Struktura a geometrie jednoduchých a dvouvrstvých (spojkových) tkanin

Zuhaib Ahmad, M.Sc.

Doctoral thesis

Structure and geometry of single and two layer stitched woven fabrics

Abstract:

Existují různé způsoby výroby textilií. Jednou z možností výroby je výroba na základě technologie tkaní. Kde tkanina vzniká vzájemným provázáním osnovních a útkových nití. Geometrie a struktura tkanin má významný vliv na její chování. Tkaná struktura je tvořena vzájemným silovým působením a parametry vstupujících soustav nití. Tkaniny jako jeden ze tří plošných útvarů jsou klíčové výztuhy, které nabízejí snadnou manipulaci, tvárnost a zlepšují rovinné vlastnosti. Většina kompozitů je vyrobena vrstvením z tkaných materiálů, kde může nastat separace jednotlivých kompozitních vrstev výztuže. Tento problém může být řešen pomocí použitím vícevrstvé tkané výztuže spojkové, místo jednoduché tkaniny. Ve struktuře vícevrstvé tkaniny spojkové dochází k propojení jednotlivých vrstev už při samotném procesu tkaní. Struktura a vlastnosti tkanin jsou závislé na konstrukčních parametrech, jako je jemnost nití, dostava (osnovy a útku), vazba, setkání atd. Jak je známo, tkaniny možné popsat pomocí matematických forem založených na jejich geometrii. Lze idealizovat obecné charakteristiky materiálů do jednoduchých geometrických tvarů a fyzikálních parametrů, k vytvoření matematické formulace. Modely mohou popisovat vnitřní geometrii tkanin popisem některé části vazné vlny. Avšak my potřebujeme model, který dokáže popsat vaznou vlnu jako celek - celou střídu vazby. V této studii se usiluje o vytvoření teoretického modelu geometrie jednoduché a dvouvrstvé tkané struktury a jejich ověření s experimentálními výsledky. První část práce se zabývá vývojem modelu a druhou částí je zpráva o ověření tohoto modelu. V první části, je líčen základní popis geometrie tkanin. Křížení osnovy a útku vytváří základní vaznou buňku tkaniny pro všechny typy provázání. Řada výzkumníků učinila mnoho pokusů najít vhodný model pro popis vazebné buňky. Byly vytvořené matematické modely pro vyjádření tvaru vazebné vlny v příčném řezu plátnového provázání v ustáleném stavu. Tyto geometrické modely byly také studovány z hlediska nalezení jejich limitních hodnot provázání. Po obsáhlých studiích byla geometrie vazné buňky (pro jednoduché a dvouvrstvé tkaniny spojkové) prezentována jako teoretické hodnocení využívající Fourierových řad. Tato studie ukazuje některé zajímavé matematické vztahy mezi konstrukčními parametry jednoduché a dvouvrstvé tkaniny spojkové. Ve druhé části této práce, byl ověřen teoretický model pro popis vzájemného provázání nití ve struktuře jednoduchých tkanin s plátnovou vazbou s využitím Fourierových řad. Teoretické modely byly porovnaný s experimentálními hodnotami získanými z reálné vazné vlny pomocí obrazové analýzy. Vnitřní geometrie tkaniny a deformace nití ve struktuře tkaniny s jednou a dvěma vrstvami byly hodnoceny metodou analýzy obrazu. Pro jednoduchou a dvouvrstvou tkaninu spojkovou v podélném a příčném řezu byla provedena analýza využitím Fourierových řad, kde vstupní funkce k vyjádření popisu byla použita lineární funkce f(x). Spektrální charakteristika, včetně popisu střednice vazné vlny získaných pomocí Fourierovy řady (teoretické) byla porovnána s experimentálními hodnotami, které jsou v podélném pohledu a příčném průřezu velmi blízké. Hodnocením geometrických parametrů osnovních a útkových nití v reálném průřezu tkaniny je možné porovnávat s teoretickým tvarem vazné vlny pomocí analýzy jejích jednotlivých souřadnic. V rámci práce bylo provedeno hodnocení a porovnání provázání a struktury tkaniny pro různé opakované velikosti střídy dvou-vrstvé spojkové tkaniny. Jak je patrné z výsledného hodnocení, poloha a velikost spojky přímo určuje tvar spektrální charakterist

Abstract:

iky vycházející z daného rozvoje Fourierovy řady použitého pro konkrétní popis tvaru vazné vlny spojkové dvouvrstvé tkaniny.

Abstract:

There are different ways of making fabrics but the most common method of producing woven fabric is by interlaced yarns. The woven fabric geometry and structure have significant effects on their behavior. The woven structures provide a combination of strength with flexibility. At high strains the yarns take the load together giving high strength, whereas at small strains the flexibility is achieved by yarn crimp due to freedom of yarn movement. Woven fabrics are key reinforcements which offer ease of handling, moldability, and improved in plane properties. Most of the composites are made by stacking layers of woven performs over each other which can cause the delamination failure in composite materials. This problem has been tackled by using multilayer woven perform as reinforcement, instead of single layer woven fabrics. In the multilayer woven structures, multiple layers of distinctive woven fabrics are being stitched during the weaving process. The structure and properties of a woven fabric are dependent upon the constructional parameters such as thread density, yarn fineness, crimp, weave etc. As we know, woven fabrics are not capable of description in mathematical forms based on their geometry because these are not regular structures; but many researchers believe that we can idealize the general characters of the materials into simple geometrical forms and physical parameters to arrive at mathematical deductions. It is always assumed that the variation of the fabric structure is insignificant in the analysis. The models given by these researchers can describe the internal geometry of woven fabric by describing some part of the binding wave. But we need a model that can describe binding wave in whole repeat and the validation is good from left or right side. We need to obtain not only geometry of binding wave but also spectral characterization for analyzing individual components, which can react on deformation of the shape of binding wave. In this study, an attempt is made to create a theoretical model on the geometry of plain single and two layer woven structures and verify them with experimental results. The first part of the work deals with the model development and the second part reports on model validation. In the first part, the basic description of the geometry of woven fabric has been described. The interlacing of one warp and one weft yarn creates the binding cell of the woven fabric. Many attempts have been made by different researchers to find a suitable model for describing the binding cell. They have worked mathematically to express the shape of the binding wave in a given thread crossing in a woven fabric in a steady state. The geometric models have been studied to find out their limitations as well. After a comprehensive study, the geometry of binding cell in plain weave for single and two layer stitched woven fabrics have been presented for theoretical evaluation by Fourier series. This study shows some interesting mathematical relationships between constructional parameters of single and two layer stitched woven fabrics, so as to enable the fabric designers and researchers to have a clear understanding of the engineering aspects of single and two layer woven fabrics. In the second part of the work, the theoretical model for the description of mutual interlacing of threads, in multifilament woven fabric structure using Fourier series, derived from plain woven structure has been validated with experimental results. The internal geometry of the woven fabrics and the deformation of the shape of the binding wave in the single and two layer stitched woven structures has been evaluated by the cross-sectional image analysis method. The approximation using the linear function f(x) in Fourier series along longitudinal and transverse cross-section has been performed for single layer and two layer stitched woven fabrics cross-section, which fits well to the experimental binding wave. The spectral characteristics of bi

Keywords

Tkaní, struktura tkanin, geometrie, tkaniny, Fourierovy řady, multifilament, výztuže, vazba

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 12. 2018

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Brigita Kolčavová Sirková, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering