劉倩楠 劉新金 蘇旭中

摘要： 為了在設(shè)計織物時可以依據(jù)不同集聚紗紗線性能來估算織物的拉伸性能，提供了一種預(yù)測織物拉伸性能的方法。以一種普通棉織物為例，對織物拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了有限元模擬和實驗驗證，基于有限元軟件ABAQUS仿真織物拉伸性能理論數(shù)值結(jié)果的有效性，采用顯微圖像法實測織物結(jié)構(gòu)，借助紡織建模軟件Texgen建立織物細(xì)觀模型，利用有限元法模擬織物拉伸并計算數(shù)值解，給出全聚紡、全聚賽絡(luò)紡、緊密紡、緊密賽絡(luò)紡這四種集聚紡紗方式所紡單紗交織平紋織物的拉伸力學(xué)性能。結(jié)果表明：緊密賽絡(luò)紡單紗交織織物拉伸性能最好，而全聚紡單紗交織織物拉伸性能最差。

關(guān)鍵詞： 細(xì)觀模型;有限元法;拉伸性能;實驗驗證;集聚紡

中圖分類號： TS101.8 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ? ?文章編號： 1001-7003（2019）04-0024-06 ? ?引用頁碼： 041105

Abstract： In order to estimate tensile properties of the fabric according to the properties of different aggregate yarns during designing the fabric， a method for predicting the tensile properties of the fabric was provided. An ordinary cotton fabric was used as an example to carry out the finite element simulation and experimental verification of the tensile mechanics of the fabric. Based on the validity of the theoretical numerical results of fabric tensile properties simulated by the finite element software ABAQUS， the fabric structure was measured by microscopic image method， and the fabric mesoscopic model was established by the textile modeling software Texgen. The finite element method was used to simulate the fabric stretching and the numerical solution was calculated. The tensile mechanical properties of single-yarn interwoven plain weave fabrics spun by four kinds of concentrated spinning methods： full poly-spinning， full poly siro-spinning， compact spinning and compact siro spinning. The results showed that the tensile properties of single-yarn interwoven fabrics spun by the compact siro-spinning were the best， while the tensile properties of single-yarn interwoven fabrics spun by the full poly-spinning had the worst tensile properties.

Key words： mesoscopic model; finite element method; tensile properties; experimental verification; concentrated spinning

隨著學(xué)科的交叉滲透，有限元單元法作為一種有效求解連續(xù)體力學(xué)問題的數(shù)值方法在紡織科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，從梳棉機蓋板的變形、片梭織機扭軸等紡織機件的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，逐漸擴展到纖維、紗線和織物等柔性材料的力學(xué)分析中。Shen等[1]通過Texgen軟件建立織物模型，利用ANSYS研究了六種不同單絲聚酯織物的單軸拉伸性能;Gao等[2]基于經(jīng)典層壓復(fù)合理論，利用有限元法（FEM）研究了非織造布在宏觀尺度上的拉伸性能，并驗證了有限元結(jié)果的有效性;李瑛慧等[3]借助Auto CAD繪圖軟件構(gòu)建規(guī)格相近的滌綸仿真絲和真絲織物的三維系統(tǒng)模型，基于有限元軟件理論分析和測試織物拉伸性能，研究了組成織物的紗線原料對織物拉伸性能的影響。

計算機軟件輔助預(yù)測織物性能，可以高質(zhì)量且低成本完成對紡織新產(chǎn)品的開發(fā)。本文基于紗線層面建立織物細(xì)觀模型，在驗證有限元軟件ABAQUS模擬織物拉伸性能理論數(shù)值結(jié)果有效性的基礎(chǔ)上，采用顯微圖像法實測織物結(jié)構(gòu)，借助紡織建模軟件Texgen建立織物細(xì)觀模型，利用有限元方法估算了全聚紡、全聚賽絡(luò)紡、緊密紡、緊密賽絡(luò)紡這四種集聚紡紗方式所紡單紗交織平紋織物的拉伸力學(xué)性能。

1 有限元織物力學(xué)模擬及有效性驗證

1.1 原料和儀器

原料：精梳棉、經(jīng)緯紗線密度14.8tex、織物經(jīng)緯向密度133×72根/2.54cm、平方米質(zhì)量132g/m2的平紋機織物（紹興市全盈紡織品有限公司）。

儀器：YG141LA型數(shù)字式織物厚度儀、YG026D型多功能電子織物強力機（寧波紡織儀器廠），VHX-5000型超景深數(shù)碼顯微鏡（基恩士公司），MIT-1KN電子萬能試驗機（常州三豐儀器科技有限公司）。

1.2 織物細(xì)觀模型構(gòu)建

Texgen是由英國諾丁漢大學(xué)研究開發(fā)的專業(yè)紡織建模軟件[4]，可通過定義紗線橫截面和成紗路徑準(zhǔn)確地仿真織物的幾何結(jié)構(gòu)。本文選用原料為精梳棉、經(jīng)緯紗線密度14.8tex、織物經(jīng)緯向密度133×72根/2.54cm、平方米質(zhì)量132g/m2的平紋機織物為研究對象，借助建模軟件Texgen建立織物幾何模型。

為了建立織物三維細(xì)觀模型，需要獲得織物試樣的幾何參數(shù)。參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5084—1996《紡織品 紡織品及紡織制品厚度的測定》，使用YG141LA型數(shù)字式織物厚度儀對織物進(jìn)行20次測試，得到織物厚度為0.288mm;并通過顯微圖像技術(shù)，使用VHX-5000型超景深數(shù)碼顯微鏡對織物試樣細(xì)觀圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，得到織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。將表1中棉織物的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入Texgen軟件，得到圖1所示的織物細(xì)觀模型。并將所建模型以STEP格式導(dǎo)出，導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行機織物拉伸力學(xué)性能數(shù)值模擬。

1.3 拉伸力學(xué)性能模擬

1.3.1 定義經(jīng)緯紗材料屬性

本文利用ABAQUS有限元軟件模擬織物拉伸力學(xué)性能，其材料屬性主要由經(jīng)緯紗單紗拉伸性能定義[5]。從織物中取出帶有屈曲的單根紗線，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3916—1997《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》，使用MIT-1KN電子萬能試驗機，設(shè)置有效夾持距離200 mm，拉伸速度200 mm/min，分別對經(jīng)緯單紗重復(fù)測試10次，得到表2所示經(jīng)緯紗拉伸性能參數(shù)和圖2所示經(jīng)緯紗應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.3.2 織物拉伸環(huán)境創(chuàng)建

ABAQUS/CAE前處理導(dǎo)入織物細(xì)觀模型，遵照經(jīng)緯紗單紗拉伸性能，定義織物中紗線材料性質(zhì)后，需遵循實驗標(biāo)準(zhǔn)（如拉伸速度、夾持隔距等），在有限元軟件ABAQUS中創(chuàng)建織物拉伸環(huán)境[6]。首先根據(jù)拉伸時織物中經(jīng)緯紗相互摩擦、滑移的情況，在Interaction模塊定義材料的接觸性能，通過Step模塊求解器的選擇，在“Dynamic Explicit”的分析下利用“all with self”的自接觸算法，定義紗線與紗線間切向摩擦系數(shù)為0.15;在Load模塊設(shè)置載荷和邊界條件，利用“PINNED（U1=U2=U3=0）”的約束條件將織物一端固定，約束其x、y、z三個方向上的自由度，并給另一端定義一個100mm/min的速度載荷;最后Mesh模塊選擇單元類型為“C3D10M”的四面體對織物模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并提交計算。

1.3.3 織物拉伸有限元模型

經(jīng)過計算分析，ABAQUS/Viewer后處理中提供了織物拉伸變形后的有限元模型和整個拉伸過程。圖3為織物模型拉伸變形后的應(yīng)力分布情況（顏色越深的部分應(yīng)力越大），其中圖3（a）為織物模型拉伸后應(yīng)力分布云，圖3（b）（c）分別為織物模型中經(jīng)、緯紗的應(yīng)力分布。通過觀察織物拉伸過程中應(yīng)力云圖的動畫顯示，發(fā)現(xiàn)織物在拉伸時，受拉紗線屈曲伸直（經(jīng)向拉伸即經(jīng)紗）;前階段部分紗線結(jié)構(gòu)改變，纖維伸長;后階段，纖維伸長，紗體變細(xì)，織物厚度變薄;斷裂時，紗線逐根斷裂至織物斷裂。

1.4 實驗驗證

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》，采用扯邊紗條樣法將織物制作成規(guī)格為35cm×5cm的試樣，使用YG026D型多功能電子織物強力機，設(shè)置預(yù)加張力2N，有效夾持隔距200mm，拉伸速度100mm/min，重復(fù)測試5次。得到織物拉伸強力參數(shù)，如表3所示。

從圖4中曲線可以看出，織物在拉伸的過程中主要經(jīng)歷了彈性變形和塑性變形兩大階段：開始拉伸時，織物中拉伸方向的紗線從屈曲狀態(tài)逐漸伸直，接著承受更多的拉力，這個階段屬于彈性變形階段，圖4中該階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出線性增長，理論值曲線與實驗值曲線上升趨勢一致且相差較小;當(dāng)織物中紗線甚至纖維所能承受的力到達(dá)極限時，開始出現(xiàn)不同時性的斷裂，這時織物由彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形，進(jìn)入塑性變形階段，圖4中該階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線非線性增長，理論值曲線與實驗值曲線雖有上升趨勢上的一致性，但相同應(yīng)變下應(yīng)力值相差較彈性變形階段大些，這是由于有限元模

型目前僅能基于紗線的層面被建立，考慮不到紗線內(nèi)部纖維相互纏繞的復(fù)雜狀態(tài)，其次為了減小有限元仿真的困難忽略了實際中材料的不均勻性和復(fù)雜性，在織物拉伸性能模擬時將紗線理想化為各向同性材料?；谏鲜龇治?，圖4中理論值曲線與實驗值曲線上升趨勢具有較好的一致性，雖然相同應(yīng)變下理論值與實驗值存在一定的差異，但是該情況在誤差允許的范圍內(nèi)，并且兩種曲線均能反應(yīng)織物拉伸過程中應(yīng)力隨應(yīng)變而改變的情況，說明了有限元軟件ABAQUS模擬織物的拉伸性能理論數(shù)值結(jié)果的有效性。

2 集聚紡紗方式及單紗強力測試

2.1 集聚紡紗方式及工藝

集聚紡是在不改變環(huán)錠紡加捻機制的前提下利用負(fù)壓氣流作用改善成紗質(zhì)量的一種新型紡紗技術(shù)[8]，通過在環(huán)錠細(xì)紗機牽伸裝置前增加一個負(fù)壓式纖維集聚區(qū)，以使纖維在加捻之前盡可能平行并接近，達(dá)到加捻過程中受力更加均衡的目的。常見的集聚紡紗方式有全聚紡和四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡，全聚紡集聚區(qū)由大直徑窄槽式空心羅拉、負(fù)壓集聚裝置、吸風(fēng)插件組成，而四羅拉網(wǎng)格圈緊密紡則是由一對輸出羅拉、一個異形截面負(fù)壓吸風(fēng)管和一個網(wǎng)格圈構(gòu)成集聚區(qū)，形成負(fù)壓氣流[9]。將集聚紡與賽絡(luò)紡進(jìn)行結(jié)合而產(chǎn)生了全聚賽絡(luò)紡和緊密賽絡(luò)紡，這兩種紡紗方式均是由兩根粗紗須條以一定的隔距平行喂入，在集聚區(qū)分別受到負(fù)壓氣流的作用初次加捻，繼而在結(jié)合點（主加捻區(qū)）結(jié)合后再次加捻，以此改變成紗質(zhì)量。采用精梳棉條紡制14.8tex、976.9捻/m的紗線，根據(jù)紡紗方式的不同進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置，具體紡紗工藝參數(shù)如表4所示。

2.2 單紗強力測試

經(jīng)過單紗強力測試，得到表5所示全聚紡、全聚賽絡(luò)紡、緊密紡、緊密賽絡(luò)紡這四種方式所紡紗線拉伸性能參數(shù)和圖5所示單紗應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3 集聚紡紗方式織物拉伸力學(xué)性能模擬

在驗證有限元軟件ABAQUS模擬織物拉伸性能理論數(shù)值結(jié)果有效性的基礎(chǔ)上，結(jié)合全聚紡、全聚賽絡(luò)紡、緊密紡、緊密賽絡(luò)紡這四種集聚紡單紗的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點和表5單紗拉伸性能參數(shù)[10]，參照表1中織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)建立織物細(xì)觀模型，模型文件以STP.的格式導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行織物拉伸性能模擬，預(yù)測不同集聚紡紗方式所紡單紗交織織物拉伸力學(xué)性能。

經(jīng)過有限元方法的織物性能預(yù)測，得到圖6所示集聚紡單紗交織織物拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。首先，從經(jīng)向拉伸和緯向拉伸兩組曲線中可以看出，緊密賽絡(luò)紡單紗交織織物拉伸性能最好，而全聚紡單紗交織織物拉伸性能最差;其次，不論是全聚紡還是緊密紡在結(jié)合了賽絡(luò)紡的基礎(chǔ)上形成的全聚賽絡(luò)紡和緊密賽絡(luò)紡其單紗交織織物的拉伸性能，都比全聚紡和緊密紡本身所紡單紗交織織物的拉伸性能好。結(jié)合圖5 MIT-1KN電子萬能試驗機所測集聚紡單紗應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，單紗強力是影響織物拉伸性能的主要因素，織物是由紗線交織而成，織物的拉伸其本質(zhì)上是組成織物的紗線集合的拉伸。

4 結(jié) 論

利用計算機軟件輔助可以使設(shè)計人員在實際生產(chǎn)之前完成對最終產(chǎn)品的性能預(yù)測，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了能源，提高了效率。本文以一種普通棉織物為例，驗證了有限元軟件ABAQUS模擬織物拉伸性能理論數(shù)值結(jié)果的有效性，基于此通過VHX-5000型超景深數(shù)碼顯微鏡實測織物結(jié)構(gòu)，借助專業(yè)紡織建模軟件Texgen建立織物細(xì)觀模型，利用有限元軟件ABAQUS創(chuàng)建織物拉伸環(huán)境并計算數(shù)值解，給出了全聚紡、全聚賽絡(luò)紡、緊密紡、緊密賽絡(luò)紡這四種集聚紡紗方式所紡單紗交織平紋織物的拉伸力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)緊密賽絡(luò)紡單紗交織織物拉伸性能最好，而全聚紡單紗交織織物拉伸性能最差;其次，不論是全聚紡還是緊密紡在結(jié)合了賽絡(luò)紡基礎(chǔ)上形成的全聚賽絡(luò)紡和緊密賽絡(luò)紡其單紗交織織物的拉伸性能，都比全聚紡和緊密紡本身所紡單紗交織織物的拉伸性能好;織物是由紗線交織而成，織物的拉伸其本質(zhì)上是組成織物的紗線集合的拉伸，單紗強力是影響織物拉伸性能的主要因素，可以通過改變單紗強伸性以改變織物拉伸力學(xué)性能。

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