熱軋非織造材料力學(xué)性能有限元分析*

(東華大學(xué)，上海，201620)

熱軋非織造工藝是利用一對(duì)或兩對(duì)鋼輥或包有其他材料的鋼輥對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行加熱加壓，導(dǎo)致纖網(wǎng)中部分纖維熔融、流動(dòng)、擴(kuò)散而產(chǎn)生黏結(jié)，冷卻后，纖網(wǎng)得到加固而成為熱軋非織造材料［1］。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)將聚丙烯熱軋非織造材料用作用即棄尿布面料代替了原來(lái)以聚酯纖維、黏膠纖維為主體材料的化學(xué)黏合非織造材料。熱軋黏合特別適合于加固薄型非織造材料，因而發(fā)展迅速。熱軋非織造材料應(yīng)用廣泛，如用于手術(shù)衣帽、口罩、婦女衛(wèi)生巾、嬰兒尿褲、成人失禁墊及各種工作服和防護(hù)服等，熱軋非織造材料還大量應(yīng)用于服裝襯布，電纜、電機(jī)絕緣材料，電池隔膜，箱包襯里，包裝材料和涂層基布等［2］。

近年來(lái)，熱軋非織造材料的物理模擬和數(shù)值模擬一直是研究熱點(diǎn)，國(guó)外對(duì)非織造材料微觀結(jié)構(gòu)和拉伸機(jī)理進(jìn)行了深入研究［3-8］，并將其運(yùn)用到數(shù)值模擬中。研究主要集中在運(yùn)用專業(yè)有限元軟件模擬熱軋非織造材料。目前模型分為三種:第一種模型是用shell單元模擬熱軋非織造材料，該模型可用來(lái)模擬熱軋非織造材料的宏觀拉伸性能，不能體現(xiàn)熱軋非織造材料微觀結(jié)構(gòu)上的縫隙對(duì)材料力學(xué)性能的影響［9］;第二種模型運(yùn)用shell單元模擬熱黏合點(diǎn)，運(yùn)用truss單元模擬纖維，但沒(méi)有考慮材料取向?qū)彳埛强椩觳牧狭W(xué)性能的影響［10］;第三種模型是在第二種模型的基礎(chǔ)上考慮了纖維取向分布對(duì)熱軋非織造材料力學(xué)性能的影響［11］，但該模型是在纖維取向分布函數(shù)基礎(chǔ)上模擬的材料取向，由于熱黏合點(diǎn)的存在，纖維的取向不能代替整體材料的取向。

本文提出一種建立熱軋非織造材料的有限元模型的新思路:利用同軸反射光顯微鏡結(jié)合多聚焦圖像融合技術(shù)，得到熱軋非織造材料的清晰圖像，取得纖維的位置信息;再利用python語(yǔ)言編寫非線性有限元軟件ABAQUS可讀子程序，利用子程序構(gòu)建熱軋非織造材料幾何結(jié)構(gòu)有限元模型。

1 熱軋非織造材料纖維性能參數(shù)

本文所用材料為聚丙烯短纖熱軋非織造材料，面密度為17.89 g/m2，黏合面積比是11.83%。材料中聚丙烯纖維的直徑為2.2 dtex，長(zhǎng)度44 mm，斷裂伸長(zhǎng)率≥300%。圖1是纖維在三種拉伸速度下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

圖1 材料樣品中聚丙烯纖維的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)可得到名義力學(xué)拉伸曲線，真實(shí)力學(xué)拉伸曲線需經(jīng)計(jì)算獲得，計(jì)算公式為:

式中:εnom，σnom——分別為名義應(yīng)變和應(yīng)力，由實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得;

εtrue，σtrue——分別為計(jì)算所得的真實(shí)應(yīng)變和應(yīng)力;

ΔL，L——分別為纖維的變化長(zhǎng)度和原始長(zhǎng)度;

F——纖維所受的力;

A——纖維的原始直徑。

拉伸速度不同對(duì)纖維的力學(xué)拉伸性能有一定的影響，但初始模量不變，通過(guò)公式(1)和公式(2)可計(jì)算得到建模過(guò)程中需要的初始模量參數(shù)，其值為760 MPa。

2 構(gòu)建熱軋非織造材料有限元模擬

2.1 非織造材料融合圖像的獲取

要得到熱軋非織造材料有限元模型，需要獲取熱軋非織造材料的清晰圖像和纖維位置信息。運(yùn)用普通光學(xué)顯微鏡拍攝熱軋非織造材料時(shí)，由于光學(xué)顯微鏡景深的限制，不能在同一個(gè)聚焦平面上獲得所有纖維的清晰成像。為此，本文使用同軸反射光顯微鏡，運(yùn)用課題組前期研究的多層聚焦圖像融合技術(shù)［12］，在熱軋非織造材料厚度方向上采集多層圖像，實(shí)現(xiàn)貫穿纖網(wǎng)的多層圖像數(shù)據(jù)融合，如圖2所示。

圖2 非織造材料多層圖像融合算法

2.2 模型建立

由于加工工藝等原因，熱軋非織造材料很難形成規(guī)整的邊界。本文在多層融合圖像基礎(chǔ)上，將熱黏合點(diǎn)簡(jiǎn)化為矩形(見(jiàn)圖3)，并根據(jù)熱黏合點(diǎn)邊界和纖維的交點(diǎn)來(lái)確定纖維的端點(diǎn)位置信息，再通過(guò)python語(yǔ)言編寫ABAQUS程序，將彎曲纖維簡(jiǎn)化為直線，即連接纖維兩個(gè)端點(diǎn)形成直線(見(jiàn)圖4)。

從樣品的清晰融合圖像中，在課題組前期研究的圖像融合軟件基礎(chǔ)上增添讀取纖維和熱黏合點(diǎn)端點(diǎn)坐標(biāo)的代碼，讀取纖維和熱黏合點(diǎn)端點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組，在Editplus文本編輯器中運(yùn)用python編程語(yǔ)言編寫熱黏合點(diǎn)和纖維的重構(gòu)代碼。

圖3 熱黏合點(diǎn)簡(jiǎn)化

圖4 纖維位置信息

(1)熱黏合點(diǎn)重構(gòu)中的部分代碼如下:

#!/user/bin/python

#-*-coding:UTF-8-*-

#-*-coding:mbcs-*-

From abaqus import*

From abaqus Constants import*

myModal=mbd.Modal(name=‘Bond Points’)

my View port=session.View port(name=‘Spun-thermalbonded nonwoven materials’，origin=(0.0，0.0)，width=300，height=120)

import part

mySketch=myModal.Constrained Sketch(name=‘Bond Points Profile’，sheet Size=20)

mySketch.rectangle(point1=(0，0)，point2=(0.7，0.7))

mySketch.rectangle(point1=(1.7，0)，point2=(2.4，0.7))

(2)纖維重構(gòu)中的部分代碼如下:

#!/user/bin/python

#-*-coding:UTF-8-*-

#-*-coding:mbcs-*-

From abaqus import*

From abaqus Constants import*

myModal=mbd.Modal(name=‘Fibers’)

my View port=session.View port(name=‘Spun-thermal-

bonded nonwoven materials’，origin=(0.0，0.0)，width=300，height=120)

import part

mySketch=myModal.Constrained Sketch(name=’FibersProfile’，sheet Size=20)

A=［(0.7，0)，(1.7，2)，(0.7，0.19)，(1.7，0.7)，(1.7，0.25)，(0.38，1.7)，(0.13，0.7)，(0.38，1.7)，(0.25，0.7)，(1.7，1.7)，(0.5，0.7)，(0，1.7)］

For i in range(len(A)/2):

mySketch.Line(point1=A［2*i］，point2=A［2*i+1］)

通過(guò)子程序建立的材料熱黏合點(diǎn)和纖維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 通過(guò)子程序建立的材料熱黏合點(diǎn)和纖維結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)所用熱軋非織造材料樣品厚度為0.036 mm;材料中熱黏合點(diǎn)大小為0.7 mm×0.7 mm，上下、左右隔距為0.8 mm(見(jiàn)圖6)，熱黏合點(diǎn)初始模量參數(shù)設(shè)置為5 000 MPa;通過(guò)公式(1)和公式(2)可以計(jì)算出材料中纖維的初始模量為760 MPa。本文使用shell單元模擬熱黏合點(diǎn)，用truss單元模擬纖維。為了模擬真實(shí)的拉伸條件，模型的一端固定，使用“ENCASTRE”約束條件，將材料另一端拉伸速度設(shè)置為25 mm/min。基于上述參數(shù)條件的熱軋非織造材料有限元模型包含纖維和熱黏合點(diǎn)兩部分(見(jiàn)圖7)。

3 有限元分析

3.1 熱黏合點(diǎn)參數(shù)對(duì)材料性能的影響

圖6 材料的融合圖像

圖7 材料的有限元模型

在熱軋非織造材料的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，材料中纖維部分經(jīng)熱軋?jiān)O(shè)備的軋輥的加熱加壓及再冷卻形成熱黏合點(diǎn)。熱黏合點(diǎn)應(yīng)是大尺度下的纖維集合體，并且是有損傷的和內(nèi)部應(yīng)力集中的大尺度纖維集合體，其力學(xué)性能應(yīng)和纖維有一定的相似性，但實(shí)際上對(duì)熱黏合點(diǎn)進(jìn)行具體的測(cè)試難度卻很大。國(guó)外有關(guān)的研究表明［9］，低密度熱軋非織造材料中熱黏合點(diǎn)可視為彈性體，并在模型中將彈性模量參數(shù)設(shè)置為纖維彈性模量的3倍，而該項(xiàng)研究對(duì)于這個(gè)設(shè)置并沒(méi)有給予解釋。本課題借鑒相關(guān)文獻(xiàn)［9-10，13］中參數(shù)設(shè)置的思路，通過(guò)建立的非織造材料的幾何結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)比不同參數(shù)條件下有限元模型模擬獲得的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，確定熱黏合點(diǎn)的材料屬性參數(shù)。

在熱軋非織造材料生產(chǎn)加工中，由于軋輥的溫度、壓力和生產(chǎn)的線速度等其他因素對(duì)于材料的熱黏合點(diǎn)形成有非常重要的決定作用，參數(shù)的改變將使材料的熱黏合點(diǎn)力學(xué)性能隨之改變，因此該模型所得熱黏合點(diǎn)的材料屬性參數(shù)是否適合于因生產(chǎn)工藝不同所制得的材料，還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。雙組分纖維的性能與聚丙烯纖維完全不同，所以對(duì)于雙組分纖維紡粘熱軋點(diǎn)黏合非織造材料，模型所得參數(shù)是否可以使用還需進(jìn)一步的研究。模型由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，同時(shí)目前ABAQUS軟件中沒(méi)有準(zhǔn)確的失效模式，模型最多運(yùn)行到應(yīng)變值為0.47時(shí)，因收斂問(wèn)題而不能繼續(xù)運(yùn)行。

在圖8中:模型中纖維材料的屬性參數(shù)由公式(1)和公式(2)計(jì)算獲得;曲線1、曲線2、曲線3和曲線4為模型所得曲線，材料曲線為樣品拉伸實(shí)驗(yàn)所得曲線。

圖8 不同熱黏合點(diǎn)參數(shù)條件下模型所得應(yīng)力—應(yīng)變曲線及樣品拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

曲線1中熱黏合點(diǎn)的彈性模量參數(shù)為纖維彈性模量參數(shù)的3倍，塑性參數(shù)和纖維塑性參數(shù)相同，曲線近似線性函數(shù)，表明在此模型中，該參數(shù)不合理。

曲線2中熱黏合點(diǎn)的彈性模量參數(shù)為纖維彈性模量參數(shù)的5倍，塑性參數(shù)和纖維塑性參數(shù)相同，曲線為非線性曲線，并且和真實(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)一致。

曲線3中熱黏合點(diǎn)的彈性模量參數(shù)為纖維彈性模量參數(shù)的5倍，未設(shè)置塑性參數(shù)，曲線3和曲線2非常接近。為了比較兩者之間的差距，本課題引入差距比率:

式中:S3——曲線3中應(yīng)力值;

S2——曲線2中應(yīng)力值。

在0°模型中，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.38時(shí)，曲線2的應(yīng)力是0.85 N/mm，曲線3的應(yīng)力是0.89 N/mm，兩者之間的差距比率是4.5%。

在90°模型中，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.38時(shí)，曲線2的應(yīng)力是1.31 N/mm，曲線3的應(yīng)力是1.4 N/mm，兩者之間的差距比率是6.4%。

計(jì)算曲線2和曲線3中應(yīng)力的差距比率平均值為5.4%。曲線2和曲線3中熱黏合點(diǎn)彈性參數(shù)相同，熱黏合點(diǎn)的塑性參數(shù)不同，表明熱黏合點(diǎn)中的塑性參數(shù)對(duì)整個(gè)材料的應(yīng)力影響為5.4%，影響很小。

曲線4中熱黏合點(diǎn)的彈性模量參數(shù)為纖維彈性模量參數(shù)的20倍，未設(shè)置塑性參數(shù)。根據(jù)差距比率公式計(jì)算曲線3和曲線4之間差距比率，0°模型的差距比率數(shù)值為14.1%，90°模型的差距比率數(shù)值為10%，兩者的平均值為12.05%，即當(dāng)熱黏合點(diǎn)的彈性模量從5倍纖維彈性模量增大到20倍纖維彈性模量時(shí)，兩者之間的差距比率是12.05%。結(jié)合曲線2和曲線3的差距比率5.4%，表明相對(duì)于黏彈性的纖維而言熱黏合點(diǎn)可被視為彈性體。

3.2 纖維參數(shù)對(duì)材料性能的影響

在圖9中:曲線1和曲線2為模型所得曲線，材料曲線為樣品拉伸實(shí)驗(yàn)所得曲線。

曲線1中纖維的參數(shù)為纖維原始參數(shù)，也即是從纖維的單纖拉伸實(shí)驗(yàn)中得到的參數(shù)。曲線2中纖維的參數(shù)為纖維原始參數(shù)的5倍。從材料曲線、曲線1和曲線2的變化過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，纖維的性能對(duì)樣品的力學(xué)性能有一定的影響。

在0°模型中，應(yīng)變值為0.38時(shí)，曲線1的應(yīng)力是0.85 N/mm，曲線2的應(yīng)力是1.275 N/mm，曲線2的應(yīng)力是曲線1應(yīng)力的1.5倍(1.275/0.85=1.5)。假設(shè)其他因素不變，纖維的材料屬性參數(shù)是原來(lái)的5倍時(shí)，其應(yīng)力是原來(lái)的1.5倍，即纖維對(duì)整個(gè)材料應(yīng)力的影響為30%(1.5/5=0.3)。

圖9 不同纖維參數(shù)條件下模型所得應(yīng)力—應(yīng)變曲線及樣品拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

在90°模型中，應(yīng)變?yōu)?.38時(shí)，曲線1的應(yīng)力是1.21 N/mm，曲線2的應(yīng)力是1.84 N/mm，曲線2的應(yīng)力是曲線1應(yīng)力的1.52倍(1.84/1.21=1.52)。假設(shè)其他因素不變，纖維性能對(duì)整個(gè)材料應(yīng)力的影響為30.4%(1.52/5=0.304)。

0°模型和90°模型表明:在材料的應(yīng)變值為0.38時(shí)，纖維性能對(duì)整體材料應(yīng)力的影響分別為30%和30.4%，而其他如熱軋黏合形式、熱軋輥溫度、熱軋輥壓力、生產(chǎn)速度、纖網(wǎng)面密度及冷卻條件等因素對(duì)整體材料的影響為70%。

4 結(jié)論

本文利用多聚焦圖像融合技術(shù)，結(jié)合python語(yǔ)言編程構(gòu)建了熱軋非織造材料的有限元模型。通過(guò)有限元模型模擬所得應(yīng)力—應(yīng)變曲線與樣品拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的對(duì)比，研究了材料中熱黏合點(diǎn)和纖維性能對(duì)整個(gè)材料的力學(xué)性能的影響。對(duì)比不同參數(shù)條件下的有限元模型所得應(yīng)力—應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn):材料中熱黏合點(diǎn)可以視為彈性體，其塑性參數(shù)對(duì)整個(gè)材料的力學(xué)性能影響為5.4%;在應(yīng)變?yōu)?.38時(shí)，纖維性能對(duì)整體材料應(yīng)力的影響為30%，而熱軋輥溫度、生產(chǎn)速度、纖網(wǎng)面密度及冷卻條件等因素對(duì)整體材料應(yīng)力的影響為70%。

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