（紡織工程專業(yè)論文）平紋機織物強力的計算機模擬計算[紡織工程專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

摘要 本文主要研究了如何運用計算機來模擬織物中紗線的斷裂過程，預測計算織 物的拉伸斷裂強力。對紡織品而言，纖維、紗線的強度是以弱環(huán)定理為基礎(chǔ)的， 纖維、紗線的強度強力分布可以用w e i b u l l 分布函數(shù)來描述。 本文是以平紋織物為基礎(chǔ)，然后拓展到斜紋和緞紋織物。根據(jù)織物拉伸斷裂 前后織物中紗線的截面形狀的變化，建立數(shù)學模型，計算出經(jīng)緯紗線交織點之間 摩擦力，進而可以計算出織物的失效長度。失效長度來源于復合材料中的臨界長 度這一概念，失效長度是織物強力預測的基礎(chǔ)。失效長度這一概念的引入為解決 計算機模擬織物的拉伸斷裂強力問題提供了方便，使織物的拉伸斷裂模型能夠更 好地與實際織物的拉伸斷裂過程相吻合。 織物中紗線的斷裂造成紗線應力集中，應力分配方法就是纖維或者紗線斷裂 過程中應力分配的法則，在本論文中主要應用剪滯分配法，因為它更貼近織物拉 伸斷裂過程中紗線應力的分配。 紗線的斷裂條件是通過紗線實際承擔的載荷與紗線的名義強力比較得到的， 當前者大于后者，符合紗線的斷裂條件，那么紗線斷裂：當前者小于后者，那么 不符合紗線的斷裂條件，就必須增加織物兩端的載荷，直到使得紗線實際承擔的 載荷大于紗線的名義強力，符合紗線的斷裂條件為止?？椢飪啥耸┘拥妮d荷，就 是本文中織物的拉伸斷裂強力值。在紗線斷裂的比較過程中，主要有兩種方法， 一維斷裂法和二維斷裂法。這是本論文的主要部分。 把數(shù)學模型用計算機語言刻畫出來，本論文中用v b 語言編寫程序進行模擬。 在本論文中程序主要由下面幾模塊組成：數(shù)據(jù)預備模塊、強力轉(zhuǎn)換模塊、失效長 度的計算模塊、紗線斷裂條件比較模塊、織物的強力值修正模塊等。 本文尋找一種新的方法來計算和預測織物的拉伸斷裂強力，同時，記錄織物 中紗線的斷裂順序。通過研究發(fā)現(xiàn)，用計算機來模擬機織物的強力方法是可行的， 不但節(jié)約時間和原料，而且可以在織物織造前來設計織物強力，運用本文的方法 可以按照實際需要來設計織物的強力，而且可以用該法來模擬織物的拉伸斷裂過 程中紗線斷裂的先后順序。 碩士研究生姜洪雷( 紡織工程) 指導教師陳國華教授 關(guān)鍵詞：織物的強力；w e i b u l l 分布函數(shù)；應力分配因子；結(jié)構(gòu)參數(shù)； 失效長度；計算機模擬 a b s t r a c t i nt h ep a p e r , t h ea r t i c l em a i n l yr e s e a r c ht h a th o wt os i m u l a t ea n dc a l c u l a t ef a b r i c s t r e n g t h s of a ra sf a b r i ci sc o n c e r n e d ，f i b e ra n dy a r ns t r e n g t hi sd e t e r m i n e db yt h e i r f e e b l es p o t ，o nt h eb a s i sw ec h o o s ew e i b u l ld i s t r i b u t i o nt oa n a l y z ea n de s t i m a t ey a r n s t r e n g t hd i s t r i b u t i o n a tf i r s t ，f a b r i c s t r e n g t hi sp r i n c i p a l l yr e s e a r c h e do nt h ef o u n d a t i o no ft h e p l a i n w o v e n ，t h e ne x t e n d e da n da p p l i e dt ot w i l lf a b r i ca n ds a t i nf a b r i c a c c o r d i n gt o t h et r a n s f o r m a t i o no fy a mc r o s ss e c t i o n ，t h ey a r nc r o s ss e c t i o nm o d e li sf o u n d e d ，t h e f o r m u l a sa r ed e d u c e df r o mt h e s e t h e nw ec a nc a l c u l a t ef a b r i cf r i c t i o nb e t w e e n w a r p a n dw e f t i nt h ee n d ，t h ec r i t i c a ll e n g t hi s g a i n e d t h ec o n c e p to fc r i t i c a ll e n g t hi s f r o mc o m p o s i t em a t e r i a l ，i ti st h eb a s i so f p r e d i c t i o no ff a b r i cs t r e n g t h c r i t i c a ll e n g t h p r o v i d e sc o n v e n i e n c ef o rp r e d i c t i o no ff a b r i cs t r e n g t h 。 s t r e s sc o n c e n t r a t i o ni sd u et oy a mr u p t u r e ，h o wt od i s t r i b u t es t r e s so fy a mi so n e o ft h ep r o p o s eo ft h ea r t i c l e s h a r e l a ga n a l y s i si su s e dw i d e l y b e c a u s es h a r e l a g a n a l y s i sa c c o r d sw i t ht h er u p t u r ep r o c e s so fy a m t h er u p t u r ec o n d i t i o no fy a mi sc o n f i r m e d ，b yc o m p a r i n gy a mf a c t u a ll o a da n d y a mn o m i n a ll o a d i fy a mf a c t u a ll o a di sm o r et h a ny a mn o m i n a ll o a d ，y a mi s d a m a g e df i n a l l y i fy a mf a c t u a ll o a di sl e s st h a ny a mn o m i n a ll o a d ，y a mi sn o t d a m a g e d ，t h ee x t e r i o rl o a dn e e d st ob ea d d e dg r a d u a l l y t h e r ea r et w ow a y s ， o n e - d i m e n s i o n a l r u p t u r e m e t h o da n dt w o d i m e n s i o n a l r u p t u r e m e t h o d t w o d i m e n s i o n a lr u p t u r em e t h o di sm o s t l ys t u d i e di nt h ep a p e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sr e p r e s e n t e da n df i g u r e db yc o m p i l i n gc o m p u t e r p r o g r a m v bl a n g u a g ei s u s e di nt h ep r o c e s s t h e p r o g r a m sc o n s i s to fd a t a p r e p a r a t i v em o d u l e ，s t r e n g t hc o n v e r s i o nm o d u l e ，w e i b u l ld i s t r i b u t i o nm o d u l e ，y a r n r u p t u r em o d u l e ，f a b r i cs t r e n g t ha m e n d i n gm o d u l ea n ds oo n an e wm e t h o da b o u ts i m u l a t i n gf a b r i c s t r e n g t hi s f o u n d e db yt h eu s eo f c o m p u t e r t h r o u g hr e s e a r c h ，w ek n o wt h a tt h em e a n si sr e l i a b l ea n de x a c t b e s i d e s s a v i n gt i m ea n d r a wm a t e r i a l ，w em a yu s et h em e t h o dt od e s i g na n de s t i m a t ef a b r i c s t r e n g t hb e f o r ew e a v i n g ，w ec a l ld e s i g nf a b r i cs t r e n g t ha c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ln e e d ， d u r i n gt h ec o u r s e ，a n dt h es e q u e n c eo ft h ed e s t r o y e dy a mi sk n o w no nt h es c r e e n g r a d u a t es t u d e n t ：j i a n gh o n g l e i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e ng u o h u ap r o f e s s o r k e y w o r d s ：f a b r i cs t r e n g t h ；w e i b u i ld i s t r i b u t i o n ；s t r u c t u r ep a r a m e t e r ；s t r e s s g e n e ；c r i t i c a ll e n g t h ；c o mp u t e rs i m u l a t i o n 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學位論文系本人在導師指導下獨立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明確標注或得到許可。論文內(nèi)容未包含法律意義上 已屬于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他學位申請的論文或成 果。 本人如違反上述聲明，愿意承擔由此引發(fā)的一切責任和后果。 論文作者簽名：蘭法雷 日期艿年月f 弓日 學位論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 本人在導師指導下所完成的學位論文及相關(guān)的職務作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬學校。 學校享有以任何方式發(fā)表，復制、公開閱覽、借閱以及申請專利等權(quán)利。本人離校 后發(fā)表或使用學位論文或與該論文直接相關(guān)的學術(shù)論文或成果時，署名單位仍然為 青島大學 本學位論文屬于： 保密口，在二年解密后適用于本聲明。 不保密口 ( 請在以上方框內(nèi)打“ ” ) 論文作者簽名： 日期：e 年6 月房日 導師簽名：叩們7 唧 嘣：一降月們 、 i ( 本聲明的版權(quán)歸青島大學所有，未經(jīng)許可，任何單位及任何個人不得擅自使用) 青島大學碩士學位論文 第一章緒論 1 - 1引言 隨著科技與社會的進步，在人類與自然做斗爭的實踐中，紡織生產(chǎn)技術(shù)和紡織 品品質(zhì)不斷得到提高和發(fā)展。紡織工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要部門，紡織品是重要的生 活必需品，是體現(xiàn)國家經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要指標之一?，F(xiàn)代社會，人們 對織物的服用性能提出了更高的要求，織物的拉伸、耐磨、撕裂、懸垂等各項性能 直接影響到織物的服用性能。 織物( 包括機織物、針織物以及各種非織造布等) 的損壞因素很多，其中最基 本的就是拉伸、彎曲、壓縮與摩擦等機械強力作用n 1 ?？椢锏臋C械性能包括拉伸性 能、撕裂性能和頂破性能等。在本文主要研究的是織物的拉伸斷裂強力。 織物的強度是紡織品的一個重要的指標，不管是人們?nèi)粘４┲玫募徔椘?，還 是產(chǎn)業(yè)用紡織品或家用紡織品等等。但是，通常在生產(chǎn)或者設計織物的時候，不能 預見織物的強力，只能通過制作小樣以后，對實物的強力進行測定。所以，紡織產(chǎn) 品的強度預測就成為一個重要的課題。 通常所說的強力，一般是指的是織物的平均強力，但是纖維、紗線及織物等它 們的強力具有很強的分散性，僅用它們的平均強力來進行描述是不準確的，不可靠 的，依靠紡織產(chǎn)品的強力均值來預測產(chǎn)品的最終強力，存在著固有誤差。在對產(chǎn)品 質(zhì)量要求越來越高的現(xiàn)代社會，找到一種能準確計算各種紡織品強力的方法是非常 必要的。要計算紗線或織物的強力，必須清楚其斷裂過程，如由紗線強力推導計算 織物強力，織物的斷裂過程是較弱的紗線首先斷裂，之后載荷在相關(guān)的紗線上重新 分配，然后，其它完好的紗線中較弱的紗線再次斷裂，這個過程反復進行直到織物 斷裂。顯然，織物的強力小于各根紗線強力的簡單相加。為了更準確的分析紗線和 織物強力之間的關(guān)系，必須從微觀入手，建立斷裂模型。 影響織物的拉伸斷裂強度的因素主要有：( 1 ) 織物的密度和織物的組織的影響， 當機織物經(jīng)緯密度同時變化或任一系統(tǒng)的密度改變時候，織物的強度也隨之改變。 若經(jīng)向密度不變，僅使緯向密度增加，則織物中緯向強度增加，而經(jīng)向強度有下降 的趨勢。應該指出，對某一品種的織物而言，經(jīng)緯密度都有一極限值，經(jīng)緯密度在 某一極限值內(nèi)，可能對織物的強度有利，若超過某一極限值，由于密度的增加后紗 線所受的張力、反復作用的次數(shù)以及屈曲程度的過分增加，將會給織物帶來不利的 影響d 1 。( 2 ) 紗線的特數(shù)和結(jié)構(gòu)的影響，在織物的組織和密度相同的條件下，用特數(shù) 大的紗線織造的織物，其強度比特數(shù)小的為高。很明顯，這是由于特數(shù)大的紗線強 力較大，并且由特數(shù)大的紗線織成相同密度的織物，其緊度較大，織物較厚，斷面 第一章緒論 積大，經(jīng)緯紗之間的接觸面積增加，纖維間的摩擦力增大，使織物強度提高。紗線 的結(jié)構(gòu)主要包括紗線的捻度和紗線的捻向。紗線捻度對織物強度的作用包含著兩個 互相對立的兩個方面。當紗線捻度在臨界捻度以下，在一定范圍內(nèi)，增加紗線的捻 度，織物的強度有提高的趨勢；當紗線的捻度接近臨界捻度時候，織物的強度明顯 下降。紗線的捻向，通常從影響織物的光澤考慮較多，但也與織物的強度有關(guān)。( 3 ) 纖維的品種與混紡比的影響，織物的結(jié)構(gòu)因素基本相同時候，織物的紗線的強度利 用的系數(shù)大致保持穩(wěn)定，紗線中纖維強度利用程度的差異也在一定的范圍內(nèi)，因此 纖維的品種是織物強伸性能的決定因素。纖維的混紡比也對織物的強力有一定的影 響。在本文中主要是對純棉平紋機織物，在不同特數(shù)的紗線和不同密度的織物等條 件下對織物的拉伸斷裂強力進行研究。 在實驗室中，織物的強力一般用擺錘式織物強力實驗機來測定，實驗過程中試 條的尺寸及試條夾持的方法對實驗結(jié)果影響較大口1 。試條的尺寸大織物的斷裂強力 有所下降。標準規(guī)定，二般織物長為2 0 厘米，寬為5 厘米。常用的試條夾持方法有 扯邊紗條樣法( r a v e l e d - s t r i pm e t h o d ) 、剪切條樣法( c u t s t r i pm e t h o d ) 及抓樣法( c r a b m e t h o d ) 。國家規(guī)定一般用扯邊紗條樣法，扯邊紗條樣法的實驗結(jié)果的不勻率較小， 但有一些不宜扯邊紗的織物如針織品、縮絨織品、氈品、非織造布、涂層織品以及 其它不易扯邊紗的織品，采用剪切條樣法。抓樣法試樣準備容易，實驗狀態(tài)接近實 際情況，但所得強力略大。上面三種方法適合于不同品種的織物，對織物的強力均 有一定的影響。而且實驗過程耗時多，浪費材料，實驗過程比較復雜，實驗的結(jié)果 受諸多因素的影響。 在實驗室中，均是通過破壞性的織物拉伸斷裂實驗來測定織物的強力，試驗的 過程無法再現(xiàn)。本文的目的是尋找一種簡單、有效、準確、快速的方法來測試或者 模擬計算織物的拉伸斷裂強力。在本課題中將利用紗線的特征參數(shù)( 主要是紗線的強 力、細度、捻度等) 和織物的規(guī)格參數(shù)，借助于紗線的斷裂模型和紗線斷裂的應力分 配法則，用計算機語言編程來預測織物斷裂的強力( 建立織物束鏈模型，確定織物失 效長度，模擬織物的斷裂過程，確定織物失效長度內(nèi)的紗線的強度分布和織物強力， 并由此得到整個夾持長度內(nèi)的織物強度，做到準確模擬計算或測試) ，模擬織物的斷 裂過程即織物中紗線的斷裂的先后順序，或者在織造過程中來設計織物的強力，得到 織物的最大強力值與最小強力值，可以充分利用紗線的應力空間，來滿足人們對織 物的強力的要求，而不必再把紗線織成織物后進行實驗測定，避免了不必要的物力 和時間的浪費和減少了實驗復雜性。這對于機織物的設計和生產(chǎn)有著重要的實際意 義。 2 青島大學碩士學位論文 1 - 2 研究的現(xiàn)狀和意義 對織物力學性能的研究，從二十世紀二十年代至今一直是紡織領(lǐng)域國內(nèi)外學者 專家關(guān)注的焦點。隨著對織物力學性能研究的深入和許多研究學術(shù)論文及著作的發(fā) 表，織物力學性能的研究逐步拓寬為多學科交叉、具有廣闊前景的研究方向之一。 1 2 1 織物力學性能研究的主要方法 1 幾何法主要圍繞著p i e r c e 在1 9 3 7 年提出的平紋織物幾何結(jié)構(gòu)原始模型及其改 進方面展開。在該模型中，p i e r c e 假設組成織物的紗線截面總是圓形，紗線的抗 彎剛度很小，并且內(nèi)應力為零，以至可以忽略不計且又不能產(chǎn)生伸長的剛性體，得 到如圖1 1 所示的平紋織物組織單元模型。p i e r c e 原始結(jié)構(gòu)模型及其改進模型作為 研究平紋織物剪切、拉伸伸長等是較成功的，但在分析織物的起始拉伸伸長比較麻 煩，且模型不能用來分析織物力學行為的內(nèi)部應力松弛效應。 圖1 1 平紋織物的p i e r c e 模型 a = u d o ) e o s o + d s i n o 卜( 1 ) h = ( ，一d 目) s i n o + d ( 1 一c o n o ) 1 一( 2 ) c ：生：一l卜( 3 ) 口口 ：t - _ 竺a ：1 一_ a 卜( 4 ) z， 式中；，為紗線的單元結(jié)構(gòu)中的長度( 咖) ；h 為紗線的屈曲波高；口為紗軸線 與布的中心線之間的夾角，既是織造角；a 兩紗線的中心矩( 舳) ；c 屈曲波長之比： 織物的織縮比；4 經(jīng)紗的直徑，畋緯紗的直徑，d 為經(jīng)、緯紗線直徑之和，即 d = 儡+ 吃。 p i e r c e 模型是由純幾何的概念導出的，實驗研究結(jié)果表明，該幾何模型只有在 較緊密地織物中成立。在織物的緊度較大、織造張力較大或紗線捻度較小的時候， 紗線的幾何形態(tài)會發(fā)生變化，結(jié)果會存在較大的誤差。盡管p i e r c e 模型存在較大的 局限性，但是在討論織物經(jīng)緯紗線的交織結(jié)構(gòu)，理解織物的幾何結(jié)構(gòu)相和形態(tài)結(jié)構(gòu) 第一章緒論 參數(shù)均有幫助。 礦 2 力法和能量法是從力學角度來分析織物，兩者分別表示織物結(jié)構(gòu)研究的兩條 根本不同的途徑。力法研究的范圍是織物的小變形及線性范圍內(nèi)進行，且限于簡單 變形范圍。力法研究只能在局部解決問題，不能總體上反映織物力學性能，即使求 解出來，也是在線性范圍內(nèi)，在不同的區(qū)域用不同的模量值進行折線擬合，又由于 不同模量值取值數(shù)量太少而使折線擬合十分粗糙。能量法目前存在的問題主要是實 用化程度不高。它雖可較成功的反映織物結(jié)構(gòu)力學，但它仍停留在理論探討的層面 上，離實際的實用化還有一定距離。主要是因為：一是假設條件不合理，如不能反 映織物細觀結(jié)構(gòu)；二是假設參數(shù)大多，使實用性及數(shù)值化實現(xiàn)很困難，在反映織物 內(nèi)部的細觀力學等方面如紗線間的相互作用方面，仍不能使該方法完善；三是邊界 條件確定困難。 3 經(jīng)驗模型法是通過實驗調(diào)查的方式建立模型來預測織物的特征和性能。這種 模型是在嚴格控制的條件下舊，通過做大量實驗并運用統(tǒng)計方法( 如曲線模擬和回歸 分析) 得出的，在使用時受到限制，主要是因為：( 1 ) 這些實驗的大小一直受到成本 和時間因素的限制，因而選擇的原料和工藝參數(shù)僅能在較窄的范圍里考慮；。( 2 ) 現(xiàn)存 的統(tǒng)計方法不能精確的模擬織物形成過程中復雜的非線性關(guān)系。 4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡法( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是最近發(fā)展起來的多學科交叉的 前沿技術(shù)，它涉及系統(tǒng)工程、生物、電子、計算機、數(shù)學和物理學等學科，有非常 廣泛的應用背景。神經(jīng)網(wǎng)絡是一個并行分布式的信息處理網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，是一種集建模、 控制和優(yōu)化于一體的功能強大的數(shù)學方法。所有的神經(jīng)網(wǎng)絡都是以大量簡單的神經(jīng) 元和連接它們的權(quán)為特征的，每個神經(jīng)元只有一個輸出，它可以連接到很多其它的 神經(jīng)元，每個神經(jīng)元輸入有多個連接通路，每個連接通路對應于一個連接權(quán)系數(shù)， 這些連接權(quán)系數(shù)中存貯著網(wǎng)絡的信息。 神經(jīng)網(wǎng)絡的特點是在處理解決問題時，不需要對象的精確數(shù)學模型，而是通過 其結(jié)構(gòu)的可變性，逐步適應外部環(huán)境各種因素的作用，不斷挖掘出研究對象之間內(nèi) 在的因果關(guān)系，以達到最終解決問題的目的。這種因果關(guān)系，不表現(xiàn)為一種精確的 數(shù)學解析式描述，而是表現(xiàn)為一種不很精確的輸入值描述1 。神經(jīng)網(wǎng)絡的學習過程 就是調(diào)整連接權(quán)系數(shù)的大小、減小網(wǎng)絡總誤差、不斷提高網(wǎng)絡性能的過程。它主要 具有以下的特征：( 1 ) 突出的學習自適應能力：神經(jīng)網(wǎng)絡可根據(jù)外界環(huán)境修改自身行 為，當出現(xiàn)一級信息時，由于神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應算法使其不斷調(diào)整，產(chǎn)生一系列一 致的結(jié)果。( 2 ) 容錯能力：通過學習訓練之后的神經(jīng)網(wǎng)絡在某種程度上對外界輸入信 息少量的丟失或神經(jīng)網(wǎng)絡組織的局部映損不再敏感，同時可以得到相同的結(jié)果，反 映了神經(jīng)網(wǎng)絡的容錯性。( 3 ) 聯(lián)想記憶能力：人工神經(jīng)網(wǎng)絡對非線性關(guān)系采用點點映 照，它的輸入與輸出之間的關(guān)系曲面比較光滑，因此神經(jīng)網(wǎng)絡一旦訓練好以后，與 4 青島大學碩士學位論文 輸入樣本匹配時，直接復現(xiàn)記億的原則，當樣本不匹配時，通過聯(lián)想相近的原則處 理。 圖1 2b p 網(wǎng)絡的模型 上圖就是現(xiàn)在各個領(lǐng)域中應用比較廣泛b p 神經(jīng)網(wǎng)絡，b p 網(wǎng)絡包含三種層：( 1 ) 一個輸入層負責從外部世界輸入信息，有時它只是輸入信息的緩沖寄存器組成的輸 入信道而已，( 2 ) 一個或多個隱層或稱為中間層，它們負責信息處理工作。( 3 ) 一 個輸出層將處理后的信息傳遞出網(wǎng)絡。 b p 網(wǎng)絡輸入層接受輸入信息逐層向前傳遞和處理，輸入的信息x 。經(jīng)逐層傳遞， 直到輸出層，產(chǎn)生網(wǎng)絡的實際輸出結(jié)果y j ，在訓練學習階段，如果實際的輸出y ，與 目標輸出y d 存在誤差e ，則認為網(wǎng)絡輸出有誤口1 ，b p 算法認為所有的神經(jīng)元之間的 連接權(quán)重都應對此負責，誤差信號反向傳播到網(wǎng)絡內(nèi)部，去改變權(quán)重，整個過程是 反復進行的，所有的權(quán)重值被用來進行下一輪的計算，直到使輸出誤差e 達到規(guī)定 的值為止。 神經(jīng)網(wǎng)絡是利用大量的采集到的標準的樣本數(shù)據(jù)來訓練網(wǎng)絡，通過對網(wǎng)絡的反 復訓練，不斷修改神經(jīng)網(wǎng)絡中的權(quán)值8 】，待到網(wǎng)絡的誤差控制在允許的范圍以內(nèi)時， 可以把網(wǎng)絡的狀態(tài)固定下來，也就是內(nèi)部的各個權(quán)系數(shù)確定了，網(wǎng)絡內(nèi)部各個神經(jīng) 元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系就確定了，如果對網(wǎng)絡進行深入的研究可以確定它們之間的數(shù)學 關(guān)系。網(wǎng)絡穩(wěn)定了，可以按照規(guī)定格式，向網(wǎng)絡輸入數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡就會輸出相應的結(jié) 果。因此，可以用神經(jīng)網(wǎng)絡來解決織物強力方面的問題，開始用一部分的標準的織 物拉伸斷裂強力樣本數(shù)據(jù)來訓練網(wǎng)絡阻j 們，待到訓練完成以后可以用來測試計算織物 的拉伸斷裂強力。 1 2 2 研究織物力學性能的意義 織物的力學性能是確定織物服用性能及其品質(zhì)評定的重要方面，如何根據(jù)織物 的結(jié)構(gòu)參數(shù)和紗線參數(shù)來預測估計織物的結(jié)構(gòu)力學性能，在紡織研究中已有較長的 歷史了。目前針對織物的結(jié)構(gòu)力學性能研究方法主要有基本力學模型和經(jīng)驗模型法。 基本力學模型主要包括幾何法、力法和能量法等。近幾年來，隨著計算機與紡織技 術(shù)的緊密結(jié)合，在國內(nèi)外興起了神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，神經(jīng)網(wǎng)絡在紡織領(lǐng)域內(nèi)也獲得了 廣泛的應用，神經(jīng)網(wǎng)絡方法成為一種解決織物的力學性能的問題的有利武器，具有 5 第一章緒論 廣闊的研究和光明實用的前景。 在本論文中通過利用紗線、織物的結(jié)構(gòu)的參數(shù)建立計算模型，利用計算機的快 速處理數(shù)據(jù)的能力，給紗線不斷的賦隨機的強力值，然后不斷的比較、循環(huán)，可以 迅速計算得到織物的拉伸斷裂強力，使得紡織科研人員可以根據(jù)實際生產(chǎn)和生活中 需要的織物拉伸斷裂強力，來對織物的組織和密度、紗線強力、細度和密度等進行 預先的設計或者選擇，從而改變以往的產(chǎn)品設計人員依照相似織物的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確 定織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)這一弊病，可以杜絕產(chǎn)品試織過程中帶有相當程度的隨機性和盲 目性等缺點，為以后研究各類織物的機械結(jié)構(gòu)性能，尤其是織物的拉伸斷裂性能提 供了可以借鑒的方法和思路。 卜3 本文研究的主要內(nèi)容和解決的主要問題 對織物的力學性能的研究，一直是紡織領(lǐng)域國內(nèi)外學者關(guān)注的焦點。隨著計算 機技術(shù)的發(fā)展和應用的普及，用計算機模擬的方法來解決織物的力學問題已經(jīng)變得 越來越廣泛，已經(jīng)成為紡織領(lǐng)域內(nèi)研究的一個熱點。模擬的概念是指把某一個現(xiàn)實 或抽象系統(tǒng)的某種特征或部分狀態(tài)，用另一個系統(tǒng)或者模型來代替或模仿。模擬的 方法是利用隨機數(shù)進行模擬計算，是對構(gòu)造的模擬模型作統(tǒng)計實驗和計算，來研究、 分析原有的系統(tǒng)或進行設計新的系統(tǒng)。 通常講的織物分為機織物和針織物兩種，它們的斷裂機理是不一樣的。在本論 文中，主要研究用計算機來模擬平紋織物的拉伸斷裂強力，為以后的各種類型的機 織物的強力模擬奠定基礎(chǔ)。 平紋織物在受外力的拉伸的過程中，經(jīng)緯紗線的交織點受力，使得織物的經(jīng)緯 紗線的截面發(fā)生變化，對織物的經(jīng)緯紗線交織點受力分析，可以計算出經(jīng)緯紗線交 織點之間的摩擦力，進而可以求出織物的失效長度。通過對織物的拉伸斷裂過程的 分析，可以建立織物的拉伸斷裂模型，主要有一維模型和二維模型。 1 3 1 本文主要研究的內(nèi)容 平紋織物在受到外力作用被拉伸的過程中，對織物中的紗線進行受力分析，從 而得出平紋織物拉伸斷裂的概率數(shù)學模型，通過建立概率模型來計算織物的強力， 研究的主要內(nèi)容如下： 1 w e i b u l l 分布是一個概率函數(shù)，是w e i b u u 從弱環(huán)理論的模型出發(fā)，得到的一 個廣泛適用的分布模型。w e i b u l l 分布是以脆性材料的最弱連接為基礎(chǔ)的，也就是以 弱環(huán)定理為基礎(chǔ)的，符合纖維斷裂的情形。目前，w e i b u l l 分布模型已經(jīng)研究的比較 成熟，應用也較為廣泛，w e i b u l l 分布模型常用來研究某些新型的材料的強力分布狀 況，通過對少量的樣品材料做精確實驗，利用w e i b u l l 模型可以給出較為準確的全體 材料的強力分布情況。在本文中，首先對織物中部分紗線進行測試得到紗線的強力， 6 青島大學碩士學位論文 采集到大量的紗線強力值，并對紗線強力值進行轉(zhuǎn)化，使之成為在規(guī)定長度下的紗 線強力值。在此基礎(chǔ)上，利用概率上的w e i b u l l 分布模型，可以得到全體紗線的強 力值分布。 2 失效長度是一個來自于復合材料的概念，在機織物中，失效長度是反映織物 在拉伸過程中經(jīng)緯紗相互影響的一個數(shù)值。眾所周知，在織物的斷裂的過程中，首 先是由于紗線的解體，導致織物失效?？椢镏屑喚€斷裂后，由于經(jīng)緯紗之間的摩擦 力的存在，紗線上承擔的載荷，并不影響到整根紗線，而只是影響紗線上的一段長 度，這段長度就是失效長度。要計算織物的失效長度必須建立斷裂模型，通過對模 型的分析，來計算出織物的失效長度。應力分配法則就是如何把紗線上承擔的載荷， 按照某種應力分配的法則，分配到其它的相關(guān)的紗線上。 3 織物中紗線斷裂條件的確定，在外界向織物施加外力的時候，紗線上承擔的 載荷逐步增加，直致達到臨界狀態(tài)，此時，紗線受到的拉伸力等于紗線可以承受的 載荷，繼續(xù)向織物施加外力，紗線就將被拉斷。臨界狀態(tài)就是當紗線本身能夠承擔 的載荷等于外界對紗線施加的載荷的狀態(tài)。前者小于后者，紗線斷裂。運用計算機 編程可以使得整個過程循環(huán)進行，反復比較，直到全體的紗線都斷裂。在本論文中， 就是通過對織物不斷施加外力，而求得在全體紗線都斷裂時候，加在織物上的載荷。 這就是對織物拉伸斷裂強力模擬得到的理論強力值，通過對模擬的織物理論斷裂強 力值的結(jié)果與實驗的織物強力值進行比較，確定出它們之間的關(guān)系，可以用來預測 織物的拉伸斷裂強力，因此可以用來對織物的拉伸斷裂強力進行模擬。 1 3 2 解決的主要問題 在本課題的研究及實驗過程中，借鑒了別人的研究成果。( 借用了p i e r c e 力學模 型并對其進行了適當?shù)母倪M，從復合材料中引入臨界長度的概念等) ，并在這個基礎(chǔ) 進一步發(fā)展，對如何用計算機模擬織物的強力這一問題，提出了解決的方案和步驟， 對課題中的難點問題，給出了合理的解決方法。 1 在實驗的過程中，要對織物的拉伸前后的截面進行研究，如何對織物的拉伸 前后的兩種狀態(tài)進行客觀的描述，在本論文中，主要用到切片法，確定織物拉伸前 后紗線的截面積彎曲程度的變化，然后計算織物中紗線交織點的摩擦力以及失效長 度，并運用紗線和織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)，用計算機來模擬織物的斷裂過程，最終可以計 算得到織物的強力。紗線的斷裂過程中，斷裂紗線的應力分配問題和邊界問題的解 決是主要的內(nèi)容。在論文中引入了復合材料中的失效長度的概念，失效長度是解決 織物的強力問題的基礎(chǔ)。 2 在織物斷裂過程中，紗線的應力分配法則的確定。在織物的斷裂過程中，織 物中較弱的紗線斷裂，其承擔的載荷如何分配到其余的相關(guān)紗線上，通常主要有三 種應力分配方法，確定出一種適合織物的應力分配方法，可以用來準確模擬織物的 7 第一章緒論 斷裂過程。 3 隨著研究的深入，尤其是當織物設計者把織物機械性能作為設計時的主要考 慮因素時，開展織物幾何模型的研究顯得非常重要。要研究織物的強力問題，必須 建立織物的力學模型，本文的模型是在p e i r e e 模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際的問題，主 要考慮織物拉伸前后截面的形狀變化，對p e i r e e 模型進行合理的變化，重新建立模 型。通過利用計算機編程把建立的模型表達出來，可以用來進行計算機模擬。 織物的強力是衡量織物內(nèi)在品質(zhì)的一個重要的指標。本文的測試織物強力方法 與通常實驗室測試織物強力的方法不同，實驗室的方法通常是拉伸斷裂法，把織物 放在織物拉伸強力機上，進行拉斷實驗；而本文的方法主要是隨機模擬法，通過建 立模型，用計算機隨機賦值的方法，進行不斷地斷裂的紗線比較和循環(huán)，而得到的 織物拉伸斷裂強力。 用計算機模擬織物的拉伸斷裂強力是在實驗室測試織物強力的基礎(chǔ)上的一種嘗 試，用計算機模擬計算織物的拉伸斷裂強力為紡織廠和實驗室中設計和測試織物的 強力提供了方便，用計算機模擬織物的強力給紡織廠設計和開發(fā)新品種織物，合理 的運用原材料提供直接的理論依據(jù)和具有現(xiàn)實指導意義；同時也可以用來在實驗室 對織物的拉伸斷裂強力進行研究和快速的測定。 青島大學碩士學位論文 第二章程序設計的步驟 在本論文中，選用v b ( v i s u a lb a s i c ) 語言來編寫程序，v b 是微軟公司的一個強 力的應用程序開發(fā)工具，使用它可以開發(fā)出w i n d o w s 環(huán)境下的任何程序。系統(tǒng)采用 的v b 程序設計語言，是v i s u a ls t u d i o 家族的一員，“v i s u a l 指的是開發(fā)圖形用 戶界面( g i j i ) 的方法，該方法不需要編寫大量的代碼去描述界面元素的外觀和位 置，只要把需要的對象加到屏幕上既可以n u 。”b a s i c 指的是b a s i c 語言，是一 種在計算機發(fā)展史上應用最廣泛的語言之一。v i s u a lb a s i c 在原有b a s i c 語言的基 礎(chǔ)上，進一步發(fā)展，至今包含了數(shù)百條語句、函數(shù)及關(guān)鍵詞等，其中很多和w i n d o w s g u i 有直接的關(guān)系。 2 - 1v b 語言的選用 現(xiàn)在，較為流行的計算機程序設計語言有v b 、v c 等，結(jié)合本課題的特點，因為 在課題中，在w e i b u l l 分布的參數(shù)估計涉及到回歸分析和相關(guān)系數(shù)的計算，手工計算 進行參數(shù)的估計比較麻煩，可以通過v b 程序輸出圖像來觀察織物的強力分布，為了 對紡織品強力的w e i b u l l 分布進行更加方便的研究，利用計算機程序進行參數(shù)的估計 和繪制擬合圖等。因此，在本文中選用了v b 計算機語言。 2 1 1v b 語言的優(yōu)點 v b 是目前最優(yōu)秀的計算機程序設計語言，它保留傳統(tǒng)的b a s i c 語言的簡潔、易學、 易用的特點n 幻，同時增加了對可視化和面向技術(shù)的支持，利用可視化技術(shù)使程序開 發(fā)人員擺脫了面向過程語言的許多細節(jié)，而將主要的精力集中到解決具體問題上和 設計友好的用戶界面來。v b 語言的這一優(yōu)點，正好可以降低非計算機專業(yè)人士編程 的難度，可以不用過多考慮設計編寫用戶界面的問題，v b 只要從工具箱中取出所需 要的控件放在窗口上就可以了，不必編寫復雜的代碼n 羽。也就是說，屏幕上用戶的 界面是用v i s u a lb a s i c 提供的可視化設計工具直接畫上的，而不是用程序?qū)懗鰜淼摹?9 第二章程序設計的步驟 日曩豳墨暖霞盈圈豳_ 糞糞攀釜遂丑慧囂蘩纛氅夔簍鍪翻：塑= 墨小i 琵凌囊霧 塑二j 扭! l 塑：| 瞰2 i 界面圖像 上面的圖像就是利用v b 語言設計的程序的界面，圖上的各個控件就是從v b i 具 箱中直接加入到宙體上的，利用v b 語言可以直接進行可視化設計，不用花費大量的 精力在界面的設計上。 而用v b 語言設計的程序，程序執(zhí)行的基本的方法是有事件來驅(qū)動相應的子程序。 v b 應用程序是由若干規(guī)模較小的事件過程子程序組成的，每個事件過程子程序僅在 某個特定的事件發(fā)生的時候才被執(zhí)行，即程序的執(zhí)行是由事件來驅(qū)動的，執(zhí)行的順 序由用戶來決定，沒有事件的時候，程序處于停滯的狀態(tài)。 2 1 2 程序采用事件驅(qū)動的方式 計算機領(lǐng)域中的事件就是對象上所發(fā)生的事情，在v b 中事件是指由系統(tǒng)預先定 義好的，能夠被對象識別和響應的動作。 v b 語言編程與傳統(tǒng)的編程方法不同，采用的是事件驅(qū)動編程機制。傳統(tǒng)的編程 方法根據(jù)程序的要實現(xiàn)的功能，寫出完整的代碼，在執(zhí)行程序的時候，總是從程序 的第一個語句開始，直到結(jié)束語句為止。并且中間有程序調(diào)用各個子程序。作為程 序的設計者必須十分周到考慮程序中各個細節(jié)“4 1 ，并將整個程序的執(zhí)行順序設計 好，只有這樣程序才能按照指定的過程執(zhí)行。v b 采用的是事件驅(qū)動編程機制，程序 執(zhí)行的先后順序，是根據(jù)各個事件觸發(fā)的先后順序。圖2 1 中，窗體上各個按鈕就 是一個對象，程序運行的先后順序，就是這些對象的觸發(fā)的先后順序。采用事件驅(qū) 動編程機制降低了程序設計者設計程序的難度，可以把大量的精力和時間用在用在 程序算法和優(yōu)化上面。 目前，隨著計算機的普及，計算機技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，計算機在各行業(yè)中 的應用也曰漸增多。由于v b 語言簡單易用、面向?qū)ο罂梢暬幊痰奶攸c，進一步又 促進了計算機技術(shù)的普及和發(fā)展，使得蠕語目在非計算機專業(yè)畢業(yè)人員的領(lǐng)域內(nèi)得 到了廣泛的使用，從丌發(fā)個人和小組使用的小工具到大型企業(yè)的應用系統(tǒng)，甚至 青島大學碩士學位論文 通過i n t e r n e t 的遍及全球的分布式應用程序，都可以應用v b 語言，v b 語言是世界上 應用最普遍的語言之一 2 - 2 程序設計的步驟 對于紡織服裝工業(yè)來說，按照織物的機械物理性能設計紡織品是相當重要的。 這些性能當中最基本的一個就是織物的拉伸斷裂強力，這一指標是由纖維、經(jīng)緯紗 線、紗線密度、織物組織以及織物品種等各種因素綜合決定的?？椢锏臋C械力學性 能已經(jīng)引起了世界范圍內(nèi)科學家的重視，用計算機來模擬織物的力學性能更是一個 熱點問題。 機織物在不同場合的使用的過程中，如果長期受到集中負荷的作用，在經(jīng)過一 段時間后，就可能達到疲勞的極限而被集中的負荷把織物中紗線拉斷，使織物局部 受到破壞。這種現(xiàn)象不僅會出現(xiàn)在服裝、裝飾布上，而且更多地出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)用織物 上。在實際的生產(chǎn)和研究中，常要對機織物的拉伸斷裂強度進行測試。為了明確織 物的結(jié)構(gòu)參數(shù)與拉伸斷裂強度的關(guān)系，從理論上指導生產(chǎn)實踐，需要對機織物拉伸 斷裂的機理進行分析，并建立相關(guān)的數(shù)學的模型。 模型建立后，運用v b 軟件設計工具進行計算機模擬系統(tǒng)的設計n 刀，在本文中 對機織物機械物理性能的計算機模擬的具體步驟為： 1 提出問題，在本論文中，根據(jù)實踐生產(chǎn)和應用中出現(xiàn)的問題、以及要解決的 問題，對模擬系統(tǒng)提出問題，并對問題進行詳細地闡述，對模擬對象的目的和要求 進行嚴格科學的規(guī)劃和設計。本論文要解決的問題是，尋求一種快速簡單的方法， 來測試機織物的拉伸斷裂強力，在日常生產(chǎn)和實驗中，測試機織物強力必須在織物 織造完成后，本文想找到一種方法可以在織造以前就可以實現(xiàn)對織物強力的設計。 2 收集模擬系統(tǒng)的所需要的一切信息，廣泛查閱各種與該課題有關(guān)的資料和書 籍，搜索與織物結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)學模型，進行總結(jié)和消化，吸收和提取有助于解決本 課題或者對本課題有用的部分。根據(jù)要解決的實際問題建立自己的數(shù)學模型，必須 確定是不是所有的有關(guān)的變量都包括進去了，還有沒有無用的多余的變量，變量間 的相互關(guān)系是不是正確表達了，對其進行演算推導確保其理論上可行。在本文中主 要用到t w e i b u l l 分布模型，織物拉伸斷裂的模型。 3 進行流程框圖的設計，這是復雜程序的總體設計的重要環(huán)節(jié)n 明。框圖的設計 的主要目的就是對問題進行細化，把復雜的問題分解成為數(shù)個單獨的小問題，這是 結(jié)構(gòu)化編程的前提。在本文中，主要有以下幾個計算模塊，它們是w e i b u l l 分布函數(shù) 中參數(shù)的確定模塊、紗線強力值擬合模塊、失效長度計算模塊、應力分配模塊和織 物的拉伸斷裂模塊等幾個模塊。 4 編制計算機模擬程序，由于v b 語言簡單易學，適用于非計算機專業(yè)的同學學 i i 第二章程序設計的步驟 習，因此，在本論文中采用了v b 語言進行程序設計。把這一個過程分成幾個子過程， 進行單獨的設計和編程，每一個過程作為一個獨立的小模塊。由于采用了模塊化的 設計，通過對每個小的部分進行編程，即程序的結(jié)構(gòu)化設計，然后對各個模塊進行 串聯(lián)，降低了程序編寫的難度和程序調(diào)試程序的難度，提高了編制程序的效率。 5 計算機模擬程序設計編寫完畢，并不意味著程序的終結(jié)，要驗證程序的準確 與否，緊接著將對程序進行測試，為了使程序中隱藏的缺點和錯誤盡快暴露出來， 就要進行程序的調(diào)試工作，這一工作往往是計算機模擬方法的主要難點，根據(jù)計算 機模擬系統(tǒng)的復雜程度的不同，將會遇到不少這樣那樣的問題。程序的調(diào)試，隨機 抽取一些數(shù)據(jù)，而后通過程序運行比較計算結(jié)果與真實值之間的差距，看模型建立 的準確與否和程序編寫的是否準確。實踐已經(jīng)證明，任何程序都或多或少存在一些 錯誤或不足，只是沒有被發(fā)現(xiàn)而己，如果在投入使用之前，沒有和發(fā)現(xiàn)程序中的錯 誤，這些錯誤在使用的過程中遲早會暴露出來，那時候不僅改正這些錯誤代價高而 且往往會造成很惡劣的后果。 如果模擬系統(tǒng)的輸出結(jié)果可以接受，將研究的結(jié)果進一步拓展，以利于對以后 系統(tǒng)的豐富和發(fā)展n 盯。一個好的程序不僅要完成特定的功能，而且還要易于擴充和 維護。程序在設計完成以后，不能是封閉的，而要是隨著時間的發(fā)展對系統(tǒng)進行不 斷的豐富和擴充，系統(tǒng)的原先的功能可能過于單一，隨著計算機軟件技術(shù)的發(fā)展和 新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，用戶可能提出更多的更重要的要求，由于開發(fā)一個程序要花費 巨大的人力、物力和時間，因此不應該拋棄原來的系統(tǒng)，而應該對原先的系統(tǒng)進行 擴從和修正，以達到新的要求。 2 - 3 模擬系統(tǒng)的基本流程 由于用計算機程序來模擬織物的強力，是不同于用織物強力機直接來測試織物 的強力，計算模擬是一個全新的過程，是一個隨機數(shù)值計算的過程，在這一課題研 究實驗的過程中，參考和借鑒了其它系統(tǒng)( 花式紗線織物組織計算機模擬；緯紗運 動規(guī)律的計算機模擬研究：機織物機械物理性能的計算機模擬等) 的模擬方法啪矗。 通過對課題的研究和對系統(tǒng)的分析，提出了自己的方法和解決問題的步驟。在本課 題中，用計算機編制程序來計算織物的拉伸斷裂強力，主要包括以下幾個大的過程。 2 3 1 模擬過程的基本流程 1 預備試驗數(shù)據(jù) 程序的運行過程，也是一個對數(shù)據(jù)的處理的過程。因此，必須初始化數(shù)據(jù)，所 謂的初始化數(shù)據(jù)，就是初始化與力學模型相關(guān)的紗線結(jié)構(gòu)和織物結(jié)構(gòu)的參數(shù)，將其 初始化為某種織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 在本文中，主要是想通過紗線的拉伸斷裂強力來模擬計算織物的拉伸斷裂強力， 1 2 青島人學碩_ 學位論文 因此初始化的數(shù)據(jù)主要是紗線的拉伸斷裂強力，以及其它相關(guān)的紗線與織物的結(jié)構(gòu) 參數(shù)。 紗線的拉伸斷裂強力是用紗線強力儀來測試得到的。從要測試的織物上，拆下 部分紗線( 要求紗線不能退捻，不能有意外的拉伸) ，用電子紗線強力儀來測試紗線 的強力值。在本文中選取3 0 根紗線，按照數(shù)學分析，3 0 根紗線完全可以來表征紗 線的特征，可以準確的確定出w e i b u l ! 分布模型中的參變量。首先，要確定出w e i b u 1 分布模型中的未知的參量，再次，利用隨機數(shù)發(fā)生器給織物中的紗線斷裂的概率隨 機賦值，最后，借助于既定的w e i b u l l 分布模型來為給所有的紗線賦強力值，這樣所 有的紗線的強力值都有一個隨機的數(shù)值與之相對應到。所有的紗線都獲得一個隨 機的強力值這是用計算機模擬計算的基礎(chǔ)。 在這一隨機賦值的過程中還包括w e i b u l l 函數(shù)的變換、曲線的擬合和紗線強力值 的轉(zhuǎn)換等過程。 日瞳雹翻翻圈 x ( 1 】= 86 1 7 7 7 3 e0 y 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