纱线打结拓扑结构的稳定性研究

赵文锐 贺秋森 张婧怡 马 雪 刘建立

（江南大学，江苏无锡，214122）

“打结”是人类最古老的技术之一，是纺织生产中最常见的操作，结头的形式影响其相对稳定性。尽管人们已经对打结技术研究了多个世纪，形成不同形式的结头，在众多领域广泛应用。但是，对于纱线结头形成的拓扑结构和力学之间的相互作用仍然知之甚少。为此，本研究以纱线结头为研究对象，从理论上研究结头拓扑结构与其相对稳定性的关系，通过试验方法验证结头形式与其牢度的关系，为纺织生产提出更加科学的打结方式[1]。

纺织生产中，在高速络筒机上自动结头技术得到了广泛的应用。随着电子清纱器的广泛应用，纱线上的疵点即可被切除，使得产品质量得到了大幅度提高[2]。但同时这样的技术也带来了新的问题，结头的质量对后道工序的生产效率和产品质量都有很大影响，纱线上增加了大量结头，例如传统的自紧结和织布结因结头结构及结头尾部长度等因素的影响，对后道工序的生产及质量也带来了较多的问题。目前，国内已有基于刚柔接触动力学的打结器虚拟打结方法，利用ADAMS的Bushing连接建立动力学模型用于评价优劣、保证打结器一次性制造成功[3]。国外已经有学者通过变色光子纤维研究结的力学性质[4]。

在现代纺织技术的发展过程当中，不同工艺流程下的不同结头及其拓扑结构影响着纺织品的质量，我们可以利用拓扑结构理论系统来研究纺织生产中结头形式的稳定性差异[5]，指导纺纱、整经、浆纱和织造等工序合理选择结头形式[6]。因此，本研究对纺织过程中常用的4种结头形式进行了针对性试验，对其断裂伸长、断裂强力、强力有效率、伸长有效率进行了分析，并利用ANSYS中的workbench模块对不同结头的受力情况进行模拟仿真，以验证最终结论的正确性。

1 结头的三维建模

在进行实际的试验操作前，首先建立编织结、盘头结、反手结1、反手结2的三维模型，并利用ANSYS中的workbench模块对其进行仿真受力分析，可以在一定程度上判断出各个结头的结构及受力差异[7]。由于结头的分析属于高度非线性模型，操作难度较大，因此，将结头在一定程度上进行了简化，将多股纱线简化为单股圆柱形纱线，方便虚拟仿真试验的进行，结头的三维模型如图1所示。

图1 结头的三维模型

2 虚拟仿真测试

在workbench模块中对试验所用材料——棉进行参数填写，若将模型具体至股线加捻缠结的受力分析[8]，该分析过程将会异常复杂，各股线间的关系也严重影响试验结果的准确性，因此将多股线加捻模型简化为单根纱线的受力分析模型。简化后的编织结三维模型如图2所示。

图2 简化后的编织结三维模型

在model模块中，在打结纱线的CD端施加Fixed support将其固定，AB端施加随时间增长而恒速率增加的拉伸力，直至模型达到应力极限并断裂。通过1 mm的网格化处理后，得出纱线拓扑结构受力的最大值、最小值点并作出标记，如图3所示。

图3 纱线拓扑结构受力的最大最小应力点

不同结头形式的纱线在相同轴向受力情况下，应力变化各不相同[9]，其应力极值点的分布随绳结拓扑结构的变化而变化，根据各极值点的位置可以初步得出：编织结、盘头结的最大应力点处于拓扑结构中部，反手结1、反手结2的最大应力点处于拓扑结构的尾部。将各结头模型仿真得出的极值应力点在后续力学试验的结头试样上进行标记。

3 纱线结头的力学试验

对前期收集到的不同结头形式的稳定性进行量化统计[10]，采用C 14.8 tex集聚纱进行打结试验，通过岛津AGS⁃X型材料试验机进行打结纱线的拉力试验。为保证试验数据的准确性，需要充分观察结头的断裂位置，确保每种结头的20组数据都在结头最大应力点标记处断开，以便后续对张力进行对比分析，纱线结头的力学试验数据见表1。

表1 纱线结头的力学试验数据

在表1中引入拓扑纠缠数、强力有效率和伸长有效率的概念。拓扑纠缠数即结头的抽象拓扑结构所包含的纠缠个数，在一定程度上反映了拓扑结构的稳定性和力学性能。强力有效率即结头后的纱线断裂强力与未结头的纱线断裂强力的百分比，用此来表示结头的断裂强力特性，见式（1）。伸长有效率即结头后的纱线断裂伸长与未结头的纱线断裂伸长的百分比，用此来表示结头的断裂长度特性，见式（2）。

式中：ηF为强力有效率，F i为结头的断裂强力，F0为纱线的正常断裂强力。

式中：ηL为伸长有效率，L i为结头的断裂伸长，L0为纱线的正常断裂伸长。

由表1可以得出，编织结虽断裂伸长达到原纱线的93.19%，但断裂强力仅达原纱线的82.78%，结头易断裂；反手结1的断裂伸长及断裂强力均降低，仅达原纱线的84%，总体性能较差；盘头结的断裂强力达原纱线的96.69%，断裂伸长超过原纱线，该结头不易断裂且断裂伸长较长，适宜使用；反手结2与编织结的性能类似，虽断裂伸长达原纱的93.51%，但断裂强力仅达原纱的82.61%。综上所述，盘头结的断裂伸长及断裂强力较高，适宜在生产流程中使用[11]。

4 结论

通过ANSYS进行纱线结头断裂的仿真试验，得出初步结论后，利用岛津AGS⁃X型材料试验机测定纯棉纱正常拉断时的断裂强力并与4种不同结头形式的断裂强力、断裂伸长进行对比，验证仿真试验的结果，最终可以得出以下结论。

（1）根据试验结论及ANSYS的仿真结果，盘头结的力学性能最佳，盘头结的断裂强力达原纱线的96.69%，断裂伸长超过原纱线，根据AN⁃SYS的力学受力图不难得出，产生这种情况的原因是盘头结的拓扑结构比其他结头形式更加稳定，其拓扑数、股线交叉次数、股线扭曲的方向以及收紧扭结时相邻股线的滑动方向都优于其他3种结头。

（2）盘头结作为纺织日常生产流程中常用到的结头之一，有着优异的断裂强力与断裂伸长，为断头后重结纱线的后续工艺流程提供了较高的保障，减少了结头后续再断的风险，推荐各企业在纺纱、整经、浆纱和织造等工序使用该种结头。

（3）不同的拓扑结构对结头的稳定性起着至关重要的影响，盘头结的性能优异主要是由于其缠结数多于其他3种结头形式，所受拉力在主轴方向得到分散，从而减轻了结头处的受力。