經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對振動性能的影響

楊慧娟，呂志軍，杜趙群

(東華大學(xué) a. 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室； b. 機械工程學(xué)院， 上海 201620)

經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對振動性能的影響

楊慧娟a，呂志軍b，杜趙群a

(東華大學(xué) a. 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室； b. 機械工程學(xué)院， 上海 201620)

摘要：采用敲擊法和模擬地面隨機振動法對坐墊用經(jīng)編間隔織物實施振動力學(xué)性能測量，分析其阻尼比、固有頻率和剛度等振動特征值，并討論該3個振動特征值與經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系.通過敲擊法和模擬地面隨機振動法對試樣施加激勵，由兩個加速度計對輸入和輸出的加速度信號進行測量，獲得加速度-時間曲線，計算試樣的阻尼比、固有頻率和剛度.對試樣振動傳遞性能的分析，可用于指導(dǎo)和改進經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足人們對坐墊舒適性的要求.關(guān)鍵詞： 經(jīng)編間隔織物； 剛度； 共振頻率； 阻尼比； 振動

經(jīng)編間隔織物是一種立體紡織結(jié)構(gòu)材料，由兩個系統(tǒng)的表層織物和連接上、下兩個表層織物的間隔紗構(gòu)成的中間層組成[1-2].經(jīng)編間隔織物中間層的空隙結(jié)構(gòu)賦予其良好的透氣透濕、抗壓回彈、隔音減振、過濾等物理性質(zhì)[3-6]，并廣泛應(yīng)用于服裝、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、建筑、汽車等多個領(lǐng)域[7-9].現(xiàn)有坐墊的填充物主要為聚氨酯等泡沫材料，其不透氣、不透濕，難以滿足長時間乘車的乘客舒適性要求，尤其是體質(zhì)虛弱的老人以及行動不便的殘疾人對舒適性和健康的要求，且泡沫材料制備過程中污染大.而經(jīng)編間隔織物作為坐墊時，其存在傳熱、傳濕的中間層，可保持良好的透通性，提供舒適的微環(huán)境.與經(jīng)編間隔織物相比，聚氨酯泡沫材料的透通性較差，且易造成熱量和濕氣的聚集，讓人產(chǎn)生不適之感[10].但是，經(jīng)編間隔織物在車輛坐墊、輪椅等使用過程中，由于車輛的機械振動和地面的不平坦造成的顛簸，車輛或輪椅運動過程中瞬時的垂直振動頻率與人體固有頻率接近時，導(dǎo)致乘客產(chǎn)生極度的不舒適，甚至產(chǎn)生眩暈、嘔吐等癥狀，特別是年邁體弱的老人，由于振動激烈可能導(dǎo)致傷害.故對坐墊材料而言，動態(tài)振動力學(xué)性能是評價人體乘車坐姿條件下舒適程度的主要性能，其減振性能也是衡量材料作為坐墊而賦予人體舒適性的重要性能，主要與經(jīng)編間隔織物的振動性能有關(guān).

因此，本文設(shè)計不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括間隔絲排列、直徑、墊絲角度、織物的厚度和面密度等)的經(jīng)編間隔織物，實施振動傳遞性能測量，探討經(jīng)編間隔織物結(jié)構(gòu)與振動特征指標(biāo)的相關(guān)性，通過指導(dǎo)合理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其振動傳遞頻率避開人體的固有頻率，賦予乘客坐姿時良好的動態(tài)舒適性.

1試驗

1.1試驗樣品

間隔織物原料的選擇是由最終用途決定的，本文探討的織物性能主要應(yīng)用于坐墊類產(chǎn)品，而間隔絲是主要的受力單元，所以間隔絲應(yīng)采用具有一定抗彎剛度的單絲.本文選用的間隔織物表面層紗線為滌綸復(fù)絲，間隔絲為滌綸單絲.

由于采用單因素進行分析，因此，試樣織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)需具有一定變化規(guī)律.這里選擇17種不同規(guī)格的經(jīng)編間隔織物進行振動對比試驗，其規(guī)格參數(shù)如表1所示.其中，橫密是沿線圈橫列方向5cm的線圈個數(shù)，縱密是沿線圈縱行方向(編織方向)5cm的線圈個數(shù)，網(wǎng)眼數(shù)是織物25cm2內(nèi)的網(wǎng)孔個數(shù)，每種間隔織物的橫密、縱密、網(wǎng)眼數(shù)各測量5次，求平均值；墊絲角度是經(jīng)編間隔織物與間隔絲交點的切線與表面的夾角，測量10次，求平均值；間隔紗排列是由中間兩把梳櫛針背墊紗運動針數(shù)決定，有“X”和“V”兩種形式；面密度是經(jīng)編間隔織物單位面積質(zhì)量，測量5次，求平均值；厚度是經(jīng)編間隔織物上、下表面的距離，測量5次，求平均值；間隔絲直徑采用BEION F16型纖維細度儀采集間隔絲的投影圖像測量，選取20根間隔絲，每根間隔絲上選取5個位置測量，求平均值.

表1　17種經(jīng)編間隔織物規(guī)格參數(shù)

1.2試驗方法

采用GB/T 8169—2008《包裝用緩沖材料振動傳遞性試驗方法》和GB/T 19739—2005《機械振動與沖擊 手臂振動 手臂系統(tǒng)為負載時彈性材料振動傳遞率的測量和評價方法》，對經(jīng)編間隔織物進行振動測試.將織物樣品剪成20cm×20cm的正方形，放置于振動臺面，將質(zhì)量為3kg、直徑為130mm的鐵質(zhì)質(zhì)量塊置于試樣上，質(zhì)量塊上面有直徑為3mm、等距分配的圓孔，內(nèi)層圓孔中心距質(zhì)量塊中心距離為45mm，外層圓孔中心與質(zhì)量塊中心的距離為55mm，用于約束試樣，防止水平移動.用壓電式加速度計測量振動臺面上的加速度和質(zhì)量塊上的加速度，用數(shù)據(jù)采集器對采集的加速度信號進行采集.經(jīng)編間隔織物振動測試示意圖如圖1所示.

圖1　經(jīng)編間隔織物振動測試示意圖Fig.1　　　　Schematic of vibration test of 　　　warp-knitted spacer fabrics

2結(jié)果與分析

2.1阻尼比與阻尼系數(shù)的測量結(jié)果分析

采用敲擊法測量經(jīng)編間隔織物的阻尼性能，敲

擊時采用柔軟的物體敲擊，避免高頻的影響.故本試驗采用橡皮錘敲擊試樣，獲得振動加速度與時間的曲線，如圖2所示.

圖2　試樣振動加速度-時間曲線Fig.2　Vibration acceleration-time curves of samples

經(jīng)編間隔織物的阻尼比ξ與阻尼系數(shù)c由式(1)和(2)計算獲得.

(1)

(2)

式中：δ為對數(shù)減幅率；Ai為第i個波峰的幅值；Ai+N為第i+N個波峰的幅值；k為經(jīng)編間隔織物的壓縮剛度；m為鐵質(zhì)質(zhì)量塊的質(zhì)量，由于質(zhì)量塊質(zhì)量遠大于經(jīng)編間隔織物質(zhì)量，計算中忽略經(jīng)編間隔織物質(zhì)量.試樣的阻尼特征參數(shù)測試結(jié)果如表2所示.

表2　試樣阻尼比和阻尼系數(shù)測試結(jié)果

阻尼橡膠的阻尼比一般為0.05～2.50，聚酯泡沫材料的阻尼比為0.05左右.由表2可以看出，經(jīng)編間隔織物具有較好的阻尼性能，是一種性能優(yōu)異的減振材料.結(jié)合表1中試樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析，可得各參數(shù)對經(jīng)編間隔織物的阻尼性能影響如下所述.

(1) 厚度對阻尼性能的影響.試樣1，2，3的厚度分別13.23，9.10，6.27mm，阻尼比分別為0.145， 0.105，0.092，由此可以看出，隨著織物厚度的減小，其阻尼比逐漸降低.文獻[11]推導(dǎo)出織物的壓應(yīng)力與厚度的二次方倒數(shù)成正比例關(guān)系，即間隔距離越大，間隔絲的不穩(wěn)定性能增加，間隔絲越容易發(fā)生彎曲變形，其抗壓彈性越差，則消耗能量的彎曲變形越大，阻尼比越大.

(2) 間隔絲排列形式對阻尼性能的影響.試樣4和7間隔絲的排列分別為V形和X形，阻尼比分別為0.121和0.132，由此可以看出，間隔絲呈X形式排列的要比V形排列的織物的阻尼比大.當(dāng)間隔絲呈X形排列時，兩表面間的間隔絲交叉形成了雙鋸齒形，織物抗壓彈性好，但織物表層結(jié)構(gòu)與間隔絲的干摩擦阻尼以及間隔絲間的黏滯阻尼增加，使阻尼比增大.

(3) 墊紗角度對阻尼性能的影響.試樣15，14，16的墊紗角度分別為44.9°，31.5°，18.9°，阻尼比分別為0.134，0.114，0.093，由此可以看出，墊紗角度越大，阻尼比越大.這是因為隨著墊紗角度的減小，間隔絲沿軸向的角度增大，間隔絲所受內(nèi)部空氣作用產(chǎn)生的黏滯阻尼的作用面減小，阻尼比減小.

(4) 間隔絲面密度對阻尼性能的影響.間隔絲面密度是織物單位面積上間隔絲的質(zhì)量，與單位面積上間隔絲的根數(shù)成正比，由于間隔織物其他結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同，在此采用間隔織物的面密度代替間隔絲面密度.試樣15和17的面密度分別為552.5和1164.8g/m2， 阻尼比分別為0.134和0.172，由此可以看出，隨著面密度增大，阻尼比增大.這是由于間隔織物面密度越大，單位面積內(nèi)間隔絲的根數(shù)越多，間隔絲間的黏滯阻尼及表層結(jié)構(gòu)與間隔絲間的干摩擦阻尼越大，阻尼比越大.

(5) 間隔絲直徑對阻尼性能的影響.試樣3，12，6和8，9的間隔絲直徑分別為190.0，167.6，132.6μm和157.3，180.9μm，阻尼比分別為0.092，0.089，0.078 和0.109，0.155，由此可以看出，隨著間隔絲直徑的增加，阻尼比增大.間隔絲直徑越大，受到力的作用時單根間隔絲能夠承受的力越大，消耗能量的彎曲變形越大，阻尼比越大.

(6) 織物不同結(jié)構(gòu)對阻尼性能的影響.試樣5，10，11，13的直徑、面密度、厚度、間隔絲排列形式、直徑、墊紗角度各不相同，其阻尼比分別為0.126，0.089，0.081，0.161，由此可以看出，織物不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對其阻尼性能的交叉影響.

2.2系統(tǒng)共振頻率與剛度的測量結(jié)果分析

本文采用模擬地面隨機振動法測量分析系統(tǒng)的振動頻率以及間隔織物的剛度.通過傅里葉變換，將測量得到的加速度-時間曲線轉(zhuǎn)換成加速度-頻率曲線，采用輸出加速度與輸入加速度的比值來表征加速度傳遞系數(shù)，畫出頻率-加速度傳遞系數(shù)的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示.

圖3　試樣振動加速度傳遞系數(shù)-頻率曲線Fig.3　　　　Vibration acceleration transmissibility-frequency　　　curves of samples

由圖3可知，間隔織物加速度傳遞系數(shù)較大，最大加速度傳遞系數(shù)對應(yīng)的是系統(tǒng)加速度共振頻率，頻率范圍集中在25～45Hz.振動位移、速度、加速度的幅值各自達到極值時的情況稱為共振，3種共振頻率是不同的，只有速度共振頻率等于系統(tǒng)固有頻率.達到共振時系統(tǒng)固有頻率與加速度共振頻率關(guān)系為

(3)

式中：m為質(zhì)量塊質(zhì)量；ωn為系統(tǒng)固有圓頻率；ω為系統(tǒng)加速度共振圓頻率；fn和f分別為系統(tǒng)固有頻率和系統(tǒng)加速度共振頻率.由于質(zhì)量塊質(zhì)量遠大于間隔織物質(zhì)量，在計算時忽略織物質(zhì)量.試樣剛度、共振頻率與固有頻率測試結(jié)果如表3所示.

表3　試樣剛度、共振頻率與固有頻率測試結(jié)果

由表3可以看出，間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對其固有頻率、剛度具有顯著影響.各結(jié)構(gòu)參數(shù)對經(jīng)編間隔織物固有頻率、剛度的影響如下所述.

(1) 間隔織物面密度對其固有頻率、剛度的影響.試樣15和17的面密度分別為552.5和1164.8g/m2， 間隔織物固有頻率分別為36.27和45.66Hz，剛度分別為12.981×104和20.364×104N/m，由此可以看出，隨著間隔織物面密度增大，其固有頻率和剛度也增大.這是由于間隔織物面密度越大，單位面積內(nèi)承受外力的間隔絲根數(shù)越多，間隔織物抗壓彈性越好，固有頻率越大，剛度也越大.

(2) 間隔絲墊紗角度對間隔織物固有頻率、剛度的影響.試樣15，14，16的墊紗角度分別為44.9°，31.5°，18.9°，間隔織物固有頻率分別為36.27，32.01，31.97Hz，剛度分別為12.981×104,10.109×104，9.465×104N/m，阻尼比分別為0.134，0.114，0.093，由此可以看出，間隔絲墊紗角度越小，固有頻率越小，剛度越小.間隔織物的振動傳遞性能主要是由于間隔絲在外部激勵下沿著間隔絲軸向的彎曲變形引起的，隨著間隔絲墊紗角度的減小，則間隔絲沿軸向的角度增大，因此當(dāng)外力作用于間隔織物時，沿著間隔絲軸向的分力減小，垂直方向的有效承載面積減小，間隔織物抗壓彈性變差，剛度和固有頻率均減小.

(3) 間隔絲排列形式對間隔織物固有頻率、剛度的影響.試樣4和7間隔絲的排列分別為V形、X形，固有頻率分別為30.54和34.14Hz，剛度分別為11.046×104和 13.804×104N/m，由此可以看出，間隔絲呈X形排列的間隔織物的固有頻率和剛度要比V形排列的大.當(dāng)間隔絲呈X形排列時，兩表面間的間隔絲交叉形成了雙鋸齒形，間隔織物穩(wěn)定性能好，抗壓彈性好，剛度和固有頻率均增大.

(4) 厚度對間隔織物固有頻率、剛度的影響.試樣1，2，3的厚度分別13.23，9.10，6.27mm，固有頻率分別為27.65，35.60，41.39Hz，剛度分別為9.055×104，15.010×104,20.290×104N/m，由此可以看出，隨著織物厚度的增加，其固有頻率逐漸降低，剛度逐漸減小.間隔織物越厚，間隔絲的不穩(wěn)定性能增加，間隔絲越容易發(fā)生彎曲變形，其抗壓彈性越差，剛度越小，固有頻率也越小.

(5) 間隔絲直徑對間隔織物固有頻率、剛度的影響.試樣3，12，6和8，9的間隔絲直徑分別為190.0，167.6，132.6μm和157.3，180.9μm，固有頻率分別為41.39，36.23，34.29Hz和30.99，34.09Hz，剛度分別為20.290×104,15.033×104,13.926×104N/m和11.374×104,13.764×104N/m，由此可以看出，隨著間隔絲直徑的增加，剛度和固有頻率均增大.間隔絲直徑越大，受到力的作用時單根間隔絲能夠承受的力越大，其壓彈性越好，剛度越大，固有頻率越大.

(6) 織物不同結(jié)構(gòu)對其固有頻率、剛度的影響.試樣5，10，11，13間隔織物的直徑、面密度、厚度、間隔絲排列形式、直徑、墊紗角度各不相同，其固有頻率分別為22.68，29.89，32.29，28.24Hz，剛度分別為6.092×104，10.581×104，12.349×104，7.160×104N/m，由此可以看出，織物不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對其固有頻率和剛度的交叉影響.

3結(jié)語

本文采用敲擊法和模擬地面隨機振動法對經(jīng)編間隔織物施加激勵振動試驗測量，計算了間隔織物的共振頻率、剛度以及阻尼比，分析了織物基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與共振頻率、剛度以及阻尼比的關(guān)系.采用敲擊法獲得阻尼比與間隔織物結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系：間隔織物厚度越大，其阻尼比越大；間隔絲呈X形式排列的要比V形排列的織物的阻尼比大；間隔絲墊紗角度越大，阻尼比越大；織物面密度越大，阻尼比越大；間隔絲直徑越大，阻尼比越大.試樣阻尼比范圍為0.081～0.172， 表明間隔織物是一種性能較好的緩沖材料.采用模擬地面隨機振動法獲得固有頻率和剛度與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系：間隔織物面密度越大，其固有頻率和剛度越大；間隔絲墊紗角度越小，固有頻率和剛度越??；間隔絲呈X形式排列的間隔織物的固有頻率和剛度要比V形排列的大；間隔織物厚度越大，固有頻率和剛度越??；間隔絲直徑越大，固有頻率和剛度越大.間隔織物試樣的固有頻率范圍為25～45Hz，剛度范圍為6.0×104～2.0×105N/m.間隔織物作為坐墊材料時，應(yīng)通過合理設(shè)計其結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免由坐墊傳遞到人體的頻率與人體比較敏感的頻率范圍重合，減小共振的發(fā)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

文章編號：1671-0444(2016)02-0208-05

收稿日期：2015-03-24

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(11272086, 51203022)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2232014A3-02)；東華大學(xué)“勵志計劃”資助項目(B201307)

作者簡介：楊慧娟(1989—)，女，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為功能防護紡織材料的結(jié)構(gòu)與性能.E-mail：2130113@mail.dhu.edu.cn 杜趙群(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail：duzq@dhu.edu.cn

中圖分類號：TS 101.3

文獻標(biāo)志碼：A