研究論文

織物断面の動的シミュレーション技術の確立
太田幸一 *1

池口達治 *1

Simulation of Woven Fabric Construction in Dynamical State
Kouichi OHTA *1 and Tatsuharu IKEGUCHI *1
Owari Textile Research Center, AITEC *1
織物の引張や曲げなどの変形により織物内部の構造を解析し、変形途中の構造変化を動的かつ立体的にシミュレートするソフトウェアを開発した。織物の変形量と構造との関係をアルゴリズムに組み込んだことにより、変形時の織物構造を実物に近い状態で表現することが可能である。織物の変形を考慮した厳密な構造設計が要求される資材用織物などの分野において特に有効である。

１．はじめにのシミュレーションが未到達領域であるため、本研究は、高付加価値をもつ製品の設計を迅速に行うことが要

従来の３次元モデルのモデリング手法を元に引張および求されている現在では、要求されている力学的特性を実曲げの変形シミュレーションを実施する手法について検現する織物の構造を製織することなしに予測することが討を行った。

必要となっている。特に、シミュレーション技術の発達

２．糸の変形特性の測定により、様々な材料の CAE が実用化されているが、織物に代表される繊維材料は、その可撓性により汎用の CAE技術をそのまま用いることが難しいため、CAE の実用化

2.1 測定方法
引張など織物の変形特性にはそれを構成する糸の引張および圧縮挙動が大きく影響することは多くの研究者が遅れていることが問題視されている。
織物のCAE技術の実現のため、織物組織図から三次元が報告している 10-19) 。したがって、織物変形のシミュレモデルを算出し変形状態をシミュレーションにより求めーションを実施するには糸の外力による形状の変形特性る研究が行われている。Hearleらは最小エネルギ法を用を知る必要があるので、ポリエステルマルチフィラメン

いた力学特性計算手法

1,2)を元に織物の３次元モデリン
3)

ト糸の引張変形および圧縮変形の測定を行った。引張変グを行うソフトウェアTechTextCADを開発している 。ま形試験装置を図１に示す。引張試験機（オリエンテックた、Lomovらは 5 次多項式を使用して糸の屈曲状態を表製RT-1250A）を用いチャック間距離 200mm、引張速度4)現する方法 を提案しており、この手法を利用して組織20cm/minで糸の引張試験を行い、この時の外径の変化を図から織物の立体構造モデルを作成するアプリケーショ

レーザー式外径変位センサ（キーエンス製LS-3000）で5)ンソフトWiseTex を開発している。LomovらのWiseTex測定した。

は引張・せん断変形時の構造変化シミュレーションが可

圧縮変形試験装置を図２に示す。圧縮変形については、能であり、一般的な織組織の他、多層構造組織の場合でHarwoodらが糸の側面から圧縮を行い、この時の糸の上も織物構造のモデル化が可能であるが、複合材料向け織方向および側面方向の太さを画像処理により測定する方物の構造設計に開発されたため、資材や複合材料の設計

法 19) を報告している。この手法では細番手の糸についてには有効であるものの、一般的な織物の設計には不向きは適応が難しいので、ガラス板に挟んだ糸に対し上方向であると考えられる。WiseTexは引張・せん断変形時の、から荷重を加え、糸の上方向から観測した太さ変化をビ

TechTextCADは引張時のみの構造変化シミュレーション

デオマイクロスコープ（キーエンス製VH-5900）で、側が可能である。著者らも組織図から織物の３次元構造の面方向から観測した太さ変化ををおよびレーザー変位計

モデル化に関する研究 6-9) を実施してきたが、変形シミュ（キーエンス製LB-01）を用いて測定した。この時の荷レーションには対応していないため、変形シミュレーシ

重は電子天秤（ザルトリウス製BP3100P）で測定した。

ョンを実現させる必要が生じてきた。特に、現在３次元2.2 測定結果

モデルの変形シミュレーションでは曲げによる構造変化＊

1 尾張繊維技術センター

開発技術室

引張実験結果を図 3 および図 4 に示す。図 3 は撚係数

0.8

K=00.6dt (mm)K=33.8
K=60
K=900.4

K=1200.2

図1引張変形試験装置

00

図451015Tension (cN/tex)20

伸長時の外径変化に及ぼす撚係数の影響

圧縮実験結果を図 5〜図 7 に示す。横軸は糸の単位長さあたりの圧縮荷重(cN/mm)、縦軸は初期の糸断面を円形と仮定しその直径d 0 に対する圧縮時の太さd 1 との比を示す。図 5 は、撚係数を 33.8 と共通とし、番手が異なる糸の実験結果である。図 6 は、番手を 300Dと共通とした場合の撚係数が異なる場合の実験結果である。いずれも初期張力は 9.8cNとした。図 7 は番手(300D)、撚係数(33.8)とも同じで初期張力が異なる糸の実験結果であ
図2

圧縮変形試験装置る。図 5、6、7 とも低圧縮荷重では圧縮荷重の増加によが同じ(33.8)で線密度が異なるときの実験結果である。

り、太さ、厚みとも大きく変化するが、高圧縮荷重では

図 4 は線密度が同じ(300D)で撚係数が異なるときの実験

太さ、厚みとも変化が小さい。図 5 から番手が異なって結果である。張力の増加により外径は小さくなっていくも太さ、厚みとも変化の割合はほぼ同じなので、番手はが、あるところから張力を大きくしても外径はそれほど圧縮特性に影響を与えないことがわかる。図 6 から撚係変化しなくなる。これは、低張力状態では繊維間の空隙数が大きい糸の方が撚係数の小さい糸に比べて太さ、厚が大きく、空隙が限界に近づくと外径の変化が見られなみとも変化の割合が小さいので、撚係数は圧縮特性に影くなるためであると考えられる。また、撚係数が大きく響を与えている。図 7 では初期張力が大きくなると太さ、なれば低張力状態ですでに空隙が小さくなっているため、厚みとも変化の割合は小さくなっていき、高張力状態で外径変化も小さいものと考えられる。

はと太さ、厚みとも変化の割合がほとんど変わらない事が確認された。以上より、伸長張力の変化や撚係数の違0.5

いにより糸中の繊維空隙が変化し、この構造の違いにより圧縮特性が異なるものと考えられる。

0.4dt (mm)2.3 非均一圧縮による糸の断面形状の変化
0.3600D

本実験では上方からの圧縮を行ったため、圧縮時の断450D面を試料糸を切断し観測したところ、断面形状は図 8(a)300Dのように上下非対称な結果が得られた。このことは、糸0.2が連続体ではなく繊維の集合体であると事に起因すると150D考えられ、圧縮に伴う糸中の繊維の移動をシミュレートするソフトを作成し、糸断面の変形挙動を再現した結果、

0.1

図 8(b)に示すように、実際の圧縮時の断面形状に近い形
00

図3状を得ることができた。この糸変形シミュレーション手
510T (cN/tex)

1520

伸長時の外径変化に及ぼす番手の影響法を用いることで、織物の非変形時における、織物中の糸の形状をシミュレートすることが可能になり、従来の1.41.2
1d2/d0d1/d0d1/d0 , d2/d0

150D0.8300D
450D0.6600D(a)0.4

実断面0.2001

図52P (cN/mm)34

圧縮特性に及ぼす番手の影響

1.4
1.2(b)

1d2/d0d1/d0 , d2/d0d1/d0

図8

K=00.8静的シミュレーションの精度を向上可能であると考えら

K=33.8れる。

K=600.6

シミュレーション結果

平行板による上方からの圧縮時の断面形状

３．糸変形特性を反映した織物変形処理

0.4

3.1 織物構造モデルの構築
0.2
0

外力に伴い糸形状を変化させた織物変形のシミュレーションを実現するために、糸物性値を反映させた衝0

図612
P (cN/mm)

4突・変形判定を加えた変形処理アルゴリズムを構築した。
引張変形については、JIS L1096 A 法（ラベルドスト

圧縮特性に及ぼす撚係数の影響

Initial Tension d1/d09.8cN
49.0cN98.1cN
147.1cN
196.1cN
245.2cN
294.1cN

1.43リップ法）に相当する１軸引張をシミュレートする。こd2/d0のとき、織物の変形挙動としては、以下の２段階の挙動をとるものと見なすことができる。
フェーズ１：織物の伸長に伴い、引張方向の糸のクリンプがまっすぐになる。このとき、引張方向の糸のクリ1.2ンプ高さが低くなるため、直交する糸が引っ張られ、横方向に縮んでいく。

1d1/d0 , d2/d0

フェーズ２：引張方向の糸のクリンプがまっすぐになった後は、引張方向の糸自身の伸張特性に従い織物が伸0.8張される。

0.6

この挙動に従い、断面形状の変化については丹羽らの研究結果 10,11) を参考にし、前節で測定した糸の変形挙動

0.4を参照しモデルの再構築を行う織物構造の引張シミュレ
ーションアルゴリズムを構築した。引張変形のシミュレ

0.2ーション結果を図 9 に示す。

00
図712P (cN/mm)3

圧縮特性に及ぼす初期張力の影響

4また、曲げの場合、曲げ方向に対し曲げの外側では引張応力が、曲げの内側では圧縮応力が加わるので、曲げ方向に直交する糸の断面に対して変形させる処理を加えた。曲げのシミュレーション結果を図 10 に示す。

なることが確認された。上記で測定した糸の変形挙動を元に、引張および曲げ変形時の織物構造の変化に従い３次元モデルの再構築を行う３次元モデリングアルゴリズ
ムを新たに構築した。この結果、変形時における織物の、内部構造の３次元モデル化が可能となった。本研究で明らかになった糸の変形特性と変形時における織物の３次元シミュレーション手法を応用することで、織物設計における CAE の実現ができ、資材用織物など最終用途で必要とされる高機能な特性を実現するための高度な織物設計が可能になると考えられる。

謝辞
糸の変形特性の測定については、金沢大学工学部機能(a)
図9

伸長前(b)

25%伸張時引張変形のシミュレーション結果

機械工学科喜成年泰助教授、山下竜人氏、五十嵐雄介氏のご協力をいただきました。心より感謝致します。

文献
１）J.W.S.Hearle，V.S.Shanahan：J.Text.Inst.，69，81(1978)
図 10

曲げのシミュレーション結果-1（曲率半径 6mm、曲率κ=1.7cm )3.2 変形時の織物断面形状の計測・解析
シミュレーションの精度を検証するために、曲げおよび引張変形を加えた織物に対し樹脂により変形形状の固定化を行い、断面試料を作成・観測、シミュレーション

２）J.W.S.Hearle，V.S.Shanahan：J.Text.Inst.，69，92(1978)
３）J.W.S.Hearle，P.Porluri，V.S.Thammandra：

J.Text.Inst. ，92 Part 3，53(2001)４）S.V.Lomov，G.Huysmans，I.Verpoest： Text. Res.

J. ，71 534(2001)

結果との比較を行った。曲げおよび引張変形を加えた織５）S.V.Lomov，I.Verpoest：10th European Conference物に対して酢酸ビニルエマルジョンを塗布し固化させる

on Composite Materials (ECCM-10) Proceedings ，ことにより変形形状の固定化を行い、断面試料を作成す

Brugge，Belgium，CD-ROM(2002)

る。その後、断面を実体顕微鏡で観測し、断面形状の特徴量の測定を行う。図 11 に示すように、比較的良好な６）太田，安田：テキスタイル＆ファッション，17，292(2000)

切断面の試料で比較したところ、図 10 に示したシミュ

７）池口，太田，都筑：繊機誌，54，P173(2001)

レーション結果と同等の断面となっていることが確認さ

８）太田，池口：繊機誌，57, T81(2004)

れ、シミュレーションが有効であることが確認できた。

９）池口，太田：愛知県産技研研究報告，4，188(2005)
１０）丹羽，川端，河合：繊機誌，20，T12(1967)
１１）丹羽，川端，河合：繊機誌，20，T258(1967)
１２）丹羽，川端，河合：繊機誌，22，T133(1969)
１３）S.Kawabata，M.Niwa，H.Kawai： J.Text.Inst. ，

図 11

曲げ変形を加えた織物断面（曲率半径 6mm、曲率κ=1.7cm -1 )64，21(1973)
１４）S.Kawabata，M.Niwa，H.Kawai： J.Text.Inst. ，64，47(1973)

４．結び

１５）平井，仙波：繊機誌，33，T139(1980)

本研究では織物変形の基礎パラメータとなる糸の引

１６）平井，深井，仙波：繊機誌，35，T79(1982)

張変形および圧縮変形特性の測定を行い、糸の番手や撚

１７）川端，丹羽，河合：繊機誌，31，T74(1978)係数などの糸の構造パラメータが糸の引張時及び圧縮時

１８）川端，丹羽，松平：繊機誌，34，T33(1981)

における形状変化に及ぼす影響について解析を行った。

１９）R.J.Harwood，S.A.Grisanov，S.V.Lomov，

その結果、伸長張力の変化や撚係数の違いにより糸中の繊維空隙が変化し、この構造の違いにより圧縮特性が異T.Cassidy：J. Text. Inst.，88 Part1，373(1997)