纺织品的性能很大程度上由其组成的纤维和纱线的性能决定,纺纱、织造和后整理的工艺为最终的产品提供了多样化的最终用途。研究纤维、纱线的性能和工艺参数对纺织品的设计和品质的提高具有现实的意义。利用试验寻求最佳的成纱结构来生产新纱线,存在工艺流程长、实施效率低、受纺纱设备、环境和测试方法影响大的问题,且无法从理论上定量解释纱线的强力增强效应、临界捻系数的存在、纤维交互作用等对强伸性能的关系。如果可以用较准确的数理模型来预测纱线的强伸性能,而不必将最终的纱线进行破坏性拉伸测试,既省时省力,又对纱线的生产乃至最终织物的设计提供了理论基础,具有重要的理论意义。纱线的强力是体现纱线质量最重要的指标之一,本论文研究的主要工作就是建立由长丝组成的不同结构纱线的强力预测模型。强力预测模型就是在不进行破坏性试验的前提下能够用来预测纱线的相关力学性能,利用纤维和纱线的特征参数,描述出纤维性质、工艺参数和纱线结构参数对纱线应力应变等行为的影响,用来预测纤维尺寸、模量、捻度水平和其他参数的变化情况,量化纤维参数的变化对最终纱线产品强力的影响。本文研究的基本思路:建立纱线的几何模型、推导变量之间的数理关系、试验验证其正确性和不断完善模型。研究对象为由长丝构成的具有不同纱线结构的加捻复丝纱、双股纱和包缠纱。本论文的主要研究内容为:(1)建立了三种结构纱线强力的基础模型。将结构纱线视为连续体,借助连续介质力学的假设与规律,用本构方程来描述连续介质模型对外部作用的响应情况。通过对纱线和长丝性质及排列分布进行相关的假设,建立不同结构纱线的几何结构模型,对其短片段进行力学分析,推导其外在应力应变和拉伸模量的关系,得到三种结构纱线的强力基础模型,并分析了该基础模型可能存在的不足。(2)对基础模型进行改进与分析。针对基础模型的不足进行了具体的改进,主要考虑了长丝的排列方式、拉伸模量的精确化、加捻产生的预应力、纱线结构参数随加捻和应变的变化、单纱之间的抱合力等因素。在此基础上定量地分析了模型中主要参数对最终强力的影响,并通过试纺试验来比较基础模型和改进模型预测能力的优劣,验证模型的有效性和进一步修正的必要性。(3)针对在较高捻度水平下参数模型不能进行良好预测的情况,提出了纱线强力的半参数模型,使用理论关系估计的变量转变为通过试验观测来进行回归估计,主要是针对成纱模量和直径随应变和捻度的变化。通过对纱线拉伸曲线数据进行差分运算获得其实际的拉伸模量,采用视频显微镜和图像处理的方法测量成纱的直径,并采用二阶段的回归估计其分布。最后通过试纺试验来比较参数模型和半参数模型预测能力的优劣。(4)研究了半参数模型中纱线直径在较高捻度水平下的非参数估计。通过搭建对纱线直径进行连续测量的系统,获得纱线直径的实际变化情况,建立其与应变和捻度的回归关系。系统主要分为装置设计和搭建的硬件部分,和以图像处理和界面设计为主的软件部分,并设计了GUI封装为可执行程序。系统可对拉伸中的纱线进行动态测量,为纱线强力的半参数模型提供可靠数据。(5)提出了纱线强力模型应该是按照捻度水平的不同而分段采用参数模型和半参数模型,并在全捻度范围内进行了强力预测值与试验值的对比,验证了强力模型的预测能力,并在拉伸曲线和强度利用率等方面的应用进行了探讨。通过本课题的研究,主要得到了以下结论:(1)建立了加捻复丝纱、双股纱和包缠纱强力的参数模型(基础模型和改进模型),并进行试验验证。采用无捻的涤纶FDY复丝作为单纱进行纺纱试验,对于加捻复丝纱下的5个捻度,基础模型的理论值与试验值的偏差分别为60.37%、21.30%、8.19%、7.76%、4.05%,改进模型与试验值的偏差分别为5.49%、1.35%、3.64%、0.12%、1.65%,改进模型的结果在各个捻度水平下都优于基础模型;对于双股纱下的5个捻度,基础模型的理论值与试验值的偏差分别为6.41%、18.41%、41.47%、69.32%、100.16%,改进模型与试验值的偏差分别为6.57%、1.69%、3.27%、7.47%、11.08%,改进模型也基本上优于基础模型;对于包缠纱下的5个捻度,基础模型的理论值与试验值的偏差分别为2.53%、34.18%、60.32%、48.73%、90.68%,改进模型与试验值的偏差分别为14.18%、5.12%、0.51%、10.38%、18.07%,改进模型在除了第一个捻度水平下均优于基础模型。总体而言,在强力预测能力上,改进模型是优于基础模型的,但是也发现在捻度水平较高的情况下,存在理论计算值与实测值的差异较大的问题。(2)针对改进模型在较高捻度水平下的理论值与实测值的偏差较大,提出了纱线强力的半参数模型,并进行试验验证。在本试验条件下,参数(改进)模型与试验值的偏差分别为6.57%、1.69%、3.27%、7.47%、11.08%,半参数模型与实验值的偏差分别为18.14%、17.14%、13.53%、5.83%、9.03%。结果表明在低中捻度水平下,参数模型优于半参数模型,在较高捻度水平下,半参数模型优于参数模型。(3)针对测量纱线直径的装置在拉伸程度和数据量方面的不足,设计了一套整合了纱线直径连续测量和纱线图像分析的系统。装置的试验应用可对纱线图像和纱线拉伸过程的视频进行动态测量,结果表明低捻纱线的直径分布相邻点之间变化平稳,中捻和高捻纱线的直径分布有周期性的波动;该测量系统的测试结果在较高捻度水平下可用于半参数的强力模型,两个捻度水平下与试验值的偏差为0.50%和1.60%。(4)综合上述研究,提出了纱线强力模型应该是按照捻度水平的不同分段采用参数模型和半参数模型,并在拉伸曲线和强度利用率等方面的应用进行了探讨。在本试验条件下,对于复丝纱,采用参数模型,除最高捻度水平外,与试验值的偏差均小于6%,平均偏差为3.09%;对于双股纱,捻度水平在0~706 tpm之间采用参数模型,707 tpm以上采用半参数模型,与试验值的偏差均小于7%,平均偏差为2.95%;对于包缠纱,捻度水平在0~141 tpm之间采用参数(基础)模型,142~706 tpm之间采用参数(改进)模型,707 tpm以上采用半参数模型,与试验值的偏差均小于8%,平均偏差为3.82%,验证了模型的正确性。将强力模型应用于预测拉伸曲线,各数据点之间的平均偏差分别为5.60%、7.01%、3.01%、8.68%和1.63%,理论估计的拉伸曲线与试验所得的曲线偏差很小。将纱线强力的参数(改进)模型应用于预测强度利用率,能够预测三种结构纱线随捻系数变化的单纱强力利用系数,并进一步计算其单纱强度利用系数,除部分高捻水平下,预测与试验的结果相当接近。对于复丝纱平均偏差为3.92%,对于双股纱平均偏差为5.54%,对于包缠纱平均偏差为9.82%。总体上参数模型能较好地确定结构纱线的强度利用系数的变化,可以用来确定临界捻系数。本论文建立的强力预测模型以及相关探讨和分析为研究纱线强力与纤维性质、工艺参数和结构参数之间的关系提供了理论基础,也能为纺纱工艺的优化提供指导,同时此研究方法为纱线强力相关问题的研究提供了借鉴意义。