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      織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱傳遞性能影響的模擬分析

      2020-04-10 06:43張潔劉新金謝春萍蘇旭中
      絲綢 2020年2期
      關(guān)鍵詞:有限元

      張潔 劉新金 謝春萍 蘇旭中

      摘要: 為方便快捷構(gòu)建出接近三原組織織物真實(shí)結(jié)構(gòu)的三維幾何模型,應(yīng)用圖像處理技術(shù)對(duì)織物截面提取特征點(diǎn),基于Newton插值公式擬合紗線中心線方程進(jìn)而建立織物模型,而后在有限元軟件中設(shè)置材料取向、定義邊界條件,對(duì)三原組織織物的熱傳遞性能進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元方法及模型的有效性。之后預(yù)測(cè)了織物緊度對(duì)織物熱傳遞性能的影響。結(jié)果表明:在相同織物緊度的條件下,平紋織物的熱傳遞性能最好,其次是斜紋織物,最后是緞紋織物;在一定范圍內(nèi),隨著織物緊度的增加,織物的導(dǎo)熱性能逐漸增加。

      關(guān)鍵詞: 有限元;熱傳遞;克羅值;織物緊度;三原組織織物

      中圖分類(lèi)號(hào): TS101.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào): 10017003(2020)02001306

      引用頁(yè)碼: 021103DOI: 10.3969/j.issn.10017003.2020.02.003

      Simulation analysis of the influence of fabric structure parameters on heat transfer properties

      ZHANG Jie, LIU Xinjin, XIE Chunping, SU Xuzhong

      (Key Laboratory of EcoTextiles, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

      Abstract: In order to construct the threedimensional geometric model closer to the true structure of the fabrics of three elementary weave quickly and conveniently, the characteristic points of fabric crosssection were extracted by using image processing technology. The center line equation of yarns was fitted based on Newton interpolation formula, and then the fabric model was established. Then the material orientation was set in the finite element software, and the boundary conditions were defined. Besides, the heat transfer performance of the fabric of three elementary weave was numerically simulated. The effectiveness of the finite element method and the model was verified by experiments. Then the influence of fabric tightness on the heat transfer property of fabric was predicted. The results show that the heat transfer property of plain fabric is the best under the same tightness, followed by twill fabric and satin fabric. In a certain range, the thermal conductivity of the fabric gradually increases with the increase of fabric tightness.

      Key words: finite element method; heat transfer; CLO value; fabric tightness; three elementary weave

      隨著生活水平的提高,人們對(duì)服裝的要求不僅局限于耐磨耐穿,而是開(kāi)始注重服裝的舒適性和環(huán)保性??椢锏臒醾鬟f性能在舒適性中尤其重要[1]。織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響織物中熱量的傳遞情況,進(jìn)而影響織物的隔熱性能,因此可研究其對(duì)織物熱傳遞性能的影響。傳統(tǒng)的研究方法具有一定的局限性,所需的時(shí)間長(zhǎng),近年來(lái)有限元軟件的模擬仿真改變了現(xiàn)狀,拓展了織物熱傳遞設(shè)計(jì)、分析和評(píng)估優(yōu)化的思路,提高了模型求解的準(zhǔn)確性和效率[2]。目前,許多專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)采用有限元的方法對(duì)織物的熱傳遞性能進(jìn)行了分析。孫玉釵等[3]采用Marc軟件,分析了熱量以熱傳導(dǎo)的方式及傳導(dǎo)對(duì)流同時(shí)發(fā)生時(shí)通過(guò)紡織品傳遞的規(guī)律及傳導(dǎo)與對(duì)流各自對(duì)總的熱量損失的貢獻(xiàn);李瑛慧等[2]通過(guò)有限元分析了真絲織物與仿真絲織物的差異;陳揚(yáng)等[4]模擬分析了不同條件下的織物外表面瞬時(shí)溫度分布情況,并探索了空氣等效導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)熱傳遞的影響。Muhammad等[5]基于有限元方法探究了纖維熱學(xué)的各向異性、內(nèi)部取向度及具有溫度依賴性的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)織物有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

      本文基于有限元方法,應(yīng)用Newton插值公式求紗線中心線,建立三原組織織物的物理模型,利用有限元軟件ABAQUS/Standard對(duì)織物模型進(jìn)行傳熱分析,探究三原組織織物的熱傳遞性能。同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型和有限元方法的有效性,并預(yù)測(cè)織物緊度對(duì)織物熱傳遞性能的影響,為后期分析織物熱濕舒適性及熱防護(hù)高性能材料提供思路及建模支撐。

      1織物建模與有限元前處理

      1.1建模

      1.1.1織物

      棉織物具有良好的吸濕性和透氣性,服用性能優(yōu)良,是人們?nèi)粘I钪凶畛R?jiàn)的面料。本文分別選用織物組織為平紋、斜紋和緞紋的緊度接近的純棉坯布為研究對(duì)象,三種織物的規(guī)格和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

      紗線橫截面影響著模型中紗線的體積比例,進(jìn)而影響著模型中纖維的含量,由于纖維和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)不同,如果使用不準(zhǔn)確的紗線橫截面對(duì)織物進(jìn)行幾何建模,將會(huì)影響織物在織物空氣系統(tǒng)模型中的體積分?jǐn)?shù),進(jìn)而影響最終的模擬結(jié)果[5]。為防止織物剪切后松散或截面變形,對(duì)織物使用含有固化劑的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行處理,制作切片。使用VHX5000超景深三維數(shù)碼顯微鏡(基恩士(中國(guó))有限公司)對(duì)織物試樣的截面進(jìn)行觀察,可發(fā)現(xiàn)織物中紗線由于受紗線捻度和織造過(guò)程中法向力的作用,交織點(diǎn)紗線相互擠壓,織物幾何形狀十分復(fù)雜,為使模型中紗線可充分接觸且接觸不過(guò)盈,將紗線截面近似成橢圓形,測(cè)量織物紗線截面的幾何參數(shù),多次測(cè)量求其平均值。三種織物紗線截面的幾何參數(shù)如表2所示。

      1.1.2紗線中心線的確定

      織物內(nèi)紗線的中心線彎曲狀態(tài)復(fù)雜,與織物組織及織造過(guò)程中所受的力等都有關(guān)系,以往研究中大多采用多段折線段或正弦、余弦曲線來(lái)表示紗線中心線,但在織物中紗線交織點(diǎn)處及浮長(zhǎng)線位置效果不理想[6]。本文在Peirce圓形截面紗線理論的基礎(chǔ)上,在織物截面圖中選取多個(gè)特征點(diǎn),如圖1所示。

      利用Newton插值公式進(jìn)行擬合,最后得到紗線的中心線曲線方程。平紋織物紗線中心線方程的建立過(guò)程如下:假設(shè)經(jīng)紗的長(zhǎng)軸、短軸分別為b1、a1,緯紗的長(zhǎng)軸、短軸分別為b2、a2,紗線間的間距為lj、lw,屈曲波高分別為hj、hw。如圖2所示建立直角坐標(biāo)系,X表示經(jīng)紗方向,Y表示緯紗方向,Z表示織物厚度方向。在直角坐標(biāo)系中建立紗線中心線方程Z=f(y),y∈[-lj,lj]。

      因圖像具有對(duì)稱性,f(y)是偶函數(shù),因此只需求y∈[0,lj]。根據(jù)A、B、C、D、E五點(diǎn)的坐標(biāo),結(jié)合Newton插值公式K階均差公式:

      f[y0,y1…,yR]=f[y0,y1,…,yk-1]-f[y1,y2,…,yk]y0-yk(1)

      可得到各特征點(diǎn)的均差值,如表3所示。

      根據(jù)四次Newton插值多項(xiàng)式,可得紗線曲線方程為:

      Z=f(y)=4(a1+2a2)3l4jy4-7(a1+2a2)3l2jy2+a1+a2(2)

      斜紋和緞紋織物同平紋織物的結(jié)構(gòu)不同,增加了紗線的浮長(zhǎng)線,斜紋和緞紋織物的徑向截面示意如圖3、圖4所示。同理,可得到斜紋和緞紋的紗線曲線方程。

      斜紋織物的中心線曲線方程為:

      Z=H(y)=6a2-10a115l4jy4+13a1-3a26l2jy2+a210-a12(3)

      緞紋織物的中心線曲線方程為:

      Z=I(y)=2(3a1-a2)l3jy3+2(17a1-5a2)l2jy2+2(33a1-10a2)ljy+36a1-9a2,y∈(-52lj,-32lj]

      0,y∈(-32lj,32lj]

      2(a1-3a2)l3jy3+2(17a1-5a2)l2jy2+2(10a1-33a2)ljy+36a1-9a2,y∈(32lj,52lj](4)

      根據(jù)上述紗線曲線方程可通過(guò)Excel得到若干點(diǎn)的坐標(biāo),在繪圖軟件Auto CAD中使用樣條曲線功能將這些點(diǎn)繪制成紗線中心曲線,而后通過(guò)掃掠和平移功能建立織物模型,如圖5所示。

      1.2有限元前處理

      1.2.1賦予材料屬性

      紗線由纖維抱合加捻而成,紗線內(nèi)部仍存在少量空氣,而紗線自身的有效導(dǎo)熱系數(shù)由以下兩個(gè)因素決定:紗線中纖維的導(dǎo)熱系數(shù)及空氣的含量。因此,需要確定紗線中纖維的含量及纖維的體積分?jǐn)?shù)。紗線中纖維的體積分?jǐn)?shù)可由下式計(jì)算[5]:

      Vyf=Tt·lyρf·Vy(5)

      式中:Tt為紗線的細(xì)度,tex;ly為紗線的長(zhǎng)度,m;Vy為紗線的體積,m3;ρf為纖維的密度,g/cm3;Vyf為纖維在紗線中的體積分?jǐn)?shù),%。

      紡織纖維是軸向有序的高聚物形態(tài),在纖維軸向和纖維徑向的導(dǎo)熱系數(shù)有所差異,沿纖維軸向的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于纖維徑向的導(dǎo)熱系數(shù)。因此,并不能將紗線和織物假設(shè)為各向同性材料,但紡織纖維具有橫觀各向同性,是一種特殊的正交各向異性材料。紗線軸向和徑向的導(dǎo)熱系數(shù)可由下式算出[5]:

      Kya=KfaVfy+Kair(1-Vfy)(6)

      Kyt=KftKairVfyKair+(1-Vfy)Kft(7)

      式中:Kya為紗線軸向?qū)嵯禂?shù);Kfa為纖維軸向?qū)嵯禂?shù);Kair為空氣的導(dǎo)熱系數(shù);Kyt為紗線徑向的導(dǎo)熱系數(shù);Kft為纖維徑向?qū)嵯禂?shù)。

      棉纖維和空氣的材料屬性如表4所示,表5為采用了上述計(jì)算后的三種織物經(jīng)緯向紗線中的導(dǎo)熱系數(shù)。

      1.2.2其他前處理

      將Auto CAD中的模型以sat格式導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中,運(yùn)用布爾運(yùn)算建立空氣模型,如圖6所示。而后將紗線和空氣裝配成靜止空氣包覆的織物系統(tǒng)。由于紗線是具有橫向各向同性的正交各向異性材料,因此需定義材料方向。ABAQUS中的紗線的材料取向如圖7所示,其中軸1表示紗線軸向,軸2和軸3表示垂直于紗線軸向的方向。紗線取三個(gè)方向的有效導(dǎo)熱系數(shù)K22=K33=Kyt、K11=Kya。

      本文認(rèn)為織物傳熱為沿織物厚度方向的一維熱傳導(dǎo),并假設(shè)以下條件:1)織物材料的熱性能相關(guān)系數(shù)恒定,即不具有溫度依賴性;2)僅考慮織物上下表面與外界空氣的熱交換,織物側(cè)面邊界絕熱;3)考慮熱對(duì)流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響,但認(rèn)為熱對(duì)流僅存在于系統(tǒng)模型的上下表面;4)織物表面的流體為不可壓縮、穩(wěn)態(tài)的流體,且與織物表面無(wú)滑移[78]。

      分析選用的單元類(lèi)型為線性單元DC3D4(standard),DC3D4單元是一個(gè)四節(jié)點(diǎn)線性傳熱四面體,適用于分析模型的熱傳遞[9]。網(wǎng)格控制屬性選用單元形狀為四面體的自由網(wǎng)格技術(shù)劃分,并選擇在邊界面上合適的地方使用映射的三角形網(wǎng)格。建立熱傳遞穩(wěn)態(tài)分析步,將默認(rèn)的載荷隨時(shí)間的變化方式改為整個(gè)分析步內(nèi)采用線性斜坡。場(chǎng)輸出變量和歷史輸出變量設(shè)置熱學(xué)變量。定義紗線與空氣間的相互作用,設(shè)置空氣與周?chē)饨绛h(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù),織物內(nèi)側(cè)貼近人體皮膚,定義織物內(nèi)側(cè)溫度為36℃。設(shè)定邊界條件[3],本次模擬在模型中建立兩種邊界條件:1)將指定溫度施加在節(jié)點(diǎn)上,定義邊界條件的指定溫度,即T=T(xi,t)。2)將對(duì)流施加在單元邊上,定義邊界條件的對(duì)流,即q=h(Tf-T0),其中q為熱流密度,h為對(duì)流換熱系數(shù),Tf為表面溫度,T0為環(huán)境溫度。假定模擬環(huán)境為人體舒適的室溫,設(shè)置模型初始溫度為T(mén)(xi,0)=24.5℃。其他接受默認(rèn)值,提交作業(yè)并運(yùn)算。

      2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

      評(píng)價(jià)織物熱舒適性的常用物理指標(biāo)有絕熱率、保暖率、導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻及克羅值(clo)等。參照紡織品保溫性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗(yàn)方法》,使用YG606D型平板式織物保溫儀(常州市第二紡織機(jī)械廠)對(duì)織物進(jìn)行測(cè)試,可得到織物的保溫率、傳熱系數(shù)和克羅值??肆_值與熱阻的換算關(guān)系為:1clo=0.155℃·m2/W。織物的熱阻可由下式得到[9]:

      R=△Tq(8)

      式中:q為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)織物單位面積的導(dǎo)熱量,即熱流密度,W/℃;△T為被測(cè)織物兩面的溫度差,℃。

      熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律,即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積導(dǎo)熱熱量與該面積的溫度變化率及平板面積成正比。熱流密度是指在與傳輸方向相垂直的單位面積上的傳熱速率,方向垂直于等溫面,可通過(guò)傅里葉定律求得:

      q=-kdTdx(9)

      式中:q為熱流密度,W/℃;k為導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃;負(fù)號(hào)表示熱量流向溫度低的方向。

      在ABAQUS分析后處理中導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)溫度和熱流量,結(jié)合式(8)(9)計(jì)算模擬結(jié)果的織物克羅值。將得到的結(jié)果與YG606D織物平板式保溫儀測(cè)得的織物克羅值結(jié)果進(jìn)行誤差對(duì)比,結(jié)果如表6所示。其中:

      誤差值/%=模擬結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果-1×100(10)

      圖8為ABAQUS軟件模擬結(jié)果的織物溫度場(chǎng)云圖。

      為保證模擬結(jié)果的有效性,在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室中,使用恒溫加熱板模擬人體散熱,將織物平鋪在36℃的恒溫板上,在織物外表面選取若干個(gè)點(diǎn),用UT300A紅外測(cè)溫儀(優(yōu)利德科技(中國(guó))有限公司)測(cè)量織物的表面溫度并求其溫度平均值,記錄織物外表面的溫度直至溫度達(dá)到平衡。而后將織物的溫度曲線同ABAQUS軟件模擬溫度曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示。

      由圖8可得出,人體產(chǎn)生的熱量通過(guò)織物及織物間的空氣向外界傳遞,織物內(nèi)表面溫度最高,沿著織物厚度方向溫度逐漸減少。平紋組織由于紗線交織規(guī)律且紗線間空氣分布均勻,熱量云圖分布也呈均勻狀態(tài)。斜紋和緞紋織物紗線交織情況復(fù)雜,織物內(nèi)空氣含量不勻,織物的熱量分布也呈現(xiàn)不均勻。

      由表6和圖9可以得出,仿真模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線十分接近,根據(jù)決定系數(shù)公式計(jì)算兩條曲線的擬合度,可得到?jīng)Q定系數(shù)為0.972,定量說(shuō)明了在熱平衡時(shí),三種織物模擬與實(shí)驗(yàn)的誤差值在可接受范圍之內(nèi),可以證明上述模型建立及分析過(guò)程的可行性??椢锏挠邢拊M結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值有所差異,分析認(rèn)為:一是織物模型的簡(jiǎn)化,為了分析方便,把模型簡(jiǎn)化成截面為橢圓形的圓柱體,紗線的毛羽和纖維的分布無(wú)法精確體現(xiàn),因此無(wú)法考慮毛羽和纖維受熱的變化;二是未考慮模型側(cè)面與外界的熱交換及熱輻射帶來(lái)的熱量損失。以上原因可能導(dǎo)致了結(jié)果的差異,今后應(yīng)該注意改進(jìn)。

      由分析結(jié)果可得:三原組織中,平紋組織的平均浮長(zhǎng)較短,織物克羅值最小,溫度曲線上升得最快,導(dǎo)熱性能最好。斜紋組織次之,緞紋組織最差。這是因?yàn)榻?jīng)緯紗交織次數(shù)越多,平均浮長(zhǎng)越短,織物的蓬松程度越差,被紗線束縛的靜止空氣越少,靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小于織物的導(dǎo)熱系數(shù),因此導(dǎo)熱性越好。但緞紋織物由于浮長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)在服用過(guò)程中易勾絲,且浮長(zhǎng)線過(guò)長(zhǎng)時(shí),被束縛的靜止空氣不夠穩(wěn)定,造成原因還需再深入探討。

      3緊度對(duì)傳熱性能的影響分析

      為探尋織物緊度對(duì)傳熱性能的影響分析,運(yùn)用上述建模方法建立五種不同緊度的織物模型,如圖10所示。緊度是指紗線的投影面積對(duì)織物面積的比值,可由下式計(jì)算得到[10]:

      R=ET+EW-ETEW(11)

      式中:R為總緊度,%;ET和EW為經(jīng)向、緯向緊度,%。

      紗線屬性設(shè)置及其他前處理方式與上述相同,提交計(jì)算任務(wù),分析數(shù)值模擬的結(jié)果。圖11為ABAQUS軟件模擬結(jié)果部分云圖,模擬結(jié)果導(dǎo)出的溫度曲線及計(jì)算所得克羅值曲線如圖12所示。

      分析模型溫度場(chǎng)分布云圖及曲線可得,在織物緊度為72%~83%內(nèi),隨著織物緊度的增加,織物的導(dǎo)熱性能逐漸增加,克羅值逐漸減少。這是因?yàn)榇舜文M是認(rèn)為織物周?chē)皟?nèi)部的空氣為靜止空氣,此時(shí)熱量的傳遞方式可認(rèn)為主要是熱傳導(dǎo),隨著織物緊度的增加,織物中紗線間的孔隙逐漸變小,織物單位體積內(nèi)的纖維含量增加,由于纖維的導(dǎo)熱性能優(yōu)于靜止空氣的導(dǎo)熱性能,因此織物緊度增加時(shí),織物的導(dǎo)熱性能變好,克羅值減少。但當(dāng)外界空氣變?yōu)榱鲃?dòng)空氣時(shí),織物內(nèi)部的靜止空氣會(huì)受到一定影響,對(duì)流換熱增加,后期可對(duì)此深入分析。

      4結(jié)論

      本文根據(jù)不同組織織物的特點(diǎn),提出了基于Newton插值公式擬合計(jì)算紗線中心線方程建立織物模型的方法,而后為驗(yàn)證模型有效性,在有限元軟件中考慮紗線的有效導(dǎo)熱系數(shù)及纖維的各向異性,模擬織物服用過(guò)程中的熱傳遞性能。通過(guò)測(cè)試織物外表面溫度變化及織物克羅值,最終驗(yàn)證了建模方式及有限元方法的有效性。繼而基于上述方法對(duì)不同緊度織物的熱傳遞性能進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè),可得出對(duì)于緊度相近的三原組織織物在原料相同的情況下,平紋織物的導(dǎo)熱性最好,斜紋次之,緞紋最差。在織物緊度為72%~83%內(nèi),隨著織物緊度的增加,織物的導(dǎo)熱性能逐漸增加。

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      收稿日期: 20190427; 修回日期: 20191210

      基金項(xiàng)目: 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0309200);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20170169);江蘇省先進(jìn)紡織工程技術(shù)中心基金項(xiàng)目(XJFZ/2018/09);紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目(hnfz14002)

      作者簡(jiǎn)介: 張潔(1996),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榭椢镄阅艿挠邢拊M。通信作者:劉新金,副教授,liuxinjin2006@163.com。

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