纱线的应力松弛性能.pdf

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1、第2 8 卷第6 期 2 0 0 7 年6 月 纺织学报 J o 啪a 1o f I e x 廿l eR e a r c h V 0 1 2 8N o 6 J 岫2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 6 0 0 4 0 0 5 纱线的应力松弛性能 宋江超1 ，梁方阁2 ，石风俊3 ( 1 苏州大学材料工程学院，江苏苏州2 1 5 0 2 1 ；2 东华大学纺织学院，上海2 0 1 6 2 0 ； 3 中原工学院纺织工程技术研究中心，河南郑州4 5 0 0 0 7 ) 摘要以标准线性固体模型为基础，利用玻尔兹曼叠加原理对纱线在拉伸一松弛过程中的力学

2、行为进行分析，建 立纱线应力松弛的理论方程。在应变一定、拉伸速度不同情况下和拉伸速度一定、不同应变条件下分别对涤粘纱 和竹浆纤维，棉纱进行拉伸一应力松弛实验，求得纱线在各种情况下的应力松弛回归方程及其相关系数，理论计算和 实测结果在拉伸和松弛阶段都符合得很好。实验结果表明：该模型能够很好地模拟纱线在小应变下的松弛性能； 在其他条件相同的情况下，拉伸速度越大或纱线应变越大，纱线的松弛时间越短，松弛现象越明显。 关键词纱线；黏弹性；标准线性固体模型；应力；松弛 中图分类号：髑1 0 1 4文献标识码：A S t I I e s sr e I a x a t i o np r o p e n i e

3、 so fy a r n s S O N GJ i a I l g c h a 0 1 ，U A N GF a J l g g e 2 ，S H IF e n 舀u n 3 ( 1 S c 幻o z 旷肘如砌ZE 嚼聊一昭，s o o c o t t I 跏面邮毋，S “知，胁，舻u2 1 5 0 2 1 ，蕊渤；2 c o 萨o ，z 缸池， D o ，l 咖啪u h 觇m 妙，踟愕胁i2 0 1 6 2 0 ，强厶m ；3 z 缸如西翊n e e 矗愕口以死如加蛳如s 鲫曲c e 眦r ， 踟，l g y m n 船t 咖矿z 弩如研，Z k 嘞o H ，胁M n4 5 0 0 0 7 ，

4、c 打m ) A b s t r a c tT h es t r e s sr e l a x 砒i o np r o p e r t i e so fy 帅sa r es t u d i e d B a s e do nt l l e s u p e r p o s i t i o np I i n c i p l eo f B o l t z m a I l ，t h ee l o n g a t i o n s t r e s sr e l a ) 【a t i o np m e e s so fy a m si sa I l a l y z e du s i n gt I l es t

5、 a n d a r dl i n e a rs o l i dm o d e l T h e o r e t i c a le q u a t i o n so ft l l ee l o n g a t i o n s t r e s sr e l a ) 【a t i o np m c e s sa r ed e d u c e d T h ee l o n g 撕o n - s t r e s sr e l a x a t i o n e x p e r i m e n t so fp 0 1 y e s t e r r a y o na l l dr e g e n e m t e

6、db a I I l ：b o o 助e r c o t t o nb l e n d e dy 锄sa r ep e 面珊e du n d e rs u c h c o n d i t i o n sa sc o n s t a n ts t r e s sa n dd i H e 1 1 e n te l o n g a t i o nr a t e sa n dc o n s t a n te l o n g a t i o nr a t ea I l dd i f 亿r ；e n ts t r e s s e s T h er e g r e s s i V ee q u a t i

7、o n so fs t r e s sr e l a 】【a t i o n 跚dc o n e l a t i o nc o e f E i c i e n t so ft h ey a m sa r ec a l c u l a t e d T h e o r e t i c a l e x p e c t a t i o n sd i s p l a yV e r yg o o da g r e e m e m 而t l lt h ee x p e I i m e n to b s e n ，a t i o n s hi n d i c a t e st h a tt l l es t

8、a n d a r dl i n e a r s 0 1 i dm o d e lc a J lb eu s e dt od e s c d b et 1 1 es t r e s sr e l a 】【a t i o np m p e n i e so fy 锄su n d e rl o w e rs t r a i nc o n d i t i o n s ni s f o u n df 而mt h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lI - e s u l t st 1 1 a tt h eh i g h e rt h es

9、 t r a j no rt h ee l o n g a t i o nm t e ，t h el o w e r t h er e l a 【a t i o nt i m ea n dm o r e 印p a r e n tt h er e l a ) 【a t i o np h e n o m e n o n K e yw o r d sy a m ；v i s c o e l a s t i c i t y ；s t a n d a ml i n e a rs o l i dm o d e l ；s t r e s s ；r e l a X a t i o n 应力松弛是纤维黏弹性的典

10、型表现之一，黏弹 性所反映的实质是分子的运动及其结构的变 化。1 。模型理论早在2 0 世纪三四十年代就已应 用于纺织材料黏弹性的分析与研究，它不仅能直观、 形象地描述纺织材料的宏观力学行为，也可以对其 力学性质进行定量分析，力学模型已经成为研究纺 织材料力学性能的十分有效的方法b 7 0 。 本文借助于力学模型对纱线的松弛性能进行研 究，推出了应力松弛理论方程，分析了不同试验条件 对纱线松弛性能的影响。 1理论 应力松弛的测量需要对试样施以阶跃式的应 收稿日期：2 0 0 6 0 1 1 8修回日期：2 0 0 6 1 2 2 0 基金项目：河南省自然科学基金资助项目( 0 4 1 1 0

11、2 1 0 0 0 ) ；河南省教育厅基础研究项目( 2 0 0 4 1 0 4 6 5 0 1 2 ) 作者简介：宋江超( 1 9 7 9 一) ，男，硕士生。研究方向为纺织材料和工程管理。石风俊，通讯作者，E - m a i l ：f e n 商蛆s l l i 3 7 1 n e t 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期宋江超等：纱线的应力松弛性能 4 1 变，而采用电子万能材料试验机( h l s t m n ) 研究应力 松弛时，

12、拉伸到一定应变需要时间，因此，必须要考 虑拉伸阶段的影响。在本文试验中，以恒定的速率 对纱线进行拉伸，纱线的内应力逐步增加，达到一定 伸长后维持在恒定应变，纱线开始应力松弛，内应力 逐步下降，实测得到的典型拉伸一松弛曲线如图1 所示。 宁 k 粤 老 苦 图1 纱线拉伸一应力松弛试验曲线 F i g 1 S t m s sr e l a x a t i o ne x p e r i m e mc u r v e so ft l I ey 唧 纱线拉伸一应力松弛过程中应变和应力盯随 时间的变化关系见图2 。纱线先以恒定应变速率尼 伸长，e ，( t ) = 胁，应力逐渐增加。在f 。时刻，纱线

13、应变达到e 。，然后应变维持恒定，纱线开始松弛，应 力逐步下降。根据玻尔兹曼叠加原理，这相当于在 应变e ，( t ) 随着时间变化的基础上，在t 。时刻再加 上一个反向应变e 2 ( ) ，e ：( t ) = 一后( f t 。) ，在 f o 时，e 1 ( f ) + e 2 ( t ) = e o 。应变e 1 ( f ) 和2 ( ) 所产 生的应力分别为盯。( t ) 和盯：( f ) ，在f 。时，纱线的 应力叮= 口l ( ) ；在f f o 时，盯。( t ) 和仃2 ( f ) 叠加即可 得到纱线的松弛应力盯( t ) ，仃( t ) = 仃，( f ) 一口：( f )

14、 。 ，一J l ， ，- ， 一、s 、- - 一 一一一J 一一。d 1 ，、 幽 f 0 。、羔一 d n 图2 纱线松弛应力、应变叠加原理 F i g 2P r i n c i p l eo f 叭p e r p o s i t i o nf o rt l l es 吮s s 蛐ds 扛a i n 本文选用标准线性固体模型分析纱线的拉伸一 应力松弛过程。标准线性固体模型是由1 个虎克弹 簧和伏欧托( V o i g l l t ) 模型串联而成的，如图3 所示。 模型的上半段是1 根螺旋弹簧，弹性模量为E ，下 半段由1 根弹性模量为E ：的螺旋弹簧和1 只黏滞 系数为7 7 的活塞式

15、阻尼器组成。 图3 标准线性固体模型 F i g 3 S t a n d a r dl i n e a rs o l i dm o c l e l 纱线在拉伸过程中以恒定应变速率| j 伸长，即 形变e 。= ( t ) ，则拉伸过程的应力方程为2 1 “纠= 麓百岛 ( 1 ) 式中：仃。( ) 为。( c ) 所产生的应力；E 。、E ：分别为 模型中上、下螺旋弹簧的弹性模量；刁为活塞式阻尼 器的黏滞系数；| 为一常数。 为简化公式，设彘观器露一 n 瓦y 纫= 6 ，则式( 1 ) 可化为 盯，( ) = o f + 6 ( 1 一e 一“r )( 2 ) 式中：o 、6 为代数量；r

16、为模型的松弛时间。 同理，可得：( t ) 所产生的应力叮：( ) 为 盯2 ( f ) = o ( 一o ) + 6 ( 1 一e 一卜7 r )( 3 ) 可得松弛应力： 巧( ) = d l ( ) 一仃2 ( 舌) = 8 + 6 ( 1 一e 一“r ) 一 o ( t t o ) + 6 ( 1 一e 一“一。v r ) = o t o 6 ( e 一7 r e 一一2 0 7 r )( 4 ) 2 试验部分 采用5 5 8 2 型I l l s t m n 电子万能材料试验机。按 照I S O2 0 6 2 ，预加张力为0 5c N t e x ，此时，纱线伸直 而不伸长，即应变

17、为0 。试样为线密度1 4 5t e x ( 实测 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 4 2 纺织学报第2 8 卷 值为1 3 4 8t e x ) 的涤粘T 5 0 ，R 5 0 混纺纱和3 6 4t e x ( 实测值为3 6 7 2t e x ) 的竹浆纤维，棉B 3 0 ，c 7 0 混纺 纱，其力学性能参数列于表1 。试样长度为5 0 0m m 。 拉伸与松弛试验分别在不同应变速率和不同应变条 件下进行，应变速率分别为5 、1 0 、2 0

18、 、3 0 、4 0 r I l i n5 个水平，应变分别为0 5 、1 、2 、3 和4 5 个 水平。每一水平测试5 次。大气条件为：温度 2 0 ，相对湿度6 0 。 表1 竹浆纤维，棉纱与涤，粘纱力学性能 I I 协1M h n i c mp r o p e 州嚣o fB ，Cy 肌蛐dT ，Ry a md 叫i 鸣e 姗e 戚伽 3 结果与讨论 利用I n s t m n 电子万能材料试验机在不同应变 速率和应变条件下分别对2 种纱线进行松弛试验， 涤粘纱和竹浆纤维棉纱在不同应变速率下的实测 应力松弛曲线分别如图4 中的散点所示，涤粘纱和 f * 粤 考 R 趔 ， 嚣 Z 3 、

19、 R 翅 竹浆纤维棉纱在不同拉伸应变下的应力松弛曲线 分别如图5 中的散点所示。根据推导出的理论方程 ( 4 ) ，利用实测数据分别计算出应力松弛曲线的回归 方程，涤粘纱和竹浆纤维棉纱在不同应变速率下 的应力松弛回归方程分别列于表2 。由回归方程计 算得到的理论应力松弛曲线如图4 中实线所示。可 以看出，理论曲线与实测数据均符合得很好。 Ol O2 03 04 05 06 0 时间店 ( b ) 竹浆纤维棉纱 图4 涤粘纱和竹浆纤维，棉纱在不同应变速率下的松弛曲线 F i g 4 R e l a x a t i o nc u e su n d e rt l l ed i 色r e n te x

20、 t e I l s i o nm t eo fT ，Ry 锄( a ) a n dB ，cy 帅( b ) O1 02 03 04 05 06 07 0 时间，s ( a ) 涤，粘纱 f 嚣 毛 ￥ R 翅 01 02 03 04 05 06 07 0 时间s ( b ) 竹浆纤维棉纱 图5 涤，粘纱和竹浆纤维棉纱在不同拉伸应变下的松弛曲线 F i g 5 R e l 缸撕o nc u r v e su n d e rt l l ed 证e r e n te 蜘n s i o ns 嘣no fT ，Ry 啪( a ) 蛐dB ，Cy 啪( b ) O 5 O 5 O 5 O 如 ”加“ 加

21、吣。 一1_巷_宅v、R议 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期宋江超等：纱线的应力松弛性能 。4 3 竹浆纤维，棉 2 4 盯= O 0 7 15 2 4 0 5 3 73 ( e # 1 2 盯= O 1 4 52 x1 2 0 7 0 23 ( e f 6 d = O 3 1 34 6 一O 8 4 3 ( e 一“0 7 一e 一一6 “) 4 盯= O 4 5 22 4 1 1 4 07 ( e 一，36 2 e 一( 。一4 ) 培

22、6 2 ) 3 d = O 6 1 04 x3 一1 4 1 7 ( e 一7 3 1 0 e 一一3 7 3 1 0 ) 3 1 应变速率对纱线松弛性能的影响 由图4 可知涤粘纱和竹浆纤维，棉纱在不同应 变速率下拉伸至一定应变时的应力松弛曲线呈现出 一致的趋势。试样在松弛开始阶段应力下降很快， 但试样受到的应变恒定，经过一段时间松弛后应力 几乎不再变化。应变速率越大，纱线内部所产生的 最大应力也越大，松弛时应力的下降也越快，随着时 间的延长，各应变速率下的应力松弛曲线逐渐趋于 重合。由表2 的回归方程可以看出，应变速率越大 时，应力松弛时间丁越小，即松弛现象越显著。表2 中回归方程中的突变点

23、( 如图4 所示各曲线的转折 点) 为外力拉伸结束与松弛产生的分界点，拉伸过程 中纱线主要为线性变化过程，松弛产生过程形变呈 指数曲线变化。 3 2 拉伸应变对纱线松弛性能的影响 图5 分别为涤粘纱和竹浆纤维棉纱以一定应 变速率拉伸至不同应变时的应力松弛曲线。纱线在 应变速率一定的条件下，应变越小时，理论曲线与实 测数据越符合，这说明纱线在小变形情况下是线性 黏弹体；应变较大时，纱线或多或少会产生一些塑性 变形，从而使松弛应力减小，这表现在应变为4 时，随着时问的延长，2 种纱线的实测松弛应力低于 理论曲线。从表3 的回归方程可以看出，随着纱线 松弛应变。的增大，应力松弛时间F 大致呈现出 变

24、小的趋势，即松弛变的明显，这在图5 中也可以看 出来。但应变为4 时的应力松弛曲线，松弛时间 r 较大，这可能是与棉和粘胶在应变率较大时容易 产生塑性变形有关。 4结论 1 ) 利用标准线性固体模型对纱线在拉伸一应力 松弛过程中的应力变化进行分析，建立了应力松弛 方程，理论值与实测值在拉伸和松弛阶段都符合得 很好，这说明标准线性固体模型能够很好地模拟纱 线在小应变下的松弛性能。 2 ) 在应变速率相同的条件下，纱线松弛应变越 大，松弛时间越短，松弛现象越明显；在应变相同的 条件下，纱线拉伸应变速率越大，松弛时间越短，松 弛现象越明显。 6 4 4 9 8 7 g g 鳃 O O O ， m 如

25、 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 4 4 纺织学报第2 8 卷 3 ) 纱线应变量较小时，理论曲线与实测数据更 为符合。 参考文献： 1 于伟东，储才元纺织物理 M 上海：东华大学出版 社，2 0 0 1 ：7 1 一1 2 0 2 严灏景纤维材料学导论 M 北京：纺织工业出版 社，1 9 9 0 ：2 8 0 2 9 6 3 N a c h a I l e RP ， s u n d a r ：a mV A n a l y s i so fr e

26、l a ) 【a t i o n p h e n o m e n ai nt e x t i kf i b e r s J J o u l a lo fT e 姬l eI n s t i t u t e ， 1 9 9 5 ，8 6 ( 1 ) ：l O 一3 2 4 5 6 7 8 蛳F e 哂I l I l ，H uJ i I l l i 蛐，Y u I o n 鲥S t u d yo nb e n d 堍o f w o v e nf 蜘c 8u s i n gl i n e 盯、r i s c o e l 聃t i c i t yt l l e o r y 【J J o u m a l

27、o fc h i n a7 r e x t i l eu l l i v e 玛i t ) ，2 0 0 1 ，8 ( 1 ) ：5 1 5 6 崔世忠，石风俊大豆蛋白质纱拉伸性质建模的研 究 J 纺织学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 4 ) ：3 2 4 3 2 6 张涛，鲍文斌，俞建勇竹浆纤维力学性能的模拟分 析 J 纺织学报，2 0 0 5 ，2 6 ( 1 ) ：3 0 3 2 张洪弟，骆呈军三元件模型理论及其在纺织上的应 用 J 北京纺织，2 0 0 4 ，2 5 ( 2 ) ：5 7 6 1 赵伟玲大豆蛋白纤维纱线力学分析与染色性能研 究 D 西安：西安工程科技学院，2 0 0 3 ：2 0 4 4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark