仿真絲織物與真絲織物的熱傳遞有限元仿真

李瑛慧 謝春萍 劉新金 蘇旭中

摘要： 為在織物設(shè)計(jì)時(shí)評(píng)估、優(yōu)化織物的熱舒適性，提出一種有效預(yù)測(cè)克羅值和織物表面溫度變化的方法。文章采用規(guī)格相近的仿真絲和真絲織物，通過(guò)VHX-5000顯微鏡測(cè)量織物試樣，得到紗線的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，并考慮織物周圍的空氣，借助AutoCAD軟件建立織物系統(tǒng)的三維有限元模型；借助有限元軟件ANSYS，設(shè)置載荷和邊界條件，求解仿真數(shù)值；并將有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明：織物仿真克羅值與實(shí)驗(yàn)克羅值相對(duì)誤差在5%以下，證明有限元仿真的可行性，為改善仿真絲織物的熱傳遞提供了理論方法；相近的織物規(guī)格下，粘膠仿真絲與真絲織物克羅值相差不大，并遠(yuǎn)大于滌綸仿真絲織物。

關(guān)鍵詞： 熱傳遞；克羅值；真絲織物；仿真絲織物；有限元仿真

中圖分類號(hào)： TS101.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2017）12-0007-05

Abstract： In order to evaluate and optimize thermal comfort of fabrics， an effective method to predict clo value and the temperature change of fabrics was presented. Silk-like and real silk fabrics with similar specifications were adopted， and the geometrical parameters of the yarns were obtained by observing the morphology of the fabrics with the help of VHX-5000. Then， the 3D finite element model of the fabric was built by AutoCAD with the consideration of the air around the fabrics. The load and the boundary conditions were set by finite element software ANSYS to solve the simulation value. Besides， the results of finite element simulation and experimental results were compared. The results indicate that the relative error of clo values between numerical simulations and experiments is less than 5%， which verifies the feasibility of finite element simulation. It is a theoretical method to improve the heat transfer of silk-like fabrics. With similar specifications of fabrics， the clo value of real silk fabric is similar to that of viscose silk-like fabric， and much larger than that of polyester silk-like fabric.

Key words： heat transfer； clo value； real silk fabric； silk-like fabric； finite element simulation

真絲被譽(yù)為“纖維皇后”，其制成的織物手感柔軟、外觀華麗、光澤優(yōu)雅、吸濕懸垂[1]。但真絲價(jià)格居高不下，從而使仿真絲織物得到發(fā)展和重視。其中，滌綸仿真絲織物是市面上流行廣泛的人造絲織物，粘膠仿真絲織物是國(guó)內(nèi)近年來(lái)投入大量精力研究的高品質(zhì)高仿真化的人造絲織物[2]。本文將這兩種仿真絲織物與真絲織物進(jìn)行對(duì)比分析，揭示其熱舒適性的差異。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是依據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)織物的相似性進(jìn)行的。它存在的問(wèn)題有周期長(zhǎng)、工序復(fù)雜，具有未知性和不確定性，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難度大[3]。通過(guò)有限元方法分析織物熱傳遞的過(guò)程，可以在織物設(shè)計(jì)時(shí)評(píng)估并優(yōu)化織物的熱舒適性。目前，學(xué)者們已經(jīng)對(duì)織物的熱傳遞進(jìn)行了一定的研究。王青華等[4]研究了織物空間空氣層厚度、表面特征和纖維種類對(duì)熱阻的影響；王曉東等[5]分析了織物與皮膚接觸后皮膚溫度變化規(guī)律；Marie等[6]對(duì)皮膚和面料在接觸瞬間的能量傳遞進(jìn)行了研究；Jirsak等[7]對(duì)纖維網(wǎng)垂直排列和交叉排列的無(wú)紡織物的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了比較；吳佳佳等[8]為設(shè)計(jì)機(jī)織物舒適性，提供了一種有效預(yù)測(cè)織物熱阻的方法。本文利用ANSYS有限元軟件模擬絲織物的熱傳遞，以纖維的導(dǎo)熱性參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)織物的導(dǎo)熱性參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)能有效控制和優(yōu)化織物的熱傳遞，為改善仿真絲織物的熱傳遞提供理論方法。

1 織物細(xì)觀模型建立

1.1 織物試樣

選用規(guī)格相近的真絲織物、粘膠仿真絲織物、滌綸仿真絲織物（市售），建立這三種織物的物理模型，對(duì)織物熱傳遞進(jìn)行有限元分析。三種織物的規(guī)格和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 織物細(xì)觀模型

為建立織物組織細(xì)觀模型，需要紗線幾何參數(shù)和織物構(gòu)型數(shù)據(jù)。選用固化收縮率較小的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)織物進(jìn)行處理，防止織物截面分散。通過(guò)超景深數(shù)碼顯微鏡VHX-5000對(duì)織物試樣的細(xì)觀照片進(jìn)行尺寸測(cè)量，得到織物細(xì)觀模型幾何參數(shù)。通過(guò)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，紗線截面不是規(guī)整的圓，將截面理想為橢圓形，既保證紗線之間充分接觸，又避免出現(xiàn)接觸過(guò)盈[9]。由于三種織物規(guī)格相近，采用統(tǒng)一的織物模型，在誤差范圍內(nèi)，便于比較分析。圖1為織物經(jīng)向截面幾何結(jié)構(gòu)示意圖，織物細(xì)觀模型在Autocad軟件中建立，如圖2所示?？椢锛?xì)觀模型幾何參數(shù)如表2所示。

2 織物熱傳遞有限元分析

2.1 假設(shè)條件

由傳熱理論可知，當(dāng)織物的縱向厚度遠(yuǎn)小于橫向長(zhǎng)度和寬度時(shí)，認(rèn)為它的導(dǎo)熱只沿厚度方向進(jìn)行[10]。由于織物內(nèi)部紗線之間或纖維之間的縫隙很小，對(duì)一般紡織品而言，在常規(guī)使用條件下，對(duì)流和輻射的傳熱效果遠(yuǎn)小于熱傳導(dǎo)對(duì)傳熱所做的貢獻(xiàn)。因此，本文將織物模型內(nèi)部的傳熱看作沿織物平面方向的一維熱傳導(dǎo)，其余方向絕熱，并且視纖維材料為各項(xiàng)同性材料。

2.2 模型導(dǎo)入

將在AutoCAD軟件中建立的織物模型導(dǎo)入有限元ANSYS軟件中，根據(jù)坐標(biāo)位置，建立織物周圍空氣部件，創(chuàng)建織物和空氣的集合體。并進(jìn)行布爾運(yùn)算Glue操作，將該模型裝配為包含靜止空氣的織物系統(tǒng)，如圖3所示。

2.3 定義材料屬性

根據(jù)紡織材料學(xué)中的纖維物理性質(zhì)，分別設(shè)定粘膠仿真絲織物、滌綸仿真絲織物和真絲織物的材料參數(shù)，并賦予相應(yīng)織物模型的材料屬性。材料的物理性質(zhì)如表3所示。

2.4 單元選擇和網(wǎng)格劃分

織物模型分析時(shí)選用SOLID87的單元類型。SOLID87是三維十節(jié)點(diǎn)四面體單元，該單元能很好地適應(yīng)不規(guī)則模型的網(wǎng)格劃分。該單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)1個(gè)自由度，即節(jié)點(diǎn)溫度。并且，SOLID87能適應(yīng)于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。

在劃分網(wǎng)格的過(guò)程中，劃分單元的尺寸越小，模型被劃分的單元數(shù)量就越多，模擬精確度越高，與此同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量。選用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，單元尺寸選擇0.01（圖3）。

2.5 施加載荷并求解計(jì)算

假設(shè)模擬的環(huán)境為人體舒適的環(huán)境，將模型的初始溫度設(shè)為23℃。設(shè)置相互作用，在紗線與紗線間、紗線與空氣間建立接觸對(duì)?？椢镆粋?cè)貼近皮膚，溫度逐漸上升，以人體皮膚溫度確定模型該側(cè)面的最終溫度為32℃，并設(shè)置溫度幅值。編輯模型外側(cè)邊與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)為5W/（m2·℃）。設(shè)置求解選項(xiàng)，選擇Steady-State。設(shè)置輸出控制時(shí)間終止步為1，其他接受默認(rèn)設(shè)置，進(jìn)行有限元運(yùn)算。

2.6 后處理

使用General Postproc菜單選項(xiàng)，查看傳熱平衡時(shí)的織物系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布云圖，并求出外表面的平均溫度和熱流密度，用以計(jì)算克羅值。織物系統(tǒng)傳熱平衡時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖如圖4所示。織物的溫度沿著熱量傳遞的方向逐漸遞減，紗線交織的區(qū)域內(nèi)表面溫度高于其他區(qū)域，外表面溫度低于其他區(qū)域。

3 驗(yàn) 證

3.1 熱舒適性能測(cè)試

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11048—1989《紡織品保溫性能試驗(yàn)方法》，使用YG 606織物保溫性試驗(yàn)儀測(cè)定織物的克羅值、保溫率等。

3.2 織物系統(tǒng)克羅值

克羅值由以下公式計(jì)算[8]：

式中：R為克羅值，TL為傳熱平衡時(shí)的外表面平均溫度，T0為初始溫度，q為熱流密度。

根據(jù)熱傳導(dǎo)傅立葉定律計(jì)算熱流密度：

式中：q為熱流密度，Knn為導(dǎo)熱系數(shù)，Tn為沿?zé)崃苛飨虻臏囟忍荻?，?fù)號(hào)表示熱量流向溫度降低的方向。

根據(jù)ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果，提取粘膠仿真絲織物、滌綸仿真絲織物、真絲織物傳熱平衡時(shí)的內(nèi)外表面溫度差、熱流密度，結(jié)合式（1）（2），計(jì)算模擬的織物系統(tǒng)的克羅值。并與YG606織物保溫性試驗(yàn)儀測(cè)得的織物克羅值進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出，三種織物熱平衡時(shí)的有限元模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的差異在5%以下。三種織物的有限元模擬值均比實(shí)驗(yàn)測(cè)試值小，一方面是因?yàn)闊醾鬟f模擬時(shí)，定義材料屬性，輸入的是纖維的物理屬性，而紗線是纖維的集合體，織物又是纖維和空氣的集合體，所以模擬的織物克羅值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的克羅值有所差異；另一方面，織物熱傳遞模擬時(shí)，模型沒(méi)有建立織物表面的毛羽，而實(shí)際織物表面有豐富的毛羽，從而導(dǎo)致模擬的克羅值小于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的克羅值。有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡管不完全一致，但存在的誤差在可接受范圍內(nèi)，證明有限元模擬的可行性。

克羅值通常用來(lái)描述服裝或織物的保暖性、隔熱性，是反映織物保暖性和涼爽性的重要指標(biāo)。由模擬值和實(shí)驗(yàn)值可以得到，三種織物在相同的織物規(guī)格條件下，真絲的克羅值最大，粘膠仿真絲次之，滌綸仿真絲的克羅值最小。在環(huán)境溫度高于平均皮膚溫度時(shí)，希望服裝的克羅值盡可能小一些，但隨著全球變暖，夏季氣溫逐年升高，在環(huán)境溫度明顯高于人體平均皮膚溫度32℃時(shí)，織物克羅值大有利于減少外界熱量傳入人體，可以對(duì)人體起到一定的隔熱保護(hù)作用，有助于防暑。另外，織物的熱舒適性離不開(kāi)濕舒適性，炎熱的夏季，人體出汗量大，真絲和粘膠織物的回潮率遠(yuǎn)高于滌綸織物，特別是真絲吸濕放濕性好，因而夏季穿著真絲服裝舒適性較好。粘膠仿真絲織物的克羅值與真絲的克羅值相近，在這方面，粘膠仿真絲織物在一定程度上可以與真絲相媲美。

4 結(jié) 論

本文采用織物規(guī)格相近的仿真絲和真絲織物，通過(guò)超景深數(shù)碼顯微鏡VHX-5000對(duì)織物試樣的細(xì)觀照片進(jìn)行尺寸測(cè)量，借助AutoCAD繪圖軟件建立了織物幾何模型，并考慮織物周圍空氣的作用，建立織物系統(tǒng)模型。借助有限元分析軟件ANSYS，模擬織物的熱傳遞性能，并將有限元仿真結(jié)果與恒溫平板實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得到織物仿真克羅值與實(shí)驗(yàn)克羅值相對(duì)誤差在5%以下。粘膠仿真絲織物與真絲織物克羅值相差不大，且遠(yuǎn)大于滌綸仿真絲織物。本文以纖維的導(dǎo)熱性參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)織物的導(dǎo)熱性參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)能有效控制和優(yōu)化織物的熱傳遞，為改善仿真絲織物的熱傳遞性能提供了理論方法。

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