复合非线性织物力学性能的材料与结构耦合机制及织物触觉风格原位表征研究

The fabric touch property presents the comprehensive effect of physical and mechanical properties of fabrics, and effective characterization of the touch property forms the prerequisite and foundation for developing high-quality fabrics. However, two key issues for the evaluation study of fabric touch property have not been solved: (1) the interaction effect of fabric structures and yarn properties on the assessment of fabric’s mechanical properties has not been clarified; and (2) the touch property of fabrics is difficult to be effectively and objectively characterized using the available methods. Based on applicant’s previous study of in-situ simultaneous evaluation method and the means of elastic-plastic mechanics, kansei engineering, statistic analysis and algorithmics, this project takes geometric and material nonlinearity of fabrics and yarn-fabric interweaving structure into consideration and develops yarn-fabric-testing system multiple-level interactive mechanical model. The model study essentially reveals the effects of the structure and mesomechanics of fabrics with nonlinear deformation on fabric’s macro-mechanical properties, interpreting the mechanism of fabric’s structure and mesomechanics on fabric touch property. Moreover, the relationship of curve pattern and fabric’s deformation and properties is studied, and the evaluation models and the corresponding methods for touch property of fabrics are developed by studying the “grading on categories” subjective assessment method. This project can provide basic theoretical guidance for designing and developing acceptable touch property of fabrics and supply reference method for effectively characterizing fabric touch property in situ.

织物触觉风格是织物物理力学性能的综合体现，其有效表征是高品质织物研发的前提和基础，然而其中两个关键问题尚未解决：（1）织物结构和细观力学对织物宏观力学性能的协同影响规律尚不明确；（2）织物触觉风格难以高效客观表征。本项目基于申请人在原位测试方法的前期研究基础上，借助弹塑性力学、感性工学、统计分析及算法学等方法，通过考虑织物的几何和材料非线性特征，并将纱线、织物内部几何结构复合，构建大变形下的纱线-织物-测试系统多级交互的力学模型，从本质上揭示织物非线性变形下的织物结构和细观力学对织物宏观力学性能的影响规律，阐释影响织物触觉风格的主要因素及其协同作用机制；进而明确力-位移测试曲线模式特征与织物形变和力学性能的内在关系，探索“以类评级”的风格评价方法，构建织物触觉风格的客观表征模型。本项目的研究可为优质风格织物的设计和研发提供基础理论依据，也为织物触觉风格高效、综合地原位表征提供借鉴方法。

触觉风格作为织物物理、力学性能的综合体现，其涉及从纳微尺度纤维到宏观尺度织物不同物理机制的协同，作用结果和相互关联复杂，对织物触感属性的有效解析、定量评价是纺织科学与工程领域的重要研究课题。本项目针对织物触知觉属性的物理力学基础与测试表征问题，主要研究进展与重要结果有：（1）发展了织物细观几何与非线性粘弹性协同下的有限元计算模型，研究了织物结构和材料非线性对织物综合性能的影响规律和作用水平，阐明了织物弹塑性及滞弹性的结构-材料耦合作用机理。（2）构建了织物多尺度的解析几何结构模型，探讨了纺织多尺度结构的形变关联，并基于几何模型成功开发分级结构诱导的智能湿响应织物。（3）将双模量弹性理论扩展到正交各向异性的细长纤维集合体结构，率先报道了纱线纵轴压缩模量随压缩应变的演变规律，并定量化模拟了纱线弯曲的应力演化过程。（4）进一步设计了织物触觉风格的原位力学测试装置，实现了对纺织材料多重性能的连续测试和组合表征，揭示了连续力学测试过程中织物形变和相应力学测试量的内在关联，构建了织物触觉风格的定量化评价模型。该研究一方面对纺织结构和材料调控织物宏观性能的协同作用机制提供理论指导，另一方面发展了织物触觉风格的客观表征方法。基于上述研究发表学术期刊论文18篇，授权发明专利三项。项目研究有利于推进纤维集合体力学和纺织表征技术等相关领域发展，并可直接应用于纺织结构设计与性能优化。