經編間隔鞋材設計與三維仿真

楊美玲, 蔣高明, 王 婷, 李炳賢

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

隨著人們將酷愛運動視為一種時尚,運動鞋類產品的消費需求快速遞增,針織運動鞋因其透氣柔軟、可一次成形、延伸性好且環保,區別于傳統皮質運動鞋而成為研究應用熱點。其中經編3層針織鞋材因自身空隙大、塑形性好而得到廣泛應用,經編3層鞋材織物,也稱為三明治結構鞋用織物,用雙針床拉舍爾經編機形成底層、中間間隔層、表層3層的立體空間結構,使其有著良好的壓縮回復能力、散熱散濕、減震的特點,且在耐洗性、耐老化性等方面也表現優異[1-2]。

目前關于鞋用間隔織物的結構力學方面研究主要集中在復合材料抗沖擊性能、拉伸性能;仿真主要集中在工藝流程與花型設計上[3-4];關于不同網眼間隔織物真實感仿真的研究相對較少。

本文介紹了經編間隔鞋材的結構與功能區域劃分,建立墊紗、穿紗及線圈模型,探討了基本線圈受力偏移現象;在此基礎上對幾種典型網眼間隔鞋材進行結構與工藝設計,并在CAD系統上進行真實感仿真,達到在設計這類鞋材面料時既能看到織物外觀特征也能看清細微結構的目的,提高產品的設計效率,使仿真更加真實。

1 間隔鞋材結構與分類

1.1 鞋面功能區域分布

目前間隔織物廣泛應用于運動鞋中,包括鞋面與鞋襯墊織物。鞋襯墊起著緩沖腳力減少疲勞的作用;鞋面因運動需求設計不同功能區域,應用不同結構和網眼大小的間隔織物[5]。圖1示出運動鞋面功能區分布。可看到共分6個區:A區需要具有較好的透氣性,可采用大網眼;B、C腳趾帽和腳后跟區域一般為小網眼;D區通常采用緊密織物結構以提供良好的強度。

圖1 鞋面功能區分布Fig. 1 Functional region distribution of upper

1.2 間隔鞋材細觀結構

間隔織物屬于3層三維立體空間構造,面層與底層之間存在著由間隔絲支撐的大容積空間,間隔層通常采用V字形和1×1字形的組織結構間隔絲[6-7]。

圖2示出間隔鞋材結構。由圖可看到,4把梳櫛GB1、GB2、GB3和GB4分別通過位于機前和機后的經軸進行供紗,其中GB1、GB2在前針床編織面層織物,即織物的服用效應面;GB3為間隔梳,常用單絲在前后針床輪流墊紗成圈,連接并支撐上下表層織物;GB4在后針床編織底層織物,重經組織可在面層、底層應用,網眼與花紋只在面層或底層形成。

圖2 間隔鞋材結構Fig. 2 Spacer shoe constructs

2 經編間隔織物數學模型

經編組織是經編針織物外觀結構和性能的基礎[8-9],主要取決于梳櫛數、導紗針的橫移及穿經規律等。為方便該類間隔織物在計算機上的設計與仿真的有效實現,需要建立相應工藝的矩陣模型。

2.1 墊紗數碼的數學模型

在拉舍爾雙針床經編機中,從機前觀察時橫移機構一般位于經編機的右側,控制導紗梳櫛對織針的墊紗[10-11]。用自然數組成織針橫移的墊紗數碼,雙針床織物的一個橫列是由前后針床分別成圈而成。由4個墊紗數碼組成,對于采用K把梳櫛編織橫列數為M列的雙針床間隔織物可使用墊紗數碼矩陣WKM4=w(s,u,4)表示。如建立相應的矩陣Wsu4表示具體的墊紗運動:

(1)

式中:s∈{1,2,3,…,K}表示第s把梳櫛;u∈{1,2,3,…,M}表示第u個橫列。

根據前后針床針前墊紗規律來定義編織動作:

(2)

2.2 穿經循環的數學模型

穿經循環反映導紗梳櫛中所穿紗線類型及紗線排列的情況,采用不同種類紗線或不同紗線排列方法會產生不一樣的布面效果[12]。間隔織物的布面效果與梳櫛的穿經循環有著密切的聯系,可采用二維數學矩陣BKL=b(s,l)來表達不同梳櫛的穿紗規律:

(3)

3 間隔織物鞋材的線圈結構與偏移

根據該類織物的線圈種類,通過對實際線圈的尺寸測量,建立相應的基本線圈、重經線圈、間隔線圈模型以及襯緯模型,并對其進行力學分析。

3.1 線圈結構模型

3.1.1 基本線圈模型

雙針床經編間隔織物的前后2面都存在線圈結構,在單面編織的線圈相當于單針床成圈組織結構,假設延展線呈直線狀態,則構建線圈主干模型即可,因此采用單針床8點線圈模型表示雙針床單面編織層的基本組織單位,其中間隔絲線圈也屬于基本線圈,由于牽拉機構的作用,同橫列線圈并非在相同高度上,前后線圈高度約相差半個圈高。

圖3示出基本線圈模型。圖中:P1位置由前一橫列確定;P8位置由后一橫列決定;a、b、c為3種進入點P1的位置;d、e、f為3種線圈出點P8的位置,若線圈呈間隔絲形態,導紗針在前后2個針床上輪流墊紗,則P1、P82點在z軸偏移值不同。

圖3 基本線圈模型Fig. 3 Basic loop model

3.1.2 重經線圈模型

間隔鞋材中重經組織結構的優點是線圈結構兼有經編和緯編組織的特性,同行列2個單針線圈以類似緯編沉降弧連接,上下行列間以經編延展線形式相連。重經線圈1個基本組織單元是由1個沉降弧、2個線圈主干以及1根延展線形成的,如圖4所示。在編織時1個行列中同時成圈的2個線圈在z方向上的位置不同,與前一橫列相連的線圈A1、B1處于外層,與后一橫列相連的線圈A2、B2被下枚織針所成的線圈覆蓋在里層,形成疊加效應。

圖4 重經線圈模型Fig. 4 Heavy trans loop model

其中重經單元線圈模型采用一個線圈8個形值點共16個控制點來定義線圈模型,W為線圈圈距, 2個線圈的中心軸在z方向上的間隔距離為1個紗線直徑。從延展線墊紗數碼方面分析,可歸納為表1所示的5種重經結構:D(j)=F1(j)-F0(j)表示當前橫列針前墊紗數碼的差值;U(j)=B0(j+1)-B1(j)表示下一橫列與當前橫列針背墊紗數碼的差值;r、t為任意1個橫列。

表1 重經組織分類Tab. 1 Heavy transdermal fabric classification

3.1.3 襯緯模型

在間隔鞋材織物中,可利用襯緯組織與編鏈組織形成變化網眼織物效應。圖5示出單行列襯緯模型。在相鄰2個織針中間根據襯緯所居位置分為 3類襯緯模型:1)織針右襯緯,表現為在2織針中間靠近左織針;2)中間襯緯,居于中心垂直線;3)織針左襯緯,表現為在2織針中間靠近右織針。襯緯模型采取2個P1、P2形值點定位不同縱行襯緯固定位置使延展線自然連接。

圖5 襯緯模型Fig. 5 Latitude lining model

3.2 線圈受力分析

3.2.1 重經線圈受力分析

重經線圈的結構特征與基本成圈組織不同,對重經組織編織層同行列的2個線圈進行受力分析,因線圈偏移受制約因素較多,本次研究只考慮線圈受沉降弧與延展線拉力橫向移動,來判斷其在真實編織時所產生的偏移。圖6示出重經線圈受力分析圖。

圖6 重經線圈受力分析Fig. 6 Loop force analysis on heavy transdermal

圖中因重經梳櫛空穿形成的網眼,在上下間隔6個圈高6h之間,其左右2個縱行為單線圈形式無線圈疊加,現對于線圈根部m、n2個部位進行受力分析,其中m、n處受到短延展線拉力F1、F3與沉降弧張力F2、F4作用,同理x、y點處受到長延展線F5、F7拉力和沉降弧張力F6、F8作用,利用三角函數定理求其合力則應為

(4)

式中:F2、F4、F6與F8均為重經2個線圈之間的沉降弧對m、n、x、y4點所施加的張力,故F2=-F4=-F6=F8。且m、n2點最終所受合力Fa、Fb大小相等,方向相反,使m點所在縱行整體向右偏移,n點所在縱行整體向左偏移,x、y點受力方式不同,合力方向仍然相反,2點存在向中間靠攏趨勢,故仿真形成較為明顯的橢圓形網眼結構。

3.2.2 間隔絲線圈受力分析

在實際編織中,間隔絲前后針床線圈所受張力來自對面針床連接延展線的線圈,此張力矢量為三維向量,轉化為x軸方向所受合力即可計算線圈橫向偏移量。圖7示出間隔絲線圈受力情況。圖中建立三維坐標,對間隔絲進行立體線圈模型構建,前針床線圈根部E處受到Fq和Fj2個后針床線圈延展線施加的拉力,計算E點所受合力為

(5)

式中:F3為E點張力合力;β1、β2為2個力與在z方向平面的影射力夾角,分別為影射張力與x軸所在平面的夾角;de為偏移量;k3為整體張力系數。

圖7 間隔絲線圈受力分析Fig. 7 Force analysis on spacer filament loop

4 間隔鞋材織物設計與仿真實現

在對間隔鞋材織物結構與線圈模型的精準定位基礎上,設計3種間隔鞋材織物工藝,利用相應經編機編織實物,與通過虛擬仿真而成的仿真圖形成對比,驗證仿真效果。

4.1 間隔鞋材織物設計

4.1.1 重經網眼間隔鞋材織物設計

重經組織因其一行列連續成圈可廣泛應用于織物的底梳,形成整片平紋或網眼織物,減少梳櫛的應用,重經鞋材設計工藝參數如表2所示。

表2 重經鞋材工藝參數Tab. 2 Process parameters for heavy cross spaced shoe fabric

該織物用5把梳櫛織成。GB1、GB2通過變化經絨組織帶空穿形式構建具有斜向網孔的面層;2把間隔梳形成前后連接,并利用一梳GB5滿穿重經組織編織網眼間隔鞋材的密實底部層,原料為滌綸,GB1、GB2紗線線密度和孔數較大,且穿經循環為二穿二空和一空二穿一空,其它梳櫛為滿穿。

4.1.2 雙面網眼間隔鞋材織物設計

對透氣性功能要求高的鞋材如涼鞋、薄款運動鞋上,較常采用鏤空雙面網眼結構面料以滿足舒適與塑形需求,一款雙面網眼鞋材的工藝參數如表3所示。

表3 重經織物工藝參數Tab. 3 Fabric process parameters of heavy cross

GB1、GB2梳櫛在織物效應正面經過變形形成網孔結構,GB3、GB4構成前后針床連接間隔絲結構,GB5、GB6同樣采用面層相同組織形成雙面網眼底層。

4.1.3 花式網眼間隔鞋材織物設計

網眼間隔鞋材織物生產中,可通過不同梳櫛之間的對稱墊紗達到類似賈卡的花紋效應。例如采用變化經平組織加上對稱墊紗可形成菱形或者方塊形花紋織物,具體工藝設計參數如表4所示。

表4 織物工藝參數Tab. 4 Fabric process parameters

生產中GB1、GB2、GB3、GB4選擇較粗有光澤紗線利用變化經平+經斜組織在間隔鞋材面層形成交叉菱形網眼,提高鞋材的立體和厚實感;GB5為單絲間隔絲;GB6、GB7在底層形成緊密組織。

4.2 仿真實現

根據上述間隔鞋用織物結構設計、線圈模型構建、偏移受力分析推導,選擇合適的工藝結構與紗線原料,利用C#和JavaScript編程語言對產品進行工藝參數讀取、梳櫛屬性設置,構建了8控制點線圈模型,利用牛頓力學第二定律求解的受力公式,模擬真實間隔織物受內力相互約制的結構形態,最終實現不同網眼間隔鞋材的三維虛擬仿真。圖8示出3種鞋材的實物圖和仿真圖。

圖8 3種鞋材的實物圖與仿真圖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 結 論

本文研究了間隔鞋材織物的結構特征,深入分析了經編間隔鞋材線圈結構形態與仿真模型,并提出了一種重經間隔鞋材的設計方法。

1)從間隔鞋用織物的結構和功能入手,劃分鞋面功能區并探討間隔織物在鞋材中的應用和編織原理。對于各種鞋材重經單元組織根據延展線走向進行分析,構建了相關的墊紗與穿紗數學模型,進而形象表達不同間隔鞋材的工藝編織方式。

2)在墊紗模型的基礎上,逐步構建了雙針床鞋材重經線圈、間隔絲線圈以及襯緯模型和線圈受力分析仿真模型。

3)基于相關模型構建的基礎上,進行鏤空以及花紋網眼等效應的間隔鞋材織物的工藝設計,并借助JavaScript和C#語言進行計算機編程,實現三維仿真,提高了間隔鞋材織物的工藝多樣化與仿真效果,為3層結構鞋材虛擬展示提供可靠的技術支撐。