緯編兩面提花針織物的仿真結構模型

梁佳璐 叢洪蓮

摘要： 緯編兩面提花針織物正反兩面均可提花，花型效果豐富，組織結構多變，但編織效果難以預測，設計打樣難度高。文章首先分析緯編兩面提花針織物的結構特征，接著開發成圈結構和浮線結構兩面提花織物來分析線圈結構;定義及測量描述線圈相對位置的質和線圈幾何結構的型值點，通過關系式確定不同線圈質點變形系數和型值點變形系數。以織物線圈為研究對象，基于實驗測量的仿真結構模型真實地描述了織物線圈結構，通過建立織物參數與線圈結構的相關關系，為織物的仿真結構模型的快速建立提供了支持。最終，建立以橫密、縱密、正反線圈比為參數的仿真結構模型。

關鍵詞： 緯編;兩面提花;仿真;結構模型;線圈變形

中圖分類號： TS184.4

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2020）11-0035-06

引用頁碼： 111106

Abstract： The weft-knitted two-side jacquard fabric can be jacquard on both sides. The pattern effect is rich and the weave structure is variable. However， the knitting effect is difficult to predict and the design and sample making are difficult. Firstly， the structural characteristics of the weft-knitted two-side jacquard fabric were analyzed. Then， two-side jacquard fabrics of the looping structure and the missing structure were designed to analyze the loop structure. Defining and measuring mass points that describe the loop relative position and date points that describe the loop geometry structure. Meanwhile， data points of loop geometry structure were described. The deformation coefficient of mass points and deformation coefficient of data points of different loops were determined by the relational expression. The fabric loop was chosen as the research object. The simulation structure model based on the experimental measurement described the fabric loop structure truly. The support was provided for the rapid establishment of the fabric simulation structure model by establishing the correlation between the fabric parameters and the loop structure. Finally， a simulation structure model with the parameters of cpi， wpi and front & back loop ratio was established.

Key words： weft knitting; two-side jacquard; simulation; structure model; loop deformation

緯編兩面提花針織物是指按花紋要求在針筒織針或針盤織針上選針編織成圈，未被選中的織針浮線編織，形成的一種花色織物，具有組織結構復雜，花型變化豐富，發展前景良好的優勢，也具有編織效果預測不良，設計開發難度較大的缺點。對緯編兩面提花針織物進行仿真結構模型的建立可以真實形象地模擬針織物整體風格，可以為該織物的新品開發、工藝原理、性能研究提供理論支持[1]。

對織物進行模擬仿真的研究中，以線圈為主要研究對象，主要分為對單個線圈結構的研究和對多個線圈結構的研究。在對單個線圈結構的研究中，以緯編Pierce經典模型為基礎，通過對緯編針織物的基本線圈單元進行幾何結構分析，利用三角函數構建線圈曲線段的數學模型，再將其組合擬合線圈屈曲形態[2];在三維Pierce線圈模型基礎上，引入B樣條及橢圓描述線圈，弧段用橢圓描述，圈柱用三次B樣條曲線模擬，從而建立三維幾何線圈模型[3];通過織物結構參數及插入三次B樣條曲線建立緯編織物的三維幾何模型[4-5];通過使用NURBS曲線的可控性建立了緯編單面提花織物的線圈幾何結構模型[6];根據針織物實際線圈結構特點，確定了線圈模型形態的型值點，通過反算法求取3次非均勻有理B樣條曲線控制點，構建線圈紗線中心線模型[7-8]。在對多個線圈結構的研究中，通過使用顯微鏡拍攝并測量不同線圈單元的結構參數，總結出不同線圈結構對織物形態的影響規律，在質點模型的基礎上建立了線圈的幾何結構模型[9-10];在研究織物結構特征的基礎上，通過測量分析各控制點的坐標位置，在成圈模型的基礎上得出織物線圈變形的規律，如緯編仿蕾絲織物[11]、反面為縱條紋和芝麻點的緯編均勻提花針織物[12];測量真實線圈的變形量，通過反算得出質點位移量，再通過Velocity Verlet數值積分方法得出所有質點位移量，從而得出線圈變形[13-14]。綜上可以發現，織物的模擬仿真都是從織物線圈的幾何結構入手研究，且緯編兩面提花針織物結構復雜，相關的模擬仿真研究較少。因此，在織物線圈幾何結構的基礎上進行緯編兩面提花針織物的仿真結構研究具有重要意義。

緯編兩面提花針織物按照生產設備分為圓型緯編針織物和平型緯編針織物兩種類型，平型緯編機機構復雜，編織線圈類型多樣，緯編針織物容易實現兩面提花編織;圓型緯編機機構簡單，編織線圈種類有限，針織物不容易實現兩面提花編織。按照編織方法根據是否單獨采用一路連接紗僅連接織物正反兩面分為兩種類型，單獨采用一路連接紗連接織物正反兩面工藝簡單，表面平整，正反兩面花型獨立性高;不單獨采用一路連接紗連接織物正反兩面工藝復雜，立體感強，正反兩面花型具有相關性。

本文的研究對象是圓型緯編兩面提花針織物，且不單獨采用一路連接紗連接織物正反兩面;織物組織結構較為簡單，即在織物一面成圈浮線共同編織，另一面固定全成圈編織。本文首先研究緯編兩面提花針織物的表面二維形態結構特征;設計相應的成圈結構織物和浮線結構織物研究織物線圈結構;以線圈根部作為質點確定線圈的相對位置，進行線圈質點坐標測量;以8個型值點確定線圈的幾何結構，進行線圈型值點坐標測量;通過關系式確定不同線圈質點變形系數和型值點變形系數，實現緯編兩面提花針織物仿真結構模型的建立。

1?結構特征

1.1?織物結構特征

根據織物正反兩面花型特點，將緯編兩面提花針織物分為緯編兩面相似花紋提花針織物和緯編兩面獨立花紋提花針織物兩種類型。

緯編兩面相似花紋提花針織物正反兩面花型輪廓相同，在織物兩面相對的花型部位呈現不同的提花效果，如圖1所示。圖1（a）是織物正面結構圖，圖1（b）圖是織物反面結構圖，可以看出織物正反兩面的花型輪廓都是四葉草形狀。

緯編兩面獨立花紋提花針織物的正反兩面具有不同的提花效應，僅依靠連接點連接織物的正反兩面，如圖2所示。圖2（a）是織物正面結構圖，表面呈現大花朵的提花效果;圖2（b）是織物反面結構圖，呈現出花葉交織的花紋效果，織物兩面的花型效果不同。

1.2?線圈結構特征

線圈是緯編兩面提花針織物的基本組成部分，且織物兩面均顯示成圈線圈，在上機提花編織的過程中，選中的織針進行成圈編織，形成未變形的線圈;未被選中的織針會進行浮線動作，該位置形成浮線，引起結構形變，導致織物中相鄰線圈受力發生變化，形成變形線圈。

織物中成圈結構實物如圖3所示?？椢镎磧擅婢€圈大小相似、排列均勻，織物中不存在變形線圈。

單針三列浮線結構織物實物如圖4所示，上一路編織的線圈縱向拉伸形成拉長線圈2，拉長線圈下機后發生回縮，引起上下相鄰縱行線圈1和3發生縱向靠近拉長線圈的變形。從圖4可以看出，拉長線圈正反兩面左右相鄰縱行線圈排列整齊，因此可忽略此處浮線結構引起的變形。在浮線結構織物中，研究的線圈變形主要是拉長線圈及其上下相鄰的線圈。

2?前期準備

2.1?測試原理

成圈結構織物基本線圈排列整齊，通過對織物基本線圈的圈距、圈高參數測量，進而確定織物基本線圈質點的相對位置。在實際應用中，織物基本線圈圈距和圈高測量需要借助精密的儀器進行，可以采用織物橫密和織物縱密來近似表示織物的圈距和圈高參數，以此提高線圈圈距圈高參數測量的便捷性?？椢锘揪€圈橫密PA和圈距W的關系式如式（1）所示，織物基本線圈縱密PB和圈高H的關系如式（2）所示：

式中：PA為織物基本線圈橫密，個縱行/5 cm;W為基本線圈圈距，mm;PB為織物基本線圈縱密，個橫列/5 cm;H為基本線圈圈高，mm。

將浮線結構織物每個需要測量的線圈根部作為線圈的質點，代表織物線圈所在位置，將線圈簡化，研究織物線圈變形狀態下的位置關系，從而確定織物線圈的相對位置。由于浮線結構織物研究的變形線圈的位置和數量不同，采用統一的關系式來表示織物變形線圈質點坐標，以此提高模型的科學性和適用性。以浮線結構織物拉長線圈的質點P（x，y）原點，分別引入系數a和b表示變形線圈質點橫、縱坐標值與對應織物基本線圈的圈距W、圈高H的比值，均可以通過關系式和織物線圈實測數據反算求出。采用式（3）（4）來分別表示織物不同變形線圈的質點P（x，y），關系式僅適用于變形線圈：

P（x，y）.x=-W（1-a）拉長線圈左相鄰縱行-Wa拉長線圈縱行W（1-a）拉長線圈右相鄰縱行（3）

織物實際線圈測量的8個點是型值點Pn（x，y），n=1、2、3、4、5、6、7、8，以此描述線圈不同型值點的坐標位置，從而建立線圈的幾何結構，分別定義8個型值點橫、縱坐標值與對應織物基本線圈的圈距W、圈高H的比值為cn和dn，n=1、2、3、4、5、6、7、8。同一個線圈質點坐標和8個型值點坐標之間存在式（5）（6）所示的關系：

式中：cn為織物線圈型值點橫向變形系數，-1≤cn≤1;dn為織物線圈型值點縱向變形系數，-m≤dn≤m。

2.2?測試方法

對緯編線圈進行受力分析，緯編線圈的針編弧和沉降弧與上下左右相鄰縱行線圈接觸并受力，因此將線圈型值點的分布主要位于兩個弧段位置可以表示線圈的結構特征。將研究的線圈根部作為原點，線圈圈距方向作為X軸，線圈圈高方向作為Y軸，沿順時針方向定義型值點編號，將線圈沉降弧和上一橫列線圈重合的水平方向較寬的兩個點定義為P1、P8，將線圈根部兩側紗線中心點定義為P2、P7，將線圈針編弧和下一橫列線圈重合的水平方向較寬的兩個點定義為P3、P6，將線圈針編弧和下一橫列線圈重合的水平方向較窄的兩個點定義為P4、P5。從而確定緯編織物線圈8個型值點的位置分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8，依次測量各個型值點的坐標，確定變形線圈的幾何結構，如圖5所示。

由于提花織物的正反兩面均顯示成圈線圈，且線圈大小相近，尺寸變化不明顯，因此采用無錫微迪光學公司的Dino-lite手持式數碼顯微鏡對織物不同線圈結構進行拍照，然后使用DinoCapture 2.0軟件對拍攝的照片進行相關線圈參數的測量。

成圈結構織物測量基本線圈，即織物表面大小均勻的3×3個線圈;浮線結構織物測量正反線圈比是1︰1的組織部分的線圈是織物表面大小均勻的3×3個線圈，測量正反線圈比是1︰2、1︰3和1︰4的組織部分的線圈是織物正面拉長線圈和以拉長線圈為中心的上下相鄰橫列線圈，即上中下3個線圈。測量成圈結構織物和浮線結構織物基本線圈圈距和圈高參數，確定不同織物樣布基本線圈的大小;以拉長線圈質點為原點，對浮線結構織物進行質點坐標測量;對成圈結構織物和浮線結構織物中線圈的8個型值點坐標進行測量。每款織物相關參數均測量5次，并求平均值。

2.3?樣布開發

為了便于織物線圈的觀察，織物開發時使用的紗線表面應該光滑且無彈，開發樣布使用的機器機號較低，織造的織物線圈較大且排列整齊，易于觀察線圈變形情況。根據實驗條件選擇采用70 tex的白色精梳環錠紡T 65/JC 35紗線在E 16、30″、48F的OVJA 1.6 EE 3/2 WT邁耶西兩面電腦提花機上編織織物。

緯編兩面提花針織物反面呈現全成圈的緯平針織物組織外觀，織物正面根據提花原理進行編織，常見的提花編織循環路數一般在2～4，所以設定織物樣布的正反線圈比為1︰1、1︰2、1︰3和1︰4。將正反線圈比為1︰1的織物組織中未發生變形的線圈定義為基本線圈，浮線結構織物中設計基本線圈的目的是測量該織物的圈距和圈高參數。成圈結構織物主要用于分析未變形的線圈結構，浮線結構織物主要用于分析變形線圈結構及其上下相鄰橫列線圈的關系。

綜上，本文開發的織物類型分為成圈結構和浮線結構2種，成圈結構織物采用羅紋組織，具有正反線圈比為1︰1的結構;浮線結構織物中分別具有正反線圈比為1︰1、1︰2、1︰3和1︰4的結構，開發浮線結構織物結構如圖6所示。

經過水洗定型后，測試兩款織物的基本參數，測量5次并求平均值。成圈結構織物的橫向密度是34.4個縱行/5 cm，縱向密度是47.8個橫行/5 cm;浮線結構織物的橫向密度是36.4個縱行/5 cm，縱向密度是50個橫行/5 cm。

3?模型建立

3.1?成圈結構織物

緯編兩面提花針織物編織時使用的圓機是羅紋對針配置，正面線圈和反面線圈的橫坐標之間的距離相差半個圈距，正面線圈和反面線圈的縱坐標數值相同。通過對成圈結構織物基本線圈橫密和縱密的測量，3×3個線圈位置關系如表1所示，同時確立了浮線結構織物中未變形線圈的質點坐標。

通過對成圈結構織物線圈型值點的坐標測量，從而得出織物每一個基本線圈的幾何結構，結果如表2所示。

在表1確定的織物線圈相對位置的基礎上，引入表2確定的織物線圈的幾何結構，可以得到成圈結構織物的仿真結構模型，如圖7所示。

3.2?浮線結構織物

通過對浮線結構織物正反線圈比1︰1組織部分線圈的橫密和縱密測量，以拉長線圈的質點P（x，y）為中心，反算出織物正面線圈質點坐標關系式系數m、a和b，如表3所示。

從表3可以看出，織物線圈質點橫向變形系數a的變化差異較小，線圈質點縱向變形系數b與正反線圈比m呈正相關關系。再進行正反線圈比1︰2、1︰3和1︰4組織部分中不同線圈型值點坐標測量，以確定變形線圈的幾何結構，結果如表4所示。

通過表3所示織物正面線圈質點坐標關系式系數得到浮線結構織物的線圈相對位置，引入表4中織物正面線圈型值點對應的幾何結構，以拉長線圈質點坐標為原點得到織物正面線圈的仿真結構模型，如圖8所示。

4?結?論

本文研究緯編兩面提花針織物的研究背景、織物結構特征和線圈結構特征，在測試原理的基礎上設計開發成圈結構和浮線結構織物，通過數據分析建立了緯編兩面提花針織物的仿真模型。

1） 本文以實驗測量和關系式反算的方法建立以橫密、縱密、正反線圈比為參數的緯編兩面提花針織物的仿真模型，提供了織物仿真結構模型快速構建的參考。

2） 本文研究的織物組織結構較為簡單，即在織物一面成圈浮線共同編織，另一面固定全成圈編織，今后需要增加織物正反兩面的結構變化來研究織物仿真結構模型。

參考文獻：

[1]沙莎， 蔣高明. 緯編針織物三維模擬技術的研究現狀與發展趨勢[J]. 紡織學報， 2016， 37（11）： 166-172.

SHA Sha， JIANG Gaoming. Research status and development trend of 3-D simulation technology for weft knitted fabric[J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（11）： 166-172.

[2]趙磊. 緯編針織物線圈的三維模擬及變形實現[D]. 武漢： 武漢紡織大學， 2011.

ZHAO Lei. Three-Dimensional Simulation and Deformation Realization of Weft Loop[D]. Wuhan： Wuhan Textile University， 2011.

[3]吳周鏡， 宋暉， 李柏巖， 等. 緯編針織物在計算機中的三維仿真[J]. 東華大學學報（自然科學版）， 2011， 37（2）： 210-214.

WU Zhoujing， SONG Hui， LI Baiyan， et al. 3D simulation of weft knitted fabric in computer[J]. Journal of Donghua University（Natural Science Edition）， 2011， 37（2）： 210-214.

[4]瞿暢， 王君澤， 李波. 緯編針織物基本組織的計算機三維模擬[J]. 紡織學報， 2009， 30（11）： 136-140.

QU Chang， WANG Junze， LI Bo. Computer 3-D simulation on basic structure of weft knitted fabrics[J]. Journal of Textile Research， 2009， 30（11）： 136-140.

[5]楊恩惠， 初曦， 邱華. 緯編針織物導熱性能的有限元仿真[J]. 絲綢， 2020， 57（1）： 31-36.

YANG Enhui， CHU Xi， QIU Hua. Finite element simulation of thermal conductivity of the weft knitted fabric[J]. Journal of Silk， 2020， 57（1）： 31-36.

[6]朱錦繡， 李英琳， 韓芳， 等. 基于矩陣算法的緯編單面提花的三維仿真[J]. 天津紡織科技， 2016（1）： 4-6.

ZHU Jinxiu， LI Yinglin， HAN Fang， et al. Three-dimensional simulation of weft-knitted single-sided jacquard based on matrix algorithm[J]. Tianjin Textile Science and Technology， 2016（1）： 4-6.

[7]汝欣， 彭來湖， 呂明來， 等. 緯編針織物幾何建模及其算法[J]. 紡織學報， 2018， 39（9）： 44-49.

RU Xin， PENG Laihu， L Minglai， et al. Modelling and algorithm of weft knitted fabric[J]. Journal of Textile Research， 2018， 39（9）： 44-49.

[8]鄧逸飛. 基于針織CAD緯編線圈三維仿真技術研究[D]. 武漢： 武漢紡織大學， 2018，.

DENG Yifei. Research on Weft Knitting Loop 3D Simulation Technology Based on Knitting CAD[D]. Wuhan： Wuhan Textile University， 2018.

[9]雷惠， 叢洪蓮， 張愛軍， 等. 基于質點模型的橫編織物結構研究與計算機模擬[J]. 紡織學報， 2015， 36（2）： 43-48.

LEI Hui， CONG Honglian， ZHANG Aijun， et al. Research of flat knitted structure and computer simulation based on particle model[J]. Journal of Textile Research， 2015， 36（2）： 43-48.

[10]雷惠. 橫編織物結構特征研究與外觀真實感模擬[D]. 無錫： 江南大學， 2014.

LEI Hui. The Research of the Structure and the Realistic Simulation of Flat Knitted Fabric[D]. Wuxi： Jiangnan University， 2014.

[11]張永超， 叢洪蓮， 張愛軍， 等. 緯編仿蕾絲織物的設計與仿真[J]. 紡織學報， 2015， 36（7）： 152-156.

ZHANG Yongchao， CONG Honglian， ZHANG Aijun， et al. Design and simulation of weft knitted imitation lace fabric[J]. Journal of Textile Research， 2015， 36（7）： 152-156.

[12]叢洪蓮， 張永超， 張愛軍， 等. 緯編均勻提花針織物仿真結構模型的建立[J]. 紡織學報， 2016， 37（8）： 143-148.

CONG Honglian， ZHANG Yongchao， ZHANG Aijun， et al. Simulation structure model of weft knitted flat jacquard fabrics[J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（8）： 143-148.

[13]沙莎， 蔣高明， 馬丕波， 等. 基于改進彈簧-質點模型的緯編織物三維模擬[J]. 紡織學報， 2015， 36（2）： 111-115.

SHA Sha， JIANG Gaoming， MA Pibo， et al. 3-D simulation of weft knitted fabric based on improved mass-spring model[J]. Journal of Textile Research， 2015， 36（2）： 111-115.

[14]沙莎， 蔣高明， 張愛軍， 等. 緯編針織物線圈建模與變形三維模擬[J]. 紡織學報， 2017， 38（2）： 177-183.

SHA Sha， JIANG Gaoming， ZHANG Aijun， et al. Three dimensional modeling and deformation for weft knitted fabric loops[J]. Journal of Textile Research， 2017， 38（2）： 177-183.