经编间隔鞋材设计与三维仿真

杨美玲, 蒋高明, 王 婷, 李炳贤

(江南大学 针织技术教育部工程研究中心, 江苏 无锡 214122)

随着人们将酷爱运动视为一种时尚,运动鞋类产品的消费需求快速递增,针织运动鞋因其透气柔软、可一次成形、延伸性好且环保,区别于传统皮质运动鞋而成为研究应用热点。其中经编3层针织鞋材因自身空隙大、塑形性好而得到广泛应用,经编3层鞋材织物,也称为三明治结构鞋用织物,用双针床拉舍尔经编机形成底层、中间间隔层、表层3层的立体空间结构,使其有着良好的压缩回复能力、散热散湿、减震的特点,且在耐洗性、耐老化性等方面也表现优异[1-2]。

目前关于鞋用间隔织物的结构力学方面研究主要集中在复合材料抗冲击性能、拉伸性能;仿真主要集中在工艺流程与花型设计上[3-4];关于不同网眼间隔织物真实感仿真的研究相对较少。

本文介绍了经编间隔鞋材的结构与功能区域划分,建立垫纱、穿纱及线圈模型,探讨了基本线圈受力偏移现象;在此基础上对几种典型网眼间隔鞋材进行结构与工艺设计,并在CAD系统上进行真实感仿真,达到在设计这类鞋材面料时既能看到织物外观特征也能看清细微结构的目的,提高产品的设计效率,使仿真更加真实。

1 间隔鞋材结构与分类

1.1 鞋面功能区域分布

目前间隔织物广泛应用于运动鞋中,包括鞋面与鞋衬垫织物。鞋衬垫起着缓冲脚力减少疲劳的作用;鞋面因运动需求设计不同功能区域,应用不同结构和网眼大小的间隔织物[5]。图1示出运动鞋面功能区分布。可看到共分6个区:A区需要具有较好的透气性,可采用大网眼;B、C脚趾帽和脚后跟区域一般为小网眼;D区通常采用紧密织物结构以提供良好的强度。

图1 鞋面功能区分布Fig. 1 Functional region distribution of upper

1.2 间隔鞋材细观结构

间隔织物属于3层三维立体空间构造,面层与底层之间存在着由间隔丝支撑的大容积空间,间隔层通常采用V字形和1×1字形的组织结构间隔丝[6-7]。

图2示出间隔鞋材结构。由图可看到,4把梳栉GB1、GB2、GB3和GB4分别通过位于机前和机后的经轴进行供纱,其中GB1、GB2在前针床编织面层织物,即织物的服用效应面;GB3为间隔梳,常用单丝在前后针床轮流垫纱成圈,连接并支撑上下表层织物;GB4在后针床编织底层织物,重经组织可在面层、底层应用,网眼与花纹只在面层或底层形成。

图2 间隔鞋材结构Fig. 2 Spacer shoe constructs

2 经编间隔织物数学模型

经编组织是经编针织物外观结构和性能的基础[8-9],主要取决于梳栉数、导纱针的横移及穿经规律等。为方便该类间隔织物在计算机上的设计与仿真的有效实现,需要建立相应工艺的矩阵模型。

2.1 垫纱数码的数学模型

在拉舍尔双针床经编机中,从机前观察时横移机构一般位于经编机的右侧,控制导纱梳栉对织针的垫纱[10-11]。用自然数组成织针横移的垫纱数码,双针床织物的一个横列是由前后针床分别成圈而成。由4个垫纱数码组成,对于采用K把梳栉编织横列数为M列的双针床间隔织物可使用垫纱数码矩阵WKM4=w(s,u,4)表示。如建立相应的矩阵Wsu4表示具体的垫纱运动:

(1)

式中:s∈{1,2,3,…,K}表示第s把梳栉;u∈{1,2,3,…,M}表示第u个横列。

根据前后针床针前垫纱规律来定义编织动作:

(2)

2.2 穿经循环的数学模型

穿经循环反映导纱梳栉中所穿纱线类型及纱线排列的情况,采用不同种类纱线或不同纱线排列方法会产生不一样的布面效果[12]。间隔织物的布面效果与梳栉的穿经循环有着密切的联系,可采用二维数学矩阵BKL=b(s,l)来表达不同梳栉的穿纱规律:

(3)

3 间隔织物鞋材的线圈结构与偏移

根据该类织物的线圈种类,通过对实际线圈的尺寸测量,建立相应的基本线圈、重经线圈、间隔线圈模型以及衬纬模型,并对其进行力学分析。

3.1 线圈结构模型

3.1.1 基本线圈模型

双针床经编间隔织物的前后2面都存在线圈结构,在单面编织的线圈相当于单针床成圈组织结构,假设延展线呈直线状态,则构建线圈主干模型即可,因此采用单针床8点线圈模型表示双针床单面编织层的基本组织单位,其中间隔丝线圈也属于基本线圈,由于牵拉机构的作用,同横列线圈并非在相同高度上,前后线圈高度约相差半个圈高。

图3示出基本线圈模型。图中:P1位置由前一横列确定;P8位置由后一横列决定;a、b、c为3种进入点P1的位置;d、e、f为3种线圈出点P8的位置,若线圈呈间隔丝形态,导纱针在前后2个针床上轮流垫纱,则P1、P82点在z轴偏移值不同。

图3 基本线圈模型Fig. 3 Basic loop model

3.1.2 重经线圈模型

间隔鞋材中重经组织结构的优点是线圈结构兼有经编和纬编组织的特性,同行列2个单针线圈以类似纬编沉降弧连接,上下行列间以经编延展线形式相连。重经线圈1个基本组织单元是由1个沉降弧、2个线圈主干以及1根延展线形成的,如图4所示。在编织时1个行列中同时成圈的2个线圈在z方向上的位置不同,与前一横列相连的线圈A1、B1处于外层,与后一横列相连的线圈A2、B2被下枚织针所成的线圈覆盖在里层,形成叠加效应。

图4 重经线圈模型Fig. 4 Heavy trans loop model

其中重经单元线圈模型采用一个线圈8个形值点共16个控制点来定义线圈模型,W为线圈圈距, 2个线圈的中心轴在z方向上的间隔距离为1个纱线直径。从延展线垫纱数码方面分析,可归纳为表1所示的5种重经结构:D(j)=F1(j)-F0(j)表示当前横列针前垫纱数码的差值;U(j)=B0(j+1)-B1(j)表示下一横列与当前横列针背垫纱数码的差值;r、t为任意1个横列。

表1 重经组织分类Tab. 1 Heavy transdermal fabric classification

3.1.3 衬纬模型

在间隔鞋材织物中,可利用衬纬组织与编链组织形成变化网眼织物效应。图5示出单行列衬纬模型。在相邻2个织针中间根据衬纬所居位置分为 3类衬纬模型:1)织针右衬纬,表现为在2织针中间靠近左织针;2)中间衬纬,居于中心垂直线;3)织针左衬纬,表现为在2织针中间靠近右织针。衬纬模型采取2个P1、P2形值点定位不同纵行衬纬固定位置使延展线自然连接。

图5 衬纬模型Fig. 5 Latitude lining model

3.2 线圈受力分析

3.2.1 重经线圈受力分析

重经线圈的结构特征与基本成圈组织不同,对重经组织编织层同行列的2个线圈进行受力分析,因线圈偏移受制约因素较多,本次研究只考虑线圈受沉降弧与延展线拉力横向移动,来判断其在真实编织时所产生的偏移。图6示出重经线圈受力分析图。

图6 重经线圈受力分析Fig. 6 Loop force analysis on heavy transdermal

图中因重经梳栉空穿形成的网眼,在上下间隔6个圈高6h之间,其左右2个纵行为单线圈形式无线圈叠加,现对于线圈根部m、n2个部位进行受力分析,其中m、n处受到短延展线拉力F1、F3与沉降弧张力F2、F4作用,同理x、y点处受到长延展线F5、F7拉力和沉降弧张力F6、F8作用,利用三角函数定理求其合力则应为

(4)

式中:F2、F4、F6与F8均为重经2个线圈之间的沉降弧对m、n、x、y4点所施加的张力,故F2=-F4=-F6=F8。且m、n2点最终所受合力Fa、Fb大小相等,方向相反,使m点所在纵行整体向右偏移,n点所在纵行整体向左偏移,x、y点受力方式不同,合力方向仍然相反,2点存在向中间靠拢趋势,故仿真形成较为明显的椭圆形网眼结构。

3.2.2 间隔丝线圈受力分析

在实际编织中,间隔丝前后针床线圈所受张力来自对面针床连接延展线的线圈,此张力矢量为三维向量,转化为x轴方向所受合力即可计算线圈横向偏移量。图7示出间隔丝线圈受力情况。图中建立三维坐标,对间隔丝进行立体线圈模型构建,前针床线圈根部E处受到Fq和Fj2个后针床线圈延展线施加的拉力,计算E点所受合力为

(5)

式中:F3为E点张力合力;β1、β2为2个力与在z方向平面的影射力夹角,分别为影射张力与x轴所在平面的夹角;de为偏移量;k3为整体张力系数。

图7 间隔丝线圈受力分析Fig. 7 Force analysis on spacer filament loop

4 间隔鞋材织物设计与仿真实现

在对间隔鞋材织物结构与线圈模型的精准定位基础上,设计3种间隔鞋材织物工艺,利用相应经编机编织实物,与通过虚拟仿真而成的仿真图形成对比,验证仿真效果。

4.1 间隔鞋材织物设计

4.1.1 重经网眼间隔鞋材织物设计

重经组织因其一行列连续成圈可广泛应用于织物的底梳,形成整片平纹或网眼织物,减少梳栉的应用,重经鞋材设计工艺参数如表2所示。

表2 重经鞋材工艺参数Tab. 2 Process parameters for heavy cross spaced shoe fabric

该织物用5把梳栉织成。GB1、GB2通过变化经绒组织带空穿形式构建具有斜向网孔的面层;2把间隔梳形成前后连接,并利用一梳GB5满穿重经组织编织网眼间隔鞋材的密实底部层,原料为涤纶,GB1、GB2纱线线密度和孔数较大,且穿经循环为二穿二空和一空二穿一空,其它梳栉为满穿。

4.1.2 双面网眼间隔鞋材织物设计

对透气性功能要求高的鞋材如凉鞋、薄款运动鞋上,较常采用镂空双面网眼结构面料以满足舒适与塑形需求,一款双面网眼鞋材的工艺参数如表3所示。

表3 重经织物工艺参数Tab. 3 Fabric process parameters of heavy cross

GB1、GB2梳栉在织物效应正面经过变形形成网孔结构,GB3、GB4构成前后针床连接间隔丝结构,GB5、GB6同样采用面层相同组织形成双面网眼底层。

4.1.3 花式网眼间隔鞋材织物设计

网眼间隔鞋材织物生产中,可通过不同梳栉之间的对称垫纱达到类似贾卡的花纹效应。例如采用变化经平组织加上对称垫纱可形成菱形或者方块形花纹织物,具体工艺设计参数如表4所示。

表4 织物工艺参数Tab. 4 Fabric process parameters

生产中GB1、GB2、GB3、GB4选择较粗有光泽纱线利用变化经平+经斜组织在间隔鞋材面层形成交叉菱形网眼,提高鞋材的立体和厚实感;GB5为单丝间隔丝;GB6、GB7在底层形成紧密组织。

4.2 仿真实现

根据上述间隔鞋用织物结构设计、线圈模型构建、偏移受力分析推导,选择合适的工艺结构与纱线原料,利用C#和JavaScript编程语言对产品进行工艺参数读取、梳栉属性设置,构建了8控制点线圈模型,利用牛顿力学第二定律求解的受力公式,模拟真实间隔织物受内力相互约制的结构形态,最终实现不同网眼间隔鞋材的三维虚拟仿真。图8示出3种鞋材的实物图和仿真图。

图8 3种鞋材的实物图与仿真图Fig. 8 Physical and simulation pictures of three types of shoe fabrics. (a) Heavy cross spaced shoe fabrics;(b) Double sided mesh spaced shoe fabrics;(c) Pattern spaced shoe fabrics

5 结 论

本文研究了间隔鞋材织物的结构特征,深入分析了经编间隔鞋材线圈结构形态与仿真模型,并提出了一种重经间隔鞋材的设计方法。

1)从间隔鞋用织物的结构和功能入手,划分鞋面功能区并探讨间隔织物在鞋材中的应用和编织原理。对于各种鞋材重经单元组织根据延展线走向进行分析,构建了相关的垫纱与穿纱数学模型,进而形象表达不同间隔鞋材的工艺编织方式。

2)在垫纱模型的基础上,逐步构建了双针床鞋材重经线圈、间隔丝线圈以及衬纬模型和线圈受力分析仿真模型。

3)基于相关模型构建的基础上,进行镂空以及花纹网眼等效应的间隔鞋材织物的工艺设计,并借助JavaScript和C#语言进行计算机编程,实现三维仿真,提高了间隔鞋材织物的工艺多样化与仿真效果,为3层结构鞋材虚拟展示提供可靠的技术支撑。