纱条中纤维排列的模拟及其对成纱质量的影响

摘要

纤维性能对成纱质量的影响一直是纺织领域的经典课题之一。其中，纤维在纱条中的排列状态不仅影响着纺纱过程，也直接决定了纱或线的条干均匀度、断裂强力等性能，从而对后续织造工艺和最终纺织品的质量产生影响。纤维在纱条中的随机排列很大程度上取决于纤维的几何特征（长度、细度）。因此，模拟纤维在纱条中随机排列将有助于从理论上认识纤维几何特征对成纱质量的影响机理，这对于原料配置的优化、纺纱工艺的改进、优质纱线的生产都具有指导意义。
　　本研究从模拟纤维在纱条中的随机排列出发，探讨纤维的长度和细度对成纱条干极限不匀（或称为理论不匀）的综合影响。然后根据此模拟建立单纱断裂强力的计算方法，并据此分析单纱断裂强力的影响因素。单纱拉伸断裂过程中断裂截面上的纤维可能会发生断裂或者滑脱，这取决于临界滑脱长度。临界滑脱长度的求解不仅与纤维性质有关，还取决于单纱的加捻。单纱的加捻程度还决定了断裂纤维和滑脱纤维对单纱断裂强力的实际贡献。
　　本研究采用模拟方法建立了计算的理论模型，并对理论计算值采用实验和文献数据验证分析。由于纤维头端位置以及长度、细度指标具有随机性，在模拟纤维排列时采用Monte Carlo的方法对这些随机变量进行生成，使其能够与实际相符合。关于成纱性能的分析和临界滑脱长度的推导还采用了几何概率方法。为便于模拟和计算，本研究未考虑纺纱过程中机械因素以及纤维形态（或弯钩）对成纱质量的影响。论文按照研究内容共分为五章，其中各章的主要工作如下：
　　论文的第一章介绍了研究的背景，并在文献综述中着重介绍了国内外关于纤维在纱条中随机分布、成纱条干不匀和断裂强力的理论研究模型，并介绍了这些研究中所存在的问题。
　　论文的第二章首先基于纤维左头端沿纱轴方向呈均匀分布的假设，模拟了纤维在纱条中随机排列，模拟纱条的条干极限不匀是通过计算从纱条截取的各子片段中包含所有纤维总重量的不匀来表示。以单纱8mm片段极限不匀的计算为例，若仅考虑纤维长度因素的影响，计算结果表明，单纱的条干极限不匀随着纤维长度的增加而增加，并最终趋于稳定，这与Suh的理论和纺纱实测值的趋势是一致的。对于不等长纤维纱，其条干极限不匀仅与平均纤维长度有关，与纤维长度本身所服从的分布类型无关。若进一步考虑纤维细度的影响，模拟计算结果表明考虑纤维细度分布时计算得到的条干极限不匀率高于未考虑纤维细度分布时的计算结果。其中纤维细度不匀越大，两者之间的差异也越大，考虑纤维细度分布时计算的极限不匀值更趋近于实测值，这说明纤维细度分布对纱条极限不匀的影响是显著的。将纤维长度和细度各指标对条干极限不匀的影响进行综合分析，得到它们的影响程度顺序为：平均纤维细度>纤维细度不匀>平均纤维长度>纤维长度不匀。纤维在纱条中随机排列的模拟是对纱条条干均匀度的直观反映，从而为进一步研究成纱的实际不匀以及成纱断裂强力等性质提供了可行的方法。
　　论文的第三章根据纤维在单纱中的随机排列提出了单纱断裂强力的模拟计算方法。其中单纱断裂中纤维发生的断裂或滑脱取决于临界滑脱长度，发生断裂的纤维对单纱强力的贡献为其本身断裂强力，发生滑脱的纤维对单纱强力的贡献为其平均滑脱摩擦力，它们的贡献之和就为单纱的断裂强力。据此可计算模拟单纱中各个截面可能发生断裂时的强力，其中的最小值就为整个单纱的断裂强力。从模拟计算结果可以看出，当纤维长度增加或临界滑脱长度减小时，发生断裂的纤维数目增多，发生滑脱的纤维数目减少，因而单纱的断裂强力就呈增加趋势，这是与纺纱实测值的趋势是一致的。而对于不等长纤维纱，其断裂强力还与纤维长度本身的分布形式有关。此外，模拟单纱片段长度越长，单纱断裂强力的计算值也越低，这也是与前人得到的理论和实验结论相一致。由于考虑了单纱截面纤维根数的变异，采用纤维在单纱中随机排列的模拟计算成纱断裂强力更加合理可靠，它能够直观反映纤维长度对成纱强力的影响，也能够直观反映单纱中出现的弱节，因此它可以用于单纱断裂强力的预测。
　　论文的第四章基于单纱结构的假设，探讨了临界滑脱长度的近似计算方法，并对第三章单纱断裂强力的模拟计算方法进行了修正。临界滑脱长度的近似表达式不仅考虑了纤维的力学性能，还考虑了单纱加捻的影响。计算结果表明临界滑脱长度随着捻系数的增加而下降。由于单纱加捻造成纤维断裂强力的损失，因此发生断裂的纤维和发生滑脱纤维对单纱强力的贡献需要进一步的修正，并将其代入第三章提出的单纱断裂强力模拟计算方法中进行强力计算。从模拟计算结果可以看出，单纱断裂强力的模拟计算值随着捻系数的增加先上升至最高值而后发生下降，这是与实测值的变化趋势是一致的。低于临界捻系数时，临界滑脱长度的下降使发生滑脱的纤维根数减小，且发生断裂的纤维增多，这导致单纱强力随捻系数的增加而上升。而在高于临界捻系数时，纤维因强力损失过大导致其有效强力的剧烈降低，并且纤维有效强力沿纱轴方向上的分力也大大减小，这将最终导致单纱强力的下降。此外，对于等长纤维，各纤维指标对单纱断裂强力的影响程度顺序为：纤维细度>纤维强力>纤维长度。临界滑脱长度的求解和单纱断裂强力的计算能够揭示单纱随捻系数变化的断裂机理，它是合理且符合实际的。
　　论文的第五章是对本论文的主要贡献和不足之处进行了总结，并且提出了本课题未来的研究方向。
　　综上所述，本研究通过模拟纤维在纱条中的随机排列，对成纱条干极限不匀和断裂强力分别进行了计算，其能够较为直观地揭示了纤维的几何特征对成纱质量的影响机理，为纤维原料的配置、纺纱工艺的优化及成纱性能的预测提供了理论依据。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 文献综述

1.3 研究目的和研究内容

1.4 论文的章节安排

本章参考文献

第二章 纤维在纱条中随机排列的模拟

2.1 等细度纤维在纱条中随机排列的模拟

2.2 纤维长度与细度分布对纤维在纱条中随机排列的综合影响

2.3 本章小结

本章参考文献

第三章 基于纤维在单纱中随机排列的单纱断裂强力模拟

3.1 单纱断裂强力几何概率方法的研究

3.2 单纱断裂强力的模拟计算方法

3.3 模拟计算结果与验证

3.4 单纱断裂强力的实例计算

3.5 本章小结

本章参考文献

第四章 临界滑脱长度和单纱断裂强力的计算

4.1 临界滑脱长度的近似计算模型

4.2 单纱断裂强力的计算模型

4.3 计算结果与实验验证

4.4 本章小结

本章参考文献

第五章 结论与展望

5.1 本文的主要贡献

5.2 本文存在的问题及研究方向展望

攻读博士学位期间发表的学术成果

致谢