物与间隔丝交点的切线与表面的夹角，测量10次，求平均值；间隔纱排列是由中间两把梳栉针背垫纱运动针数决定，有“X”和“V”两种形式；面密度是经编间隔织物单位面积质量，测量5次，求平均值；厚度是经编间隔织物上、下表面的距离，测量5次，求平均值；间隔丝直径采用BEION F16型纤维细度仪采集间隔丝的投影图像测量，选取20根间隔丝，每根间隔丝上选取5个位置测量，求平均值.

表1　17种经编间隔织物规格参数

1.2试验方法

采用GB/T 8169—2008《包装用缓冲材料振动传递性试验方法》和GB/T 19739—2005《机械振动与冲击 手臂振动 手臂系统为负载时弹性材料振动传递率的测量和评价方法》，对经编间隔织物进行振动测试.将织物样品剪成20cm×20cm的正方形，放置于振动台面，将质量为3kg、直径为130mm的铁质质量块置于试样上，质量块上面有直径为3mm、等距分配的圆孔，内层圆孔中心距质量块中心距离为45mm，外层圆孔中心与质量块中心的距离为55mm，用于约束试样，防止水平移动.用压电式加速度计测量振动台面上的加速度和质量块上的加速度，用数据采集器对采集的加速度信号进行采集.经编间隔织物振动测试示意图如图1所示.

图1　经编间隔织物振动测试示意图Fig.1　　　　Schematic of vibration test of 　　　warp-knitted spacer fabrics

2结果与分析

2.1阻尼比与阻尼系数的测量结果分析

采用敲击法测量经编间隔织物的阻尼性能，敲

击时采用柔软的物体敲击，避免高频的影响.故本试验采用橡皮锤敲击试样，获得振动加速度与时间的曲线，如图2所示.

图2　试样振动加速度-时间曲线Fig.2　Vibration acceleration-time curves of samples

经编间隔织物的阻尼比ξ与阻尼系数c由式(1)和(2)计算获得.

(1)

(2)

式中：δ为对数减幅率；Ai为第i个波峰的幅值；Ai+N为第i+N个波峰的幅值；k为经编间隔织物的压缩刚度；m为铁质质量块的质量，由于质量块质量远大于经编间隔织物质量，计算中忽略经编间隔织物质量.试样的阻尼特征参数测试结果如表2所示.

表2　试样阻尼比和阻尼系数测试结果

阻尼橡胶的阻尼比一般为0.05～2.50，聚酯泡沫材料的阻尼比为0.05左右.由表2可以看出，经编间隔织物具有较好的阻尼性能，是一种性能优异的减振材料.结合表1中试样结构参数的分析，可得各参数对经编间隔织物的阻尼性能影响如下所述.

(1) 厚度对阻尼性能的影响.试样1，2，3的厚度分别13.23，9.10，6.27mm，阻尼比分别为0.145， 0.105，0.092，由此可以看出，随着织物厚度的减小，其阻尼比逐渐降低.文献[11]推导出织物的压应力与厚度的二次方倒数成正比例关系，即间隔距离越大，间隔丝的不稳定性能增加，间隔丝越容易发生弯曲变形，其抗压弹性越差，则消耗能量的弯曲变形越大，阻尼比越大.

(2) 间隔丝排列形式对阻尼性能的影响.试样4和7间隔丝的排列分别为V形和X形，阻尼比分别为0.121和0.132，由此可以看出，间隔丝呈X形式排列的要比V形排列的织物的阻尼比大.当间隔丝呈X形排列时，两表面间的间隔丝交叉形成了双锯齿形，织物抗压弹性好，但织物表层结构与间隔丝的干摩擦阻尼以及间隔丝间的黏滞阻尼增加，使阻尼比增大.

(3) 垫纱角度对阻尼性能的影响.试样15，14，16的垫纱角度分别为44.9°，31.5°，18.9°，阻尼比分别为0.134，0.114，0.093，由此可以看出，垫纱角度越大，阻尼比越大.这是因为随着垫纱角度的减小，间隔丝沿轴向的角度增大，间隔丝所受内部空气作用产生的黏滞阻尼的作用面减小，阻尼比减小.

(4) 间隔丝面密度对阻尼性能的影响.间隔丝面密度是织物单位面积上间隔丝的质量，与单位面积上间隔丝的根数成正比，由于间隔织物其他结构参数基本相同，在此采用间隔织物的面密度代替间隔丝面密度.试样15和17的面密度分别为552.5和1164.8g/m2， 阻尼比分别为0.134和0.172，由此可以看出，随着面密度增大，阻尼比增大.这是由于间隔织物面密度越大，单位面积内间隔丝的根数越多，间隔丝间的黏滞阻尼及表层结构与间隔丝间的干摩擦阻尼越大，阻尼比越大.

(5) 间隔丝直径对阻尼性能的影响.试样3，12，6和8，9的间隔丝直径分别为190.0，167.6，132.6μm和157.3，180.9μm，阻尼比分别为0.092，0.089，0.078 和0.109，0.155，由此可以看出，随着间隔丝直径的增加，阻尼比增大.间隔丝直径越大，受到力的作用时单根间隔丝能够承受的力越大，消耗能量的弯曲变形越大，阻尼比越大.

(6) 织物不同结构对阻尼性能的影响.试样5，10，11，13的直径、面密度、厚度、间隔丝排列形式、直径、垫纱角度各不相同，其阻尼比分别为0.126，0.089，0.081，0.161，由此可以看出，织物不同结构参数对其阻尼性能的交叉影响.

2.2系统共振频率与刚度的测量结果分析

本文采用模拟地面随机振动法测量分析系统的振动频率以及间隔织物的刚度.通过傅里叶变换，将测量得到的加速度-时间曲线转换成加速度-频率曲线，采用输出加速度与输入加速度的比值来表征加速度传递系数，画出频率-加速度传递系数的关系曲线，结果如图3所示.

图3　试样振动加速度传递系数-频率曲线Fig.3　　　　Vibration acceleration transmissibility-frequency　　　curves of samples

由图3可知，间隔织物加速度传递系数较大，最大加速度传递系数对应的是系统加速度共振频率，频率范围集中在25～45Hz.振动位移、速度、加速度的幅值各自达到极值时的情况称为共振，3种共振频率是不同的，只有速度共振频率等于系统固有频率.达到共振时系统固有频率与加速度共振频率关系为

(3)

式中：m为质量块质量；ωn为系统固有圆频率；ω为系统加速度共振圆频率；fn和f分别为系统固有频率和系统加速度共振频率.由于质量块质量远大于间隔织物质量，在计算时忽略织物质量.试样刚度、共振频率与固有频率测试结果如表3所示.

表3　试样刚度、共振频率与固有频率测试结果

由表3可以看出，间隔织物结构参数对其固有频率、刚度具有显著影响.各结构参数对经编间隔织物固有频率、刚度的影响如下所述.

(1) 间隔织物面密度对其固有频率、刚度的影响.试样15和17的面密度分别为552.5和1164.8g/m2， 间隔织物固有频率分别为36.27和45.66Hz，刚度分别为12.981×104和20.364×104N/m，由此可以看出，随着间隔织物面密度增大，其固有频率和刚度也增大.这是由于间隔织物面密度越大，单位面积内承受外力的间隔丝根数越多，间隔织物抗压弹性越好，固有频率越大，刚度也越大.

(2) 间隔丝垫纱角度对间隔织物固有频率、刚度的影响.试样15，14，16的垫纱角度分别为44.9°，31.5°，18.9°，间隔织物固有频率分别为36.27，32.01，31.97Hz，刚度分别为12.981×104,10.109×104，9.465×104N/m，阻尼比分别为0.134，0.114，0.093，由此可以看出，间隔丝垫纱角度越小，固有频率越小，刚度越小.间隔织物的振动传递性能主要是由于间隔丝在外部激励下沿着间隔丝轴向的弯曲变形引起的，随着间隔丝垫纱角度的减小，则间隔丝沿轴向的角度增大，因此当外力作用于间隔织物时，沿着间隔丝轴向的分力减小，垂直方向的有效承载面积减小，间隔织物抗压弹性变差，刚度和固有频率均减小.

(3) 间隔丝排列形式对间隔织物固有频率、刚度的影响.试样4和7间隔丝的排列分别为V形、X形，固有频率分别为30.54和34.14Hz，刚度分别为11.046×104和 13.804×104N/m，由此可以看出，间隔丝呈X形排列的间隔织物的固有频率和刚度要比V形排列的大.当间隔丝呈X形排列时，两表面间的间隔丝交叉形成了双锯齿形，间隔织物稳定性能好，抗压弹性好，刚度和固有频率均增大.

(4) 厚度对间隔织物固有频率、刚度的影响.试样1，2，3的厚度分别13.23，9.10，6.27mm，固有频率分别为27.65，35.60，41.39Hz，刚度分别为9.055×104，15.010×104,20.290×104N/m，由此可以看出，随着织物厚度的增加，其固有频率逐渐降低，刚度逐渐减小.间隔织物越厚，间隔丝的不稳定性能增加，间隔丝越容易发生弯曲变形，其抗压弹性越差，刚度越小，固有频率也越小.

(5) 间隔丝直径对间隔织物固有频率、刚度的影响.试样3，12，6和8，9的间隔丝直径分别为190.0，167.6，132.6μm和157.3，180.9μm，固有频率分别为41.39，36.23，34.29Hz和30.99，34.09Hz，刚度分别为20.290×104,15.033×104,13.926×104N/m和11.374×104,13.764×104N/m，由此可以看出，随着间隔丝直径的增加，刚度和固有频率均增大.间隔丝直径越大，受到力的作用时单根间隔丝能够承受的力越大，其压弹性越好，刚度越大，固有频率越大.

(6) 织物不同结构对其固有频率、刚度的影响.试样5，10，11，13间隔织物的直径、面密度、厚度、间隔丝排列形式、直径、垫纱角度各不相同，其固有频率分别为22.68，29.89，32.29，28.24Hz，刚度分别为6.092×104，10.581×104，12.349×104，7.160×104N/m，由此可以看出，织物不同结构参数对其固有频率和刚度的交叉影响.

3结语

本文采用敲击法和模拟地面随机振动法对经编间隔织物施加激励振动试验测量，计算了间隔织物的共振频率、刚度以及阻尼比，分析了织物基本结构参数与共振频率、刚度以及阻尼比的关系.采用敲击法获得阻尼比与间隔织物结构参数关系：间隔织物厚度越大，其阻尼比越大；间隔丝呈X形式排列的要比V形排列的织物的阻尼比大；间隔丝垫纱角度越大，阻尼比越大；织物面密度越大，阻尼比越大；间隔丝直径越大，阻尼比越大.试样阻尼比范围为0.081～0.172， 表明间隔织物是一种性能较好的缓冲材料.采用模拟地面随机振动法获得固有频率和刚度与织物结构参数关系：间隔织物面密度越大，其固有频率和刚度越大；间隔丝垫纱角度越小，固有频率和刚度越小；间隔丝呈X形式排列的间隔织物的固有频率和刚度要比V形排列的大；间隔织物厚度越大，固有频率和刚度越小；间隔丝直径越大，固有频率和刚度越大.间隔织物试样的固有频率范围为25～45Hz，刚度范围为6.0×104～2.0×105N/m.间隔织物作为坐垫材料时，应通过合理设计其结构参数，避免由坐垫传递到人体的频率与人体比较敏感的频率范围重合，减小共振的发生.

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Effects of Structural Parameters of Warp-Knitted Spacer Fabrics on Vibration Property

YANGHui-juana,LÜZhi-junb,DUZhao-quna

(a. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education;b. College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:Both knocking method and random vibration method were adopted to measure the vibration property of warp-knitted spacer fabrics for mat products, and damping ratio, intrinsic frequency and stiffness were calculated to analyze relationships with structural parameters of warp-knitted spacer fabrics. Based on the exciting signals excited by both knocking method and random vibration method, acceleration and time curves were acquired by two accelerometers respectively recording the input and output signals, and the damping ratio, intrinsic frequency and stiffness were then calculated. Through analyzing the performance of vibration transmission, the structure design of spacer fabric can be improved so that it can achieve the dynamic comfort to meet people’s requirement.

Key words:warp-knitted spacer fabric; stiffness; resonant frequency; damping ratio; vibration

文章编号：1671-0444(2016)02-0208-05

收稿日期：2015-03-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272086, 51203022)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232014A3-02)；东华大学“励志计划”资助项目(B201307)

作者简介：杨慧娟(1989—)，女，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为功能防护纺织材料的结构与性能.E-mail：2130113@mail.dhu.edu.cn 杜赵群(联系人)，男，教授，E-mail：duzq@dhu.edu.cn

中图分类号：TS 101.3

文献标志码：A