糸構造による表面効果のシミュレーション技術
池口達治 * 1

宮路千乃 * ２

Simulation of Fabric Surface and Effect of Yarn Structure on it
Tatsuharu IKEGUCHI, Yukino MIYAJI
Owari Textile Research Center, AITEC ＊１＊２
強撚糸を使った織物では糸が座屈変形を起こしたり織物表面にしぼが発現することがある。この発現傾向は製造条件により異なることが経験的に知られているが、明確な理論は確立されていないため、織物設計の段階で表面形状を予測することは困難である。そのためしぼ織物を開発するときは試織が不可欠であり、これに要する時間とコストは企業の大きな負担になっている。本研究はコンピュータを用いてしぼ形状を予測することを目的とし、実験からしぼの発現傾向を明らかにするとともに、糸の座屈形状の３次元モデルとして従来から提唱されている等振幅等ピッチらせんモデルの欠点を補った異振幅異ピッチらせんモデルを提案した。さらにこのモデルを発展させて、しぼは糸の座屈変形が大きい箇所から発生し、これが逐 次 伝 搬 し 織 物 全 面 に 広 が る と の 考 え に 基 づ き 、 織 物 面 の ３ 次 元 し ぼ モ デ ル を 提 案 し た 。
以上の報告からフィラメント糸織物のしぼ形状を理

1. はじめに論的に予測することは可能ではあるが、小森らが言及し糸の構造には撚り数、紡績方法、原料など多くの因子ているように現段階では課題が多く残っている。一方、が含まれるが、そのうち撚りは織物表面にしぼを発生さ紡績糸織物の分野では実験結果に基づきしぼを予測しよせ、織物表面形状に最も大きく影響する。

うとする試みがされてきた。

加撚した糸にはひずみエネルギーが内在しており、解大野ら 7) は、ねじり座屈の形状および織物組織による撚トルクが発生したとき糸はらせん形状になる。Hearle

糸のクリンプ形状をそれぞれ正弦波曲線で近似し、織物ら4)5)

は、１本のフィラメントがらせんを形成したときのひずみエネルギーを理論的に求めている。
山本ら6)

は、Hearle らの理論をポリエステルクレープの収縮率などを基に糸の座屈形状を予測する式を導いた。
ただしひとつの織物断面における糸の形状を扱っており織物表面については扱っていない。

織物に適用した。織 物の中で糸がねじり座屈変形を起こ

山下ら 8)9) は、綿クレープ糸における撚数、緯糸密度、すとき織物はせん断変形を伴う。このときに要する仕事番手としぼ数、しぼのピッチ、らせん振幅との関係を実量を考慮し、ひずみエネルギーを最小とする条件からし験から導いた。しぼの断面形状は相似形でもなくピッチぼの高さと周期を求めた。その結果、実際の織物に観測の変化と振幅の変化が複合的に生じているため、しぼ立される傾向と一致し、フィラメント糸のように解撚トルちによる収縮を単なる等振幅らせんのピッチの変化としクが均一な条件においては、糸の性状から織物のしぼのてとらえることはできないことを示唆している。

形状を予測することが可能であることを示した。
小森ら10)

紡績糸は糸むらが存在するためフィラメント糸と同は、山本らの理論を修正し、しぼが形成され様の理論的アプローチによりらせん形状を導くことはでるための条件や、織物の平衡状態に関するパラメータを、きない。しかし、しぼの発現傾向を推測することは可能糸の曲げとねじりの剛性率、織り密度、織物のせん断剛である。本研究では梳毛糸織物のしぼ形状をシミュレー性率、および糸の自己解撚の強さによって表す理論式をションすることを主眼に置いて研究を進め、糸の撚りと誘導した。しかし３種類の剛性率の信頼できる測定値の織物規格と織物表面形状との関係について実験を行った。

入手とともに理論から導かれた諸変数間の関数関係の検その結果をもとに織物表面形状をコンピュータを利用し証に焦点を合わせた実験研究が必要と述べている。てシミュレーションする技術 1 ) 2 ) 3 )について検討した。

*1 尾張繊維技術センター開発技術室*2 尾張繊維技術センター加工技術室

2. 実 験 及 び 考 察
2.1 座屈形状のモデリング
糸の座屈は解撚トルクが要因であることがこれまで

2 . 2 試料
撚り数、密度の異なる平織および綾織を作成し、しぼの発現状態を観察した。
試料 1の研究でわかっている。太さムラがなく撚りも均一であ

組織:平織

使用糸:経;梳毛糸 2/60,緯;梳毛糸 1/30

る糸の場合、糸の座屈は均一に生じると考え 図 １ に示す

撚係数:経;80, 緯;88,150,180,210

ように等振幅等ピッチのらせん形状で座屈を表現できる。

筬密度:20,23,26 羽／in

引込数:2 本

打込数:22.1,28.1,34.0,40.0,46.0,51.9 本／in
理論密度比:経;67,77,87%

緯;37,47,57,67,77,87%

製織張力:経糸;平均 24gf/本,緯糸;平均 15gf/ 本
仕上方法:洗い 90℃10 分
図1

等ピッチ等振幅らせんモデル

しかし、紡績糸の座屈形状は等振幅等ピッチではない。

風乾 24 時間

試料 2
組織:3／1 綾織

使用糸:同上撚係数:同上図 ２ に熱水収縮後の梳毛糸に発生したねじり座屈の外筬密度:26 羽／in観写真を示す。上から普通糸（撚係数 88）、強撚糸（120）、打込数:40.0,46.0,51.9 本／in強撚糸（ 180）、超強撚糸（210）である。撚り数が増加

理論密度比:経 87%

するとともに座屈頻度と座屈半径が増加することがわか

製織張力:同上る。座屈箇所は糸が細い部分すなわち撚りが集中してい理論密度比は Brierley の理論密度を基準にした。図 4る部分で特に多い。一般にフィラメント糸の座屈変形は引込数:2 本
緯 67,77,87%
仕上方法:同上に一部試料の写真を示す。

平均的に発生し、紡績糸では不均一に発生することが知られているが、これは紡績糸に太さむらがあり、細い部分に撚りが集中し撚りが不均一になるためである。さらに糸単体で解撚が発生すると把持間のうち撚りが最も多い箇所でねじり座屈変形が発生し撚りがほかに移動する現象が起きる。糸が織物中で拘束されていると、撚りの移動が起きにくくなり、糸単体の状態と比べると織物中

図4

試料の一部( 試料 1, 経密度 67%,の糸の座屈変形は全体に平均的に発生する。

緯 密 度 5 7 % , 撚 係 数 図 左 8 8 図右 2 1 0 )したがって、紡績糸の座屈形状モデルを考える場合、
図 ３ に示すように、異振幅異ピッチのらせん形状モデルを適用するのが妥当である。このときの振幅およびピッチは糸の解撚トルクによって決まる。

2.3 解撚トルク
糸の解撚トルクを糸トルク計を用いて測定した。3gfの初期加重をかけて 70℃の熱水に浸水後、解撚トルク値が安定したときのトルク値で評価した。
図 5 に測定結果を示す。経糸は普通撚の双糸であり繊維はほとんどねじれ変形をしていないので解撚トルクはほとんど発生していない。一方、緯糸は単糸であり普通撚でも解撚トルクが発生している。撚係数の増加ととも

図2

梳毛糸のねじり座屈解撚トルク(ｇ・ｃｍ)に解撚トルクは比例的に増加する。
0.05緯糸経糸1001500.040.030.020.01050

図3異ピッチ異振幅らせんモデル

撚係数(単位長ｍ)

図5

糸の解撚トルク

2002502 . 4 糸お よ び 織 物 の 熱 水 収 縮 率2 .6 し ぼ 収 縮 率 と し ぼ 数

50cm の糸を 100℃の熱水に 10 分間浸水し、3gf の加重

しぼ収縮率としぼ数の分布をみるとどの試料も両者をかけたときと加重を加えないときの浸水前後の長さ比は直線上に並ぶ関係にあり、高い相関が認められる。すを測定した。なお、測定中はクリップで糸端を留めて解なわち、しぼによる収縮率は単位長さ当たりのしぼ数と撚しないように処置した。荷重を加えたときは座屈変形比例関係にあり、このことからも密度、撚係数の影響をが起きず、荷重を加えないと座屈変形が起きたが、いず受けることが明らかである。

れの場合も撚係数の増加とともに寸法変化率はほぼ比例
2 .7 し ぼ 高 さ的に増加することがわかった。
次に、織物に 20cm の印をつけ、仕上げ処理後に放置

風合試験器 KES の圧縮試験器を使用して 0.5g/cm2 加重状態およびしぼを伸ばした状態における長さを測定し、時の高さを測定し、しぼの高さを評価した。 図 7 に測定それぞれの収縮率を求めた。

結果を示す。しぼがほとんど発生していない撚り係数 88

織物収縮率としぼによる収縮率はよく似た傾向を示の試料では高さは 1.2〜1.3mm であった。最もしぼが多した。緯糸の撚係数が 150 までは収縮率はほぼ一定で、く発生した撚り係数 210 の試料では約 3mm である。密度

さらに撚り係数が増加すると収縮率が増加する。これはが増加するとしぼ高さは減少するが、これはしぼ数が減糸単体での収縮率の傾向と一致する。

少する傾向と一致している。しぼ高さは素材の曲げ剛性

また、緯糸密度が粗いほど収縮率は大きい。隣接する糸の間隔が離れているほど座屈変形しやすくなり、収縮等の影響を受けると考えられるが、今回の実験では素材が一種類なのでその評価に至らなかった。
5が増加すると考えられる。
糸が解撚、収縮することがしぼの要因であり、両者と量には密度の影響も大きいことがわかった。これは織物中で糸が変形を起こすには織物のせん断変形を起こすだけのエネルギーを要するためと考えられる。

厚さ(mm)も撚り数と比例関係にあることがわかった。しぼの発現

撚係数=88
撚係数=1804

撚係数=150
撚係数=21032102 .5 し ぼ 数2030

織物 10cm 間のしぼ数を肉眼で測定した結果を 図 6 に示す。しぼは大小のしぼが複合したものがあり、これは405060緯密度(本/in)

図7

撚係数および密度と厚さとの関係ひとつのしぼとして計測した。
緯糸密度が少ないときは撚り係数が大きいほどしぼ数が多く、撚り係数の影響の差が大きい。緯糸密度が増加するとしぼ数は減少し、減少の割合は撚り係数が大き3. シミュレーション
3.1 座 屈 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

いほど多い。このため緯糸密度が大きいときの撚り係数

紡績糸の座屈形状をシミュレーションする場合、まずによるしぼ数の差は小さい。これらは収縮率の傾向と一糸の座屈形状のむらに注目するべきである。むらを再現致する。また、経糸密度についても同様であり増加するするため、ここでは次式のモンテカルロ法を適用した。としぼ数は減少する。

yi = yi ‑1 + M * ( R1 * D1(yi) ‑ R2*D2(yi) )しぼ数(個/10cm）35撚係数=88
撚係数=150
撚係数=180
撚係数=210302520y:糸の直径i:糸軸の位置を表す添え字

M:最大変動値

R:乱数

D:距離係数 D(yi)=H/yi

H:最大直径値

糸むらの変動に近づけるために乱数成分に変動範囲15の限界値 M および H を設けることにより糸の座屈変形の10形状が自然な状態に近づく。なお、
H は糸むらに相当し、5M は撚り係数および織物密度に相当する。これらの値を02030405060緯密度（本/in）

図6

撚係数お よび密度としぼ数との関係

実験値と合わせて調整することにより糸の座屈シミュレーションを行った。 図 8 はこの式を使用して、強撚平織物で糸が座屈している様子をシミュレーションした結果である。実物と比較して良好であることを確認した。

4. 結び梳毛強撚糸織物に発生する糸の座屈変形およびしぼの形状をコンピュータシミュレーションすることを目的に、織物規格としぼの発生状態の様子を調べた。糸の撚係数が大きく、織物密度が小さいほどしぼが多く発生する。糸の座屈は撚りの解撚トルクが要因であるが、紡績
図8

織物中における糸の座屈シミュレーション( 図左: 縮 小 表 示, 図 右: 拡 大 表 示)

糸では太さむらに起因する撚りむらが存在し、座屈形状は一様ではない。
したがってシミュレーションをする場合は、糸の座屈3.2 しぼのシミュレーション形状のむらに注目するべきである。むらを直接的に再現実験により、糸の撚係数、織物密度と発生するしぼ形することができないので、ここではモンテカルロ法を適状の関係が得られ、織物規格が単位長さ当たりのしぼ数用した。糸むらの変動に近づけるために乱数成分に変動に大きく影響を及ぼすことがわかった。したがってしぼ範囲の限界値を設け、糸の座屈変形の形状が自然な状態のシミュレーションではしぼ数を主体とした方が実用的に近づくように工夫した。

かつ効率的である。

しぼについては、織物規格が単位長さ当たりのしぼ数

しぼのシミュレーションは異振幅異ピッチの３次元に大きく影響を及ぼす。したがってしぼのシミュレーシ

らせん形状で表される糸の座屈変形を出発点と仮定する。 ョンではしぼの高さよりもむしろしぼ数を主として考え
織物中に織り込まれている糸はクリンプ形状をとっている必要がある。糸の座屈変形量が大きい箇所から集中的るので、座屈形状とクリンプ形状を複合した形状をとるに発生し、周辺部分の変形を促進させると考えられるのことになり、断面形状は異なる周期と振幅を有する正弦で、この考え方に基づいたしぼのシミュレーション手法波曲線の和として表現することができる。

を提案した。今後はシミュレーション結果を実際の織物

しぼは糸の座屈変形量が大きい箇所から集中的に発と比較しその結果をシミュレーションアルゴリズムにフ生し、その周辺部分の変形を促進させると考える。一般ィードバックして予測精度の向上を図る予定である。に糸全体の撚数は与えられた撚係数に従い一定値をとるが、局所的な撚数は糸の太さむらにより変動している。

文献

この法則に従い、 図 9 に示すように撚数に変動が ある糸を並べたモデルを考える。撚数が設定値よりも大きい箇所を抽出し、さらにこれらの箇所がたて、よこ方向に近接する箇所を抽出する。図 9 では四角に囲った部分が撚数の多い部分、それらが近接する箇所を線で結んだ。これらの箇所では大規模な座屈変形が発生するため、大きくしぼが集中的に発生すると考える。これらの箇所でまずしぼが発現し、織物規格によって決定するしぼ数に応じた間隔で周期的に伝搬すると考えた。これらの考え方

1)池口, 都筑: テキスタイル&ファッション, VOL.16,No.42)池口, 都筑: テキスタイル&ファッション, VOL.17,No.11
3)池口, 宮路: テキスタイル&ファッション, VOL.18,
No.24)J.W.S.Hearle and A.E.Yegin: J.Text.Inst., 63,T490(1972)に基づき、新しいしぼのモデルを構築し、しぼシミュレ

5)J.W.S.Hearle: J.Text.Inst., 57, T441(1966)

ーション技術を開発した。

6)山本孝,高久明:繊機誌,48,T149(1992)

27)大野博, 河村博司 : 繊機誌, 50, T251(1997)

0-228) 山 下 重 和 , 高 寺 政 行 , 篠 原 昭 : 繊 機 誌 , 50,0-22T115(1997)

0-229) 山 下 重 和 , 高 寺 政 行 , 篠 原 昭 : 繊 機 誌 , 50,

0-22T155(1997)

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0-220-2

図9

しぼのモ デリング