鄭淑月，王 妮，丁 亦

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

0 前言

疫情時(shí)代下，身體素質(zhì)尤為重要，人們的健康意識(shí)持續(xù)增強(qiáng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)鍛煉的關(guān)注度大幅提升[1]。其中受場(chǎng)地限制較小的室內(nèi)輕器械運(yùn)動(dòng)成為流行風(fēng)潮，彈力帶運(yùn)動(dòng)是最典型的輕器械運(yùn)動(dòng)之一，彈力拉伸帶則是運(yùn)動(dòng)過程中用到的健身矯姿輔助器械，具有方便攜帶、價(jià)格親民的特點(diǎn)。[2]

彈力拉伸帶的材質(zhì)主要有純?nèi)槟z款和織帶款兩類，純?nèi)槟z款彈力拉伸帶自重輕、體積小，但有異味、易老化，存在諸多局限。織帶款彈力拉伸帶因?yàn)榭椢锬途脤?shí)用的特性，占有相當(dāng)大的市場(chǎng)占有率，經(jīng)過走訪調(diào)查后，專業(yè)健身教練對(duì)于彈力拉伸帶的使用頻率非常高，但是存在彈力拉伸帶拉力不夠，且沒有具體的拉力標(biāo)準(zhǔn)等使用痛點(diǎn)。

為探究合適的織帶款彈力拉伸帶的拉力標(biāo)準(zhǔn)，必須先了解織帶款彈力拉伸帶強(qiáng)力變化規(guī)律，但是關(guān)于織帶款彈力拉伸帶強(qiáng)力的理論研究，特別是有關(guān)其強(qiáng)力規(guī)律的研究很少。本文以研究織帶款彈力拉伸帶為對(duì)象，經(jīng)過建立強(qiáng)力預(yù)測(cè)模型，探究織帶拉伸強(qiáng)力變化規(guī)律，可為拉伸強(qiáng)力相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 彈力拉伸帶的設(shè)計(jì)開發(fā)

1.1 彈力拉伸帶概述

身體克服因彈力拉伸帶長(zhǎng)度改變帶來的不同彈性阻力以完成肌肉收縮訓(xùn)練的抗阻練習(xí)稱為彈力帶運(yùn)動(dòng)，彈力拉伸帶是該運(yùn)動(dòng)過程中用到輔助器械。其中，由于彈性阻力在拉伸過程中處于逐漸增大狀態(tài)，能夠解決恒定阻力訓(xùn)練的一些缺陷。目前學(xué)者[2]認(rèn)為恒定阻力鍛煉的不足在于:在骨骼系統(tǒng)力量最薄弱時(shí)，若選擇的阻力太大，則可能會(huì)造成肌肉拉傷等損害；在骨骼系統(tǒng)逐漸適應(yīng)負(fù)荷極限后，恒定阻力無法給予更大的刺激和強(qiáng)度，不利于肌肉爆發(fā)力的訓(xùn)練和發(fā)展。變阻運(yùn)動(dòng)則可以彌補(bǔ)這一缺陷，隨著軀干運(yùn)動(dòng)幅度的增大，外部阻力也在逐漸增加，但不會(huì)超出人體負(fù)荷極限，造成肌肉損傷，一定程度上又避免了運(yùn)動(dòng)速度的大量損失，保證肌肉爆發(fā)力的訓(xùn)練與發(fā)展。在瑜伽、普拉提等輕器械室內(nèi)運(yùn)動(dòng)中，使用彈力拉伸帶還能夠?qū)㈥P(guān)節(jié)承受的壓力降低，輔助筋骨拉伸，停留姿勢(shì)延長(zhǎng)時(shí)間，有效避免了訓(xùn)練時(shí)造成其他部位損傷。

基本訓(xùn)練方法:站姿深蹲輔助使用，可以主要鍛煉腿部和臀部肌肉群；胸前外推時(shí)使用，主要鍛煉胸大肌；彈力拉伸帶輔助髖外展、后伸，可以鍛煉大腿肌肉和臀部肌群。只要使用得當(dāng)，能讓使用者在狹小的空間內(nèi)也能獲得不亞于戶外運(yùn)動(dòng)的鍛煉效果[3－4]。

1.2 機(jī)織松緊帶概述

織帶是指以紗線為原料制成的管狀或窄幅狀織物，其中根據(jù)是否含有乳膠絲、氨綸、聚氨酯等彈性材料，又分為剛性帶和松緊帶。彈力拉伸帶其縱向具有較高的伸長(zhǎng)性及回彈性，屬于松緊帶類別。

根據(jù)工藝的不同，織帶也可分為機(jī)織松緊帶，針織松緊帶和編織松緊帶。彈力拉伸帶屬于機(jī)織松緊帶，織造過程中，經(jīng)緯紗與一組乳膠絲或氨綸等彈性材料結(jié)合，按平紋、重平、斜紋、經(jīng)二重或提花規(guī)律交織而成[4]。

以表組織為4上1下右斜紋，里組織為1上4下右斜紋的經(jīng)二重組織為例，紅色紗線表示表經(jīng)，藍(lán)色紗線表示里經(jīng)，黃色紗線表示緯紗，最粗的經(jīng)紗為彈性包覆紗。機(jī)織松緊帶的結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示:

圖1 機(jī)織松緊帶結(jié)構(gòu)圖及組織圖

1.3 影響機(jī)織松緊帶拉伸強(qiáng)力的因素

材料的性質(zhì)是由材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成該材料的基本單元的性質(zhì)及材料成形加工這三類因素所決定。即織物的拉伸性質(zhì)取決于紗線原料、織物結(jié)構(gòu)的拉伸性質(zhì)、織造過程中的成型加工損傷和測(cè)試條件的影響。

針對(duì)機(jī)織松緊帶而言，影響拉伸強(qiáng)力主要的因素及其機(jī)理如下所述:

(1)紗線原料，主要包括夾層的包覆紗和表里兩層紗線，針對(duì)機(jī)織松緊帶而言，拉伸強(qiáng)力主要來源于夾層的彈性包覆紗拉伸過程中形變產(chǎn)生的力。因此彈性包覆紗的品種、性質(zhì)、粗細(xì)、拉伸四特征指標(biāo)(斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、初始模量和斷裂比功)，對(duì)拉伸強(qiáng)力具有顯著影響。而表里兩層紗線對(duì)拉伸強(qiáng)力貢獻(xiàn)很小，在拉伸過程中，表里兩層紗線由原先的屈曲狀態(tài)逐漸伸直。進(jìn)一步拉伸時(shí)，紗線逐漸伸長(zhǎng)變細(xì)，發(fā)生纖維滑移和屈曲變形，最后由于表里固緊作用，延緩織物的進(jìn)一步伸長(zhǎng)，最終會(huì)先于彈性包覆紗斷裂。

(2)織物結(jié)構(gòu)是個(gè)復(fù)合要素，包括組織結(jié)構(gòu)、浮長(zhǎng)、經(jīng)緯密度、經(jīng)緯屈曲波高結(jié)構(gòu)相的波徑等等。組織結(jié)構(gòu)選擇導(dǎo)致組織循環(huán)、浮長(zhǎng)線、經(jīng)緯屈曲波高等排列構(gòu)形要素不同。組織結(jié)構(gòu)越緊密，則機(jī)織松緊帶手感越板硬，拉伸行為也變得剛硬，且拉伸強(qiáng)力力值范圍越大。在原料和組織結(jié)構(gòu)相同的情況下，經(jīng)緯密度直接影響織物的風(fēng)格和物理機(jī)械性能。在機(jī)織松緊帶中，縱向的彈性包覆紗經(jīng)密越大，拉伸強(qiáng)力力值范圍越大；恒定經(jīng)密的情況下，緯密越大，松緊帶越厚實(shí)、經(jīng)密、硬挺，隨之拉伸強(qiáng)力力值范圍也在一定程度上增大。

(3)織物織造過程，織造過程中彈性包覆紗的上機(jī)張力對(duì)機(jī)織松緊帶的拉伸強(qiáng)力有顯著影響。彈性包覆紗上機(jī)時(shí)拉伸比一般在1.5~2.0之間，織造過程中會(huì)受到其它層織物交織形成的束縛，下機(jī)時(shí)解除外力，恢復(fù)原長(zhǎng)。如果上機(jī)時(shí)，彈性包覆紗伸長(zhǎng)太大，下機(jī)后導(dǎo)致織帶起拱變形，表面凹凸不平整，拉伸時(shí)受力不均勻，應(yīng)力應(yīng)變曲線不光滑；如果上機(jī)時(shí)，彈性包覆紗伸長(zhǎng)太小，下機(jī)后則導(dǎo)致織疵，露出夾層彈性包覆紗，則為報(bào)廢次品。該工序中上機(jī)張力來源為經(jīng)軸上擺放的重錘數(shù)量，但該環(huán)節(jié)全憑工人按經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，量化指標(biāo)難度較高。

2 實(shí)驗(yàn)方案及分析

2.1 試樣準(zhǔn)備

根據(jù)以上分析，提取了對(duì)織帶款彈力拉伸帶彈力影響最大的關(guān)鍵因素，有彈性包覆紗的粗細(xì)、織物的經(jīng)密、織物緯密和織物結(jié)構(gòu)。本文樣品使用的彈性包覆紗均為乳膠絲，乳膠絲的粗細(xì)可以由乳膠絲的規(guī)格表征，織物的經(jīng)密可以用單位寬度內(nèi)使用的乳膠絲根數(shù)來表示。通過利用控制變量法，通過確定乳膠絲的規(guī)格、乳膠絲根數(shù)、織物緯密和織物結(jié)構(gòu)等其中三個(gè)因素，分別改變其中一個(gè)因素，探究不同原料和不同工藝參數(shù)對(duì)彈力拉伸帶的力學(xué)變化效果影響，探究其力學(xué)規(guī)律。

由于組織結(jié)構(gòu)變化多樣，并且難以歸一化成一個(gè)變量表示。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果分析和經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終選定表里組織結(jié)構(gòu)為七上一下右斜紋，中心夾層為一上一下單循環(huán)特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的尺寸參數(shù)為長(zhǎng)×寬:68 cm×8 cm，厚度:2 mm。

所用原料如下表1所示:

表1 原料表

樣品的工藝參數(shù)如下表2所示:

表2 樣品工藝參數(shù)表

每條織帶設(shè)置了3種不同的織物緯密，因此一共織造了45塊織帶樣品。

織帶下機(jī)后整理工藝參數(shù)為:加熱水溫80℃，烘干定型溫度為200℃。之后按照紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZT 63006－2019松緊帶，進(jìn)行織帶各項(xiàng)物理機(jī)械性能測(cè)試的檢測(cè)。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及處理

2.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

在每個(gè)試樣上剪1 m長(zhǎng)帶條，剪取3條，組成一組試驗(yàn)樣品。每個(gè)試樣測(cè)試1次，3個(gè)試樣數(shù)據(jù)為一組。使用HD026N＋織物強(qiáng)力儀織物強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)?？椢飶?qiáng)力試驗(yàn)機(jī)的夾具間距為100 mm，拉伸速度為100 mm/min，定伸長(zhǎng)值為25 mm和50 mm。部分拉伸曲線如下圖2、圖3所示:

圖2 拉伸距離為25 mm時(shí)的拉伸曲線

圖3 拉伸距離為50 mm時(shí)的拉伸曲線

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

由圖2、圖3可知，乳膠絲規(guī)格、乳膠絲根數(shù)、織物緯密、拉伸距離等這些因素共同決定了機(jī)織松緊帶的拉伸力值，每改變一個(gè)參數(shù)，都會(huì)影響其拉伸曲線。但乳膠絲規(guī)格、乳膠絲根數(shù)、織物緯密等變量，并非為連續(xù)變量，綜合來說，與拉伸曲線之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，無法用一個(gè)精確的回歸方程進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此選用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)處理方法。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種不需要選取基函數(shù)系的非線性函數(shù)逼近方法，特點(diǎn)在于建立處理和解決問題模型時(shí)，不需要選定精確的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模仿神經(jīng)元進(jìn)行工作和決策，通過大量初始數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，其結(jié)構(gòu)靈活多變，還能適應(yīng)外部變量的影響，不斷修改自身的行為，達(dá)到最終解決問題的目的[6]。

本文采用ANN(Artificial Neural Network，簡(jiǎn)稱ANN)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為三層，第一層為輸入層，最后一層為輸出層，中間為隱藏層，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采用BACKPROP反向傳播訓(xùn)練方法，神經(jīng)元激勵(lì)函數(shù)為sigmoid:

BP－ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過程如下:第一步，將輸入層中的初始數(shù)據(jù)前向傳播送至中間的隱藏層；第二步，通過激勵(lì)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，將輸出信息傳遞至輸出層，且正向傳播過程中網(wǎng)絡(luò)權(quán)值不變；第三步，輸出結(jié)果若與預(yù)期值有差異，則進(jìn)行反向傳播，并修改網(wǎng)絡(luò)權(quán)值；第四步，反向傳播完成后再次進(jìn)行正向傳播，循環(huán)往復(fù)直至差異值極小。

(1)輸入層和輸出層的設(shè)計(jì)

機(jī)織松緊帶拉伸性能影響因素決定了BPANN網(wǎng)絡(luò)輸入神經(jīng)元的個(gè)數(shù)，這些因素主要是:乳膠絲號(hào)數(shù)、乳膠絲根數(shù)、織物緯密、拉伸長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)于四個(gè)輸入?yún)?shù)，輸入神經(jīng)元數(shù)為4。拉伸性能最直觀的表示值就是拉伸強(qiáng)力值，對(duì)應(yīng)這一個(gè)參數(shù)，輸出神經(jīng)元數(shù)為1。

(2)隱含層數(shù)選擇

關(guān)于如何選取BP－ANN網(wǎng)絡(luò)的隱含層數(shù)，暫無明確方法，一般確定只能在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)短和所要求的精度平衡而定，也會(huì)在不斷的測(cè)試過程中調(diào)整，本模型隱含層數(shù)初步取3。

(3)權(quán)初始值和學(xué)習(xí)速率選擇

權(quán)初始值在輸入累加時(shí)使每個(gè)神經(jīng)元的狀態(tài)值盡可能接近于零，權(quán)初始值一般取隨機(jī)數(shù)，而且要求值比較小，這樣可以保證每個(gè)神經(jīng)元一開始都在它們轉(zhuǎn)換函數(shù)變化最大的地方進(jìn)行，本文采用改進(jìn)的自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)速率算法。

2.2.3 預(yù)測(cè)效果

本文采用了K折交叉驗(yàn)證方法以避免預(yù)測(cè)過程中數(shù)據(jù)分布不勻帶來的誤差。將K取為10，即全部樣本分為10個(gè)不相交子集，每次取1個(gè)子集作為測(cè)試集，其余子集為訓(xùn)練集。10折交叉驗(yàn)證過程中每個(gè)樣本均被當(dāng)作測(cè)試樣本進(jìn)行1次測(cè)試，即每個(gè)樣本均具有對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)值，最后計(jì)算預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差的絕對(duì)平均值。

圖4 BP－ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從所有樣品中隨機(jī)選擇225個(gè)實(shí)際拉伸力值和預(yù)測(cè)拉伸力值形成對(duì)照，紅色為實(shí)際強(qiáng)力值，白色為預(yù)測(cè)強(qiáng)力值，225個(gè)樣品實(shí)際拉伸力值與預(yù)測(cè)拉伸力值預(yù)測(cè)誤差在1 N內(nèi)的達(dá)到98.8%，對(duì)照效果如下圖5所示。

圖5 樣品真實(shí)拉伸力值與樣品預(yù)測(cè)拉伸力值對(duì)照?qǐng)D

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)效果，輸入全新參數(shù):乳膠絲規(guī)格52＃，乳膠絲根數(shù)79，織物緯密11P，拉伸距離35 mm，實(shí)際拉伸強(qiáng)力與預(yù)測(cè)拉伸強(qiáng)力平均誤差在2.12%，生成的隨機(jī)對(duì)照散點(diǎn)圖如下圖6所示:

圖6 52＃－79根－緯密11 P－拉伸距離35 mm的實(shí)際拉伸強(qiáng)力與預(yù)測(cè)拉伸強(qiáng)力對(duì)照散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

本文旨在尋找通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測(cè)機(jī)織松緊帶力學(xué)性能的模型。通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析，得出以下總結(jié)和不足:

(1)本文通過輸入乳膠絲粗細(xì)、乳膠絲根數(shù)、織物緯密和拉伸距離四個(gè)參數(shù)，訓(xùn)練BP－ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測(cè)機(jī)織松緊帶拉伸強(qiáng)力模型，在本批次樣本中平均誤差率在2.12%，隨機(jī)抽取225個(gè)模型預(yù)測(cè)強(qiáng)力值和真實(shí)強(qiáng)力值誤差在1N內(nèi)達(dá)到了98.8%，具有較高精度，同時(shí)驗(yàn)證了乳膠絲的規(guī)格和織物經(jīng)、緯密等工藝設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)織松緊帶拉伸強(qiáng)力有決定性影響。

(2)預(yù)測(cè)模型得到的拉伸強(qiáng)力曲線圖具有明確的拉伸強(qiáng)力范圍，不需要花費(fèi)大量人力物力測(cè)試，即可為織帶款彈力拉伸帶相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)流程提供依據(jù)和參考，但本批次樣品彈性包覆紗均為乳膠絲，預(yù)測(cè)模型有一定局限性。

(3)預(yù)測(cè)模型所使用的參數(shù)是和目標(biāo)變量有最大相關(guān)性且可量化的因素，其他相關(guān)的難以量化的指標(biāo)均被剔除，例如織物結(jié)構(gòu)、上機(jī)張力等。而在實(shí)際紡織織造過程中，很多工藝參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)力同樣有較大影響，應(yīng)加以綜合性考慮才能得到更準(zhǔn)確的強(qiáng)力預(yù)測(cè)結(jié)果。