真絲和滌綸仿真絲織物的拉伸性能有限元仿真

李瑛慧 謝春萍 劉新金 蘇旭中

摘要： 為了在織物設(shè)計(jì)時(shí)可以依據(jù)織造原料的紗線性能來(lái)估算織物的拉伸性能，以預(yù)測(cè)、優(yōu)化織物的拉伸性能，對(duì)織物的整個(gè)拉伸過(guò)程做了有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。選用規(guī)格相近的滌綸仿真絲和真絲織物，借助超景深數(shù)碼顯微鏡VHX-5000測(cè)量織物試樣，獲得紗線的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用AutoCAD軟件構(gòu)建織物三維系統(tǒng)的有限元模型；并運(yùn)用有限元軟件Ansys，設(shè)置載荷和邊界條件，求解拉伸載荷的仿真數(shù)值結(jié)果；最后將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比。結(jié)果表明：織物拉伸模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線基本相同，證明有限元仿真的可行性；滌綸仿真絲和真絲織物的拉伸曲線在拉伸初始階段和斷裂階段有明顯差異。

關(guān)鍵詞： 拉伸力學(xué)性能；真絲織物；滌綸仿真絲織物；有限元仿真；試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TS101.923文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1001-7003（2018）03-0027-05引用頁(yè)碼： 031105

Abstract： In order to evaluate and optimize tensile mechanical properties of fabrics according to yarn properties of weaving materials in fabric design， finite element simulation and experimental verification of the whole tensile process were made for the fabric. Polyester silk-like and silk fabrics with similar specifications were chosen， and the fabric samples were measured with super depth of field digital microscope VHX-5000 to gain the geometry parameters of the yarns. The three-dimensional finite element model was built by AutoCAD. Then， the load and the boundary conditions were set by applying the finite element software Ansys to solve simulation results of tensile load. Lastly， the finite element simulation results and experimental results were compared. The results indicate that the tensile simulation curves and experimental curves are basically similar， verifying the feasibility of finite element simulation. There are obvious differences between silk fabrics and polyester silk-like fabrics in the initial stage and breaking stage of tensile curves.

Key words： tensile mechanical properties； silk fabrics； polyester silk-like fabrics； finite element simulation； experimental verification

真絲被譽(yù)為“纖維皇后”，其制成的織物手感滑爽，格調(diào)高雅，輕盈飄逸，吸濕懸垂[1]，歷來(lái)受到人們的喜愛(ài)。隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)真絲織物的需求越來(lái)越大，加之天然條件有限，蠶絲產(chǎn)量難以滿足日益突出的消費(fèi)要求，從而使仿真絲織物得到迅速發(fā)展和重視。滌綸仿真絲織物是目前市面上流行最廣泛的人造絲織物。滌綸作為國(guó)內(nèi)產(chǎn)量最大的化學(xué)纖維，其物理機(jī)械性能與真絲較相近[2]，本文將對(duì)真絲和滌綸仿真絲織物進(jìn)行對(duì)比分析，揭示其拉伸力學(xué)性能的差異。

織物的力學(xué)性能是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于織物力學(xué)性能的研究，很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)織物的拉伸力學(xué)性能做了大量的研究。李焰[3]從不同方向測(cè)試了機(jī)織物的力學(xué)性能，比較了同一織物試樣不同方向的拉伸和彎曲性能。肖繼海等[4]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)織物拉伸、懸垂、熱傳遞等性能。Pierre等[5]利用X線斷層攝影術(shù)獲得結(jié)構(gòu)圖像，并運(yùn)用有限元從纖維層面模擬織物破壞的機(jī)械行為，研究織物的力學(xué)性能。Tomislay等[6]使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN方法建立織物拉伸性能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，用于預(yù)測(cè)織物的拉伸性能。施晨陽(yáng)等[7]運(yùn)用高速攝像機(jī)拍攝滌塔夫織物拉伸的全過(guò)程，分析拉伸直至斷裂過(guò)程中的數(shù)字化信息。本文利用有限元軟件Ansys對(duì)絲織物的拉伸性能進(jìn)行仿真，通過(guò)紗線的拉伸性能對(duì)織物的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，使設(shè)計(jì)時(shí)能有效地控制和優(yōu)化織物拉伸性能。

1織物細(xì)觀模型建立

1.1織物試樣

選用目前市面上銷售的規(guī)格相近的真絲織物（杭州絲繡麗語(yǔ)服飾有限公司）和滌綸仿真絲織物（蘇州美耀紡織有限公司），按照實(shí)際織物拉伸試驗(yàn)樣品尺寸（100mm×25mm），建立這兩種織物物理模型，對(duì)織物拉伸力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析。表1為兩種織物的規(guī)格和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2織物細(xì)觀模型構(gòu)建

測(cè)量紗線和織物的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立基于織物組織的真實(shí)微觀模型。先用環(huán)氧樹(shù)脂處理織物，使織物固化，便于觀察織物的截面。利用VHX-5000超景深數(shù)碼顯微鏡觀察并測(cè)量織物的橫截面，由于紗線橫截面不是標(biāo)準(zhǔn)的圓或者橢圓，將紗線截面近似為橢圓，從而確保紗線與紗線足夠接觸，并且防止紗線模型接觸過(guò)盈[8]。由于兩種織物規(guī)格相近，采用統(tǒng)一的織物結(jié)構(gòu)模型，在誤差范圍內(nèi)，便于比較分析，織物經(jīng)向截面的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示?？椢锛?xì)觀模型在AutoCAD軟件中建立，坐標(biāo)原點(diǎn)及坐標(biāo)軸方向標(biāo)注在圖示位置，如圖2所示?？椢锏募?xì)觀模型的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2織物拉伸力學(xué)性能有限元分析

2.1紗線拉伸試驗(yàn)

為得到紗線拉伸力學(xué)的各項(xiàng)參數(shù)，將紗線從織物中取出，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[9]。在Ansys有限元軟件中設(shè)置紗線拉伸試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并運(yùn)行模擬計(jì)算。試樣1和2，從織物的不同部分隨機(jī)抽出經(jīng)紗和緯紗各50根，參照GB/T3362—2005《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》測(cè)試紗線拉伸性能，制成長(zhǎng)度是150mm的紗線試樣。拉伸儀器使用YG020型等速伸長(zhǎng)型強(qiáng)力儀，拉伸速度設(shè)置為100mm/min，分別進(jìn)行兩種紗線的拉伸試驗(yàn)。每種紗線測(cè)10次，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，如表3所示。

2.2定義材料模型

先確定各向同性線彈性材料，輸入對(duì)應(yīng)的彈性模量和泊松比，再定義非彈性各向同性材料模型，輸入相應(yīng)的彈性極限和與等向強(qiáng)化材料有關(guān)的材料參數(shù)。材料服從非線性等向強(qiáng)化規(guī)律，這種材料模型特別適合大變形位移分析。

2.3單元選擇和網(wǎng)格劃分

紗線選用Solid186三維固體結(jié)構(gòu)單元，該單元擁有二次位移模式，可以對(duì)不規(guī)整的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，能夠更好地兼容CAD/CAM系統(tǒng)建立的物理模型。并且該單元有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X、Y、Z三個(gè)方向的自由度，具有任意空間的各向異性。選用接觸單元CONTA174和目標(biāo)單元TARGE170對(duì)經(jīng)紗和緯紗相互接觸部分進(jìn)行定義。由于組成織物的紗線十分規(guī)整，所以選用六面體單元，采用體掃略的方式劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的織物模型如圖3所示。

2.4定義邊界條件和載荷

如圖3所示，劃分網(wǎng)格后的織物模型左端面（即所有經(jīng)紗左邊橫截面）所有節(jié)點(diǎn)，施加全約束。選擇模型上端面（即所有緯紗上邊橫截面）和下端面（即所有緯紗下邊橫截面）施加Y方向和Z方向的約束。模型右端面（即所有經(jīng)紗右邊橫截面）施加Y方向和Z方向的約束，X方向施加速度載荷為100mm/min。

2.5設(shè)置分析選項(xiàng)并求解

激活靜力學(xué)分析，設(shè)置大變形選項(xiàng)，載荷加載方式選用斜坡加載，采用大變形選項(xiàng)和斜坡加載載荷方式是為了防止紗線拉伸過(guò)程產(chǎn)生大變形導(dǎo)致結(jié)果不收斂，再定義載荷步和載荷子步，并進(jìn)行有限元求解。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到織物拉伸應(yīng)力云圖，圖4（a）（b）分別是真絲和滌綸仿真絲織物載荷步為20時(shí)的拉伸應(yīng)力云圖。

從圖4可以看出，沿織物拉伸方向的紗線受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非拉伸方向紗線。沿著經(jīng)紗方向拉伸時(shí)，在經(jīng)紗拉伸方向上，經(jīng)紗承受了絕大部分的拉力，緯紗僅受到了經(jīng)緯紗相互摩擦產(chǎn)生的摩擦力，這個(gè)摩擦力與經(jīng)紗和緯紗間的摩擦因數(shù)有關(guān)[10]。從圖4還可以看出，應(yīng)力主要集中在經(jīng)緯紗交界處，這是因?yàn)楫?dāng)織物受到拉伸時(shí)，拉伸方向的紗線屈曲被伸直，帶動(dòng)非拉伸方向的紗線更加屈曲，非受拉紗線給受拉紗線一個(gè)反作用力，使得經(jīng)緯紗間應(yīng)力較大，織物在經(jīng)緯紗交界處更易斷裂。

3織物拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證

織物拉伸斷裂試驗(yàn)時(shí)，使用扯邊紗條樣法，將試樣剪成寬度為40mm，扯去兩邊邊紗后，最終寬度為25mm，試樣長(zhǎng)度為200mm，測(cè)試夾持長(zhǎng)度為100mm，每種試樣制作5條經(jīng)向樣布。使用Instron萬(wàn)能試驗(yàn)儀對(duì)織物經(jīng)向進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，設(shè)置拉伸速度為100mm/min，預(yù)加張力為5N，每種樣布經(jīng)向測(cè)試5次。Instron測(cè)試得到的織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及Ansys模擬提取值經(jīng)轉(zhuǎn)化得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。

由圖5可以看出，滌綸仿真絲和真絲織物的應(yīng)力變化范圍大致相同，最大應(yīng)力相差不大，但拉伸過(guò)程中的應(yīng)變-應(yīng)力變化趨勢(shì)有所差異。圖5（a）滌綸仿真絲織物的實(shí)際拉伸過(guò)程總體分為4個(gè)階段：第1階段主要是滌綸織物的彈性變形區(qū)域，紗線承受的應(yīng)力迅速增加；第2階段主要是滌綸織物的屈服變形區(qū)域，織物所受力超過(guò)了屈服應(yīng)力，紗線被拉細(xì)；第3階段主要是由于紗線和纖維斷裂的不同時(shí)性，造成該階段應(yīng)力波動(dòng)；第4階段是絕大部分紗線斷裂，織物最終斷裂。圖5（b）真絲織物的拉伸過(guò)程總體可分為4個(gè)階段：第1階段是真絲織物中拉伸徑向紗線由屈曲到伸直的過(guò)程；第2階段是真絲的彈性變形部分，被伸直的紗線承擔(dān)更多的應(yīng)力；第3階段是由于紗線斷裂的不同時(shí)性，該階段曲線的斜率略小于第2階段；第4階段涉及絕大部分紗線斷裂，織物最終斷裂。

滌綸仿真絲與真絲拉伸曲線趨勢(shì)在第1階段和第3階段明顯不同，其中第1階段不同是因?yàn)?，滌綸有較高的初始模量，抵抗外力變形的能力較好，在受到外界拉力時(shí)，其承受的應(yīng)力增加較快；而真絲織物因?yàn)榭U效用，長(zhǎng)絲屈曲較多，在拉伸的初始階段表現(xiàn)為長(zhǎng)絲的屈曲伸直過(guò)程。另外第3階段不同是因?yàn)?，滌綸仿真絲織物的長(zhǎng)絲伸長(zhǎng)性較好，使得紗線斷裂時(shí)更隨機(jī)，應(yīng)力波動(dòng)較大；而真絲斷裂時(shí)，相對(duì)更集中統(tǒng)一，斷裂時(shí)應(yīng)力波動(dòng)較小。

對(duì)比滌綸仿真絲的試驗(yàn)拉伸曲線和模擬拉伸曲線，織物拉伸的第1階段，試驗(yàn)值大于模擬值，這是因?yàn)樵趯?shí)際織物拉伸試驗(yàn)時(shí)，給了織物必要的預(yù)加張力，紗線在一定程度上被拉直，在同樣的應(yīng)變情況下，試驗(yàn)曲線比模擬曲線有更大的應(yīng)力?？椢锢斓搅说?、3階段，在相同的應(yīng)變下，試驗(yàn)應(yīng)力值逐漸小于模擬值，這是因?yàn)槟M時(shí)，紗線選用的是彈性材料模型，而實(shí)際上紗線的斷裂是隨機(jī)的?？椢锢斓牡?階段，試驗(yàn)應(yīng)力值出現(xiàn)波動(dòng)，而模擬值呈現(xiàn)近乎脆性的斷裂，這是因?yàn)槟M過(guò)程中織物建模時(shí)每根紗線是一個(gè)整體，實(shí)際上紗線是由若干纖維構(gòu)成的，拉伸斷裂會(huì)呈現(xiàn)不同時(shí)性。進(jìn)一步對(duì)比真絲的試驗(yàn)拉伸曲線和模擬拉伸曲線，兩者曲線基本吻合。綜合來(lái)看，有限元模擬織物拉伸斷裂具有可行性。

4結(jié)論

本文借助超景深數(shù)碼顯微鏡VHX-5000觀察并測(cè)量紗線和織物的幾何構(gòu)型參數(shù)，利用制圖軟件AutoCAD建立織物系統(tǒng)的有限元模型。基于有限元軟件Ansys對(duì)真絲和滌綸仿真絲織物進(jìn)行拉伸力學(xué)性能的仿真，最后將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)織物拉伸模擬曲線與試驗(yàn)曲線總體趨勢(shì)大致相同，滌綸仿真絲和真絲織物的拉伸曲線在拉伸初始階段和斷裂階段有明顯差異。本文證明了有限元仿真分析的有效可行性，為有限元分析織物的其他性能提供了依據(jù)。

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