基于ABAQUS的滌/棉混紡機(jī)織物起球過程有限元仿真

肖 琪，王 瑞，張淑潔，孫紅玉，王靜茹

(1.常熟理工學(xué)院 紡織服裝與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387； 4.濱州華紡工程技術(shù)研究院，山東 濱州 256600)

滌/棉混紡機(jī)織物具有舒適挺括、耐穿耐磨、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工裝領(lǐng)域[1]。其年產(chǎn)量高達(dá)100億m，產(chǎn)值超1 500億元，但滌/棉混紡機(jī)織物在穿著或者洗滌過程中易起毛起球[2]，嚴(yán)重影響織物的外觀、手感和服用性能[3]。

影響織物起毛起球性能的因素有很多，包括纖維性能，如纖維強(qiáng)力、斷裂伸長率、彈性模量等，紗線性能如紗線線密度、捻度、織物組織結(jié)構(gòu)等?，F(xiàn)有研究主要從線密度、捻度、織物組織結(jié)構(gòu)等宏觀角度改善起毛起球現(xiàn)象，或者主要采用化學(xué)整理劑[4]改善起毛起球程度，并沒有從根本上解決起毛起球問題[5]，且化學(xué)試劑對(duì)環(huán)境不友好[6]。從纖維性能的微觀角度研究纖維參數(shù)對(duì)織物起毛起球性能的影響規(guī)律是闡釋織物起毛起球機(jī)制的重要方法。目前從纖維性能的微觀角度對(duì)織物起毛起球機(jī)制的研究主要基于實(shí)驗(yàn)和理論分析2種方法?；趯?shí)驗(yàn)的方法，如：萬愛蘭等[7]通過化學(xué)方法對(duì)羊毛纖維進(jìn)行處理，分析羊毛形狀參數(shù)對(duì)羊毛針織物起毛起球性能的影響規(guī)律，但只是從定性的角度分析織物起毛起球機(jī)制；Hajilari等[8]對(duì)比了不同彈性模量的纖維對(duì)織物起毛起球性能影響發(fā)現(xiàn)，纖維彈性模量越大，織物越容易起毛起球。這些研究在一定程度上量化了纖維參數(shù)對(duì)織物起毛起球性能的影響規(guī)律，但是沒有從理論上量化分析纖維參數(shù)如彈性模量對(duì)織物起毛起球性能影響的力學(xué)機(jī)制。基于理論分析的方法，如Hearle等[9]基于機(jī)械動(dòng)力學(xué)理論研究了單根纖維起球機(jī)制[10]，并發(fā)現(xiàn)纖維的強(qiáng)力和伸長率對(duì)織物起毛起球有顯著影響[11]，但并沒有達(dá)到量化仿真以及可視化的效果。纖維彈性模量是反映纖維力學(xué)性能的重要指標(biāo)，它是纖維強(qiáng)力和斷裂伸長率的有效結(jié)合，是分析織物起球過程中纖維發(fā)生變形、毛球壽命周期的重要參數(shù)。通過前期的研究表明，滌/棉混紡機(jī)織物起球過程中棉纖維發(fā)生斷裂被滌綸包裹，毛球的形成主要來源于滌綸的作用[3]。因此，從滌綸彈性模量角度研究滌/棉混紡機(jī)織物起毛起球過程的力學(xué)行為對(duì)揭示織物起毛起球機(jī)制有一定的促進(jìn)作用。

有限元仿真是一種基于有限元理論和商業(yè)軟件如ABAQUS的研究方法[12]，將其應(yīng)用于織物起毛起球機(jī)制的研究，可實(shí)現(xiàn)量化仿真織物表面毛羽起球過程以及達(dá)到可視化的效果。采用有限元軟件將織物和織物表面上的毛羽劃分為有限個(gè)單元，即網(wǎng)格[13]。當(dāng)施加載荷時(shí)，一步一步計(jì)算每個(gè)單元上的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，最終獲得織物起毛起球過程的能量變化曲線、起球圖像以及應(yīng)力云圖。有限元仿真的起球圖像特征主要包含毛羽和毛球，因此可采用前期研究得到的綜合圖像處理技術(shù)[14]提取有限元仿真的起球圖像中毛球特征數(shù)據(jù)，并根據(jù)毛球特征數(shù)據(jù)對(duì)起球等級(jí)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，從而獲得不同纖維彈性模量對(duì)織物起球等級(jí)的影響規(guī)律。

本文采用毛羽測試方法獲得混紡比例為65/35的滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽分布特征，基于PYTHON語言編寫的圖形用戶界面窗口，以滌綸彈性模量為可變參數(shù)，織物及其表面毛羽為幾何模型，實(shí)現(xiàn)滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽起球過程的有限元仿真，獲得不同滌綸彈性模量時(shí)織物起球過程產(chǎn)生的摩擦耗散能、應(yīng)變能、動(dòng)能、應(yīng)力、應(yīng)變等變化曲線，以及應(yīng)力云圖和起球圖像，從而揭示織物表面毛羽的起球機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用儀征化纖股份有限公司提供的滌綸(線密度為1.33 dtex)，其參數(shù)如表1所示。本文主要研究滌綸彈性模量對(duì)織物起毛起球性能的影響規(guī)律，即滌綸參數(shù)是可變參數(shù)，而棉纖維參數(shù)是固定不變的。因此，本文選取的棉纖維是企業(yè)常用的規(guī)格。將表1所示的3種滌綸分別與際華3542紡織有限公司提供的棉纖維(線密度為1.2 dtex，纖維長度為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)28 mm，馬克隆值為4.5，斷裂比強(qiáng)度為 2 cN/dtex) 按照65%、35%的比例進(jìn)行混紡，織物組織結(jié)構(gòu)為三上一下斜紋，最終獲得3種滌/棉混紡機(jī)織物。其中，紗線的線密度為30 tex，織物的經(jīng)、緯紗密度分別為425、228根/(10 cm)。

表1 滌綸的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of polyester fibers

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 纖維性能測試

采用YG002C型纖維細(xì)度分析儀按照SN/T 2672—2010《紡織原料細(xì)度試驗(yàn)方法(直徑) 顯微投影儀法》測試?yán)w維的直徑；采用YG006型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)按照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》測試?yán)w維的彈性模量；采用Y151型纖維摩擦系數(shù)儀測試?yán)w維的摩擦因數(shù)。

1.2.2 織物表面毛羽測試

將摩擦過的具有絨毛和毛球的織物(起毛起球測試后的織物試樣)表面朝向外，沿著織物的斜線紋路折疊，折疊位置形成的直線作為基線，放置在有較大反差的且具有刻度尺的背景之上(見圖1)，采用數(shù)碼成像設(shè)備(MIXOUT 數(shù)碼顯微鏡)對(duì)準(zhǔn)試樣，并調(diào)節(jié)焦距，直至圖像中顯示的試樣毛羽和毛球清晰，按住攝像機(jī)的Enter鍵即可獲得織物毛羽和毛球圖像。

圖1 數(shù)碼成像設(shè)備獲取的織物表面毛羽和毛球Fig.1 Hairiness and pills on fabric by digital imaging equipment

采用粒徑分布計(jì)算軟件Nano measurer 2.1對(duì)獲得的織物表面毛羽圖像進(jìn)行測試(見圖2)。測量第1條基線上每根毛羽的長度，并計(jì)算相同長度的毛羽數(shù)量。采用上述方法測量并計(jì)算其他基線上每根毛羽的長度和相同長度的毛羽數(shù)量。匯總每條基線(總共25條基線)上的毛羽長度和相同長度的毛羽數(shù)量，最后，根據(jù)整塊織物試樣上的毛羽長度和相同長度的毛羽數(shù)量獲得織物毛羽長度和毛羽密度分布。

圖2 粒徑分布計(jì)算軟件測試布面毛羽Fig.2 Hairiness on fabric tested by Nano Measurers software

1.2.3 織物起毛起球性能測試

按照GB/T 4802.2—2008《紡織品 織物起毛起球性能的測定 第2部分：改型馬丁代爾法》，在溫度為 (20±2) ℃、相對(duì)濕度(65±2)%的恒溫恒濕環(huán)境下，在同一塊織物的不同位置裁剪6塊直徑為14 cm 的圓形試樣，組成3組(每組包括2塊試樣)，將每組試樣中的1塊安裝在YG(B)401 T型馬丁代爾耐磨儀的試樣夾具中，另外1塊安裝在起球臺(tái)上，在 415 g 壓力下圓形試樣以利薩如圖形的軌跡與相同織物進(jìn)行摩擦，每組試樣分別進(jìn)行125、500、1 000、2 000、5 000、7 000 次的摩擦測試后獲得起球后的織物試樣，采用織物等級(jí)客觀評(píng)估方法[13]評(píng)定起球試樣的起球等級(jí)。

2 有限元仿真

2.1 幾何模型建立

經(jīng)過前期的研究發(fā)現(xiàn)，織物起球傾向來源于織物表面毛羽長度和密度[15]，因此測試織物表面毛羽的長度和密度分布才能準(zhǔn)確仿真織物起球過程。

表2示出上述3種不同種類的滌/棉混紡機(jī)織物在不同摩擦次數(shù)下起毛起球測試后的織物表面毛球數(shù)量?？梢钥闯?，樣品03#起球最嚴(yán)重，樣品02#抗起球性能最好。接下來首先研究03#滌/棉混紡機(jī)織物的毛羽長度、密度分布與毛球數(shù)量之間的變化關(guān)系。

表2 滌/棉混紡機(jī)織物表面毛球數(shù)量Tab.2 Number of pills on polyester/cotton woven fabrics 根

圖3示出03#滌/棉混紡機(jī)織物不同摩擦次數(shù)下的毛羽長度和密度變化分布。

圖3 不同摩擦次數(shù)下織物表面毛羽長度和數(shù)量分布Fig.3 Distribution of hairiness length and number on fabric after different friction times

由圖3可以看出，滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽長度和毛羽密度的變化規(guī)律是：500次摩擦測試結(jié)束后織物表面毛羽主要為短毛羽(長度小于 0.6 mm)，且毛羽長度和密度遵循高斯規(guī)律，如式(1) 所示，該階段織物表面形成了15個(gè)毛球；1 000 次摩擦測試結(jié)束后織物表面短毛羽(長度小于0.6 mm)數(shù)量減少，而中長毛羽的數(shù)量增加，毛羽長度和密度遵循高斯規(guī)律，如式(2)所示，該階段織物表面毛球增加到22個(gè)；2 000次摩擦測試結(jié)束后織物表面超短毛羽(長度在0.2～0.4 mm之間)數(shù)量增加，而中長毛羽的數(shù)量幾乎全部降低，毛羽長度和密度遵循高斯規(guī)律，如式(3)所示，該階段織物表面毛球數(shù)量達(dá)到峰值為41個(gè)；5 000次摩擦測試結(jié)束后織物表面的短毛羽(長度小于0.6 mm)數(shù)量大幅增加，毛羽長度和密度遵循高斯規(guī)律，如式(4)所示，該階段織物表面毛球數(shù)量降低到26個(gè)，這是因?yàn)槟Σ吝^程中織物表面毛球脫落；7 000次摩擦測試結(jié)束后織物表面短毛羽(長度小于0.6 mm)數(shù)量大幅增加，毛羽長度和密度遵循高斯規(guī)律，如式(5)所示，該階段毛球數(shù)量減小到19個(gè)，這是因?yàn)槔^續(xù)摩擦過程中，織物表面的毛球不斷脫落。而短毛羽數(shù)量增加使毛球斷裂處形成纖維斷頭，成為新的毛羽。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通過分析上述織物起球過程織物表面毛羽和密度的高斯分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，當(dāng)織物表面毛羽平均長度為0.66～0.8 mm且毛羽密度達(dá)到2～4.6 根/cm2時(shí)，織物開始起球?？椢镩_始起球的毛羽長度和密度的臨界范圍在其他2個(gè)品種的滌/棉混紡機(jī)織物起球過程中得到了驗(yàn)證。

在建立幾何模型前，做出以下假設(shè)：

1)滌綸作為三維可變形的物體，其橫截面形狀為圓形，整根纖維呈圓柱體形狀；2)棉纖維作為三維可變形的物體，其橫截面形狀為帶有中腔的橢圓形，整根纖維呈橢圓柱體形狀；3)在織物表面毛球形成之前，所有的起球毛羽已經(jīng)全部形成，因此，不考慮紗線、織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將織物看作一個(gè)整體；4)在實(shí)際應(yīng)用中，織物是指用紡織纖維經(jīng)過紡紗織造而成的片狀物體，具有各向異性的特點(diǎn)。本模型假設(shè)織物均質(zhì)且各向同性。織物作為三維均質(zhì)實(shí)體。

根據(jù)已獲得的織物表面毛羽長度和密度的高斯分布規(guī)律以及滌綸和棉纖維的比例分別為65%、35%，采用PYTHON語言建立織物及其表面毛羽的幾何腳本代碼，并導(dǎo)入到ABAQUS軟件中形成圖形用戶界面，最終獲得織物及其表面毛羽的幾何模型，如圖4所示。

圖4 滌/棉混紡機(jī)織物及其表面毛羽的幾何模型Fig.4 Geometric model of polyester-cotton woven fabric and its hairiness

2.2 材料屬性及相互作用的定義

對(duì)模型進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)行為分析模擬前需要設(shè)置材料的物性參數(shù)，滌綸的物理性能參數(shù)如纖維直徑、纖維彈性模量以及摩擦因數(shù)根據(jù)表1所示的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，其密度為1.38×103kg/m3，泊松比為0.3，橫截面為圓形，且截面屬性為梁類型。棉纖維的物理性能參數(shù)設(shè)置如下：棉纖維的橫截面設(shè)置為中空的橢圓形，截面屬性為梁類型，棉纖維的密度為1.5×103kg/m3，橫截面直徑為 12.6 μm，彈性模量為3.9 GPa，泊松比為0.3。織物的截面為圓形，面積為7.1 cm2，厚度為0.38 mm，密度為1.4×103kg/m3，泊松比為0.3。

滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽之間在外力作用下相互糾纏，因此毛羽之間存在相互接觸。毛羽之間相互接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了摩擦力，接觸屬性的切向行為摩擦公式設(shè)置為罰函數(shù)，摩擦因數(shù)根據(jù)實(shí)際測量的纖維摩擦因數(shù)進(jìn)行設(shè)定。毛羽之間以及每根毛羽自身之間都會(huì)存在接觸，將接觸屬性設(shè)置為通用接觸。根據(jù)馬丁代爾法起毛起球測試的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，織物在起毛起球過程中繞著與試樣平面垂直的中心軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，本文在中心軸上設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)。該參考點(diǎn)與織物之間建立耦合的相互作用，使得織物的自由轉(zhuǎn)動(dòng)可施加在參考點(diǎn)上；同時(shí)將織物與毛羽固定端點(diǎn)之間建立綁定的相互作用，使得織物表面毛羽隨著織物一起自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中毛羽之間發(fā)生接觸摩擦行為。最終使得仿真過程與織物實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的效果相同。

2.3 邊界條件與載荷的施加

馬丁代爾法測試織物起毛起球時(shí)，織物試樣在沿著y軸方向垂直向下、大小為0.415 N的壓力下，沿著y軸方向垂直向上、大小為47.5 rad/s的轉(zhuǎn)速下，繞著與試樣平面垂直的中心軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并按照利薩如圖形的運(yùn)動(dòng)軌跡與相同試樣進(jìn)行摩擦，曲線的軌跡規(guī)律如式(6)所示。

(6)

式中：x為X軸方向的位移，mm；y為Y軸方向的位移，mm；a、b為常量；s為時(shí)間，s；t為初始振幅，mm；p、q為運(yùn)動(dòng)的頻率，s-1；n為頻率比。

在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，利薩如曲線有6種曲線軌跡。

當(dāng)a=b=1，p=1，n=1，t=0時(shí)，式(6)變成式(7)。

(7)

在第1時(shí)間段內(nèi)，邊界條件中的x方向和z方向的位移均設(shè)置為55 mm，而幅值曲線選擇周期型。具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 第1階段幅值曲線的參數(shù)Tab.3 Parameters of amplitude curve at first stage

當(dāng)a=b=1，p=1，n=1，t=π/2時(shí)，式(6)變成式(8)。

(8)

在第2時(shí)間段內(nèi)，邊界條件中的x方向和z方向的位移均設(shè)置為55 mm，而幅值曲線選擇周期型。具體參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 第2階段幅值曲線的參數(shù)Tab.4 Parameters of amplitude curve at second stage

當(dāng)a=b=1，p=1，n=1，t=1時(shí)，式(6)變成式(9)。

(9)

在第3時(shí)間段內(nèi)，邊界條件中的x方向和z方向的位移均設(shè)置為55 mm，而幅值曲線選擇周期型。具體參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 第3階段幅值曲線的參數(shù)Tab.5 Parameters of amplitude curve at third stage

當(dāng)a=b=1，p=1，n=2，t=0時(shí)，式(6)變成式(10)。

(10)

在第4時(shí)間段內(nèi)，邊界條件中的x方向和z方向的位移均設(shè)置為55 mm，而幅值曲線選擇周期型。具體參數(shù)設(shè)置如表7所示。

表6 第4階段幅值曲線的參數(shù)Tab.6 Parameters of amplitude curve at fourth stage

當(dāng)a=b=1，p=1，n=2，t=π/2時(shí)，式(6)變成式(11)。

(11)

在第5時(shí)間段內(nèi)，邊界條件中的x方向和z方向的位移均設(shè)置為55 mm，而幅值曲線選擇周期型。具體參數(shù)設(shè)置如表7所示。

表7 第5階段幅值曲線的參數(shù)Tab.7 Parameters of amplitude curve at fifth stage

當(dāng)a=b=1，p=1，n=2，t=1時(shí)，式(6)變成式(12)。

(12)

在第6時(shí)間段內(nèi)，邊界條件中的x方向和z方向的位移均設(shè)置為55 mm，而幅值曲線選擇周期型。具體參數(shù)設(shè)置如表8所示。

表8 第6階段幅值曲線的參數(shù)Tab.8 Parameters of amplitude curve at sixth stage

3 結(jié)果與討論

采用有限元方法對(duì)滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽的起球過程進(jìn)行仿真，探討了不同滌綸彈性模量時(shí)滌/棉混紡機(jī)織物的起球等級(jí)以及起球過程產(chǎn)生的能量影響規(guī)律，從而揭示了織物表面毛羽的起球機(jī)制。

3.1 滌綸彈性模量對(duì)織物起毛起球等級(jí)影響

為對(duì)滌綸彈性模量分別為4.14、4.55、5.66 GPa 的滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽的起球進(jìn)行有限元仿真，首先需獲得織物及其表面毛羽的幾何模型。每種滌綸彈性模量值的織物在不同區(qū)域分別取 9塊，獲得27塊織物。對(duì)27塊織物進(jìn)行織物表面毛羽測試，獲得織物表面毛羽分布規(guī)律后用于構(gòu)建有限元仿真的幾何模型；同時(shí)對(duì)27塊織物進(jìn)行起毛起球測試，并采用客觀評(píng)估法進(jìn)行起球等級(jí)的評(píng)定。將有限元仿真得到的起球圖像進(jìn)行客觀評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果與實(shí)際織物起球圖像的客觀評(píng)級(jí)結(jié)果進(jìn)行比較，誤差計(jì)算如式(13)～(14)所示。

(13)

(14)

式中：E為平均誤差；Ei為第i塊織物的起球評(píng)級(jí)結(jié)果誤差；R實(shí)為實(shí)際織物起球圖像的客觀評(píng)級(jí)結(jié)果；R仿為有限元仿真織物起球圖像的客觀評(píng)級(jí)結(jié)果。

將滌綸彈性模量分別為4.14、4.55、5.66 GPa的滌/棉混紡機(jī)織物實(shí)際起球測試后的圖像各取1張，如圖5所示。采用客觀評(píng)估方法對(duì)這27塊試樣進(jìn)行起球評(píng)級(jí)，其中圖5中的3個(gè)起球織物的評(píng)級(jí)圖像如圖6所示，最終獲得27塊實(shí)際織物的起球等級(jí)如表9所示。

圖5 不同滌綸彈性模量時(shí)實(shí)際織物的起球圖像Fig.5 Pilling images of actual fabrics with different elastic modulus of polyester fibers

圖6 不同滌綸彈性模量時(shí)實(shí)際織物的起球評(píng)級(jí)圖像Fig.6 Pilling grades images of actual fabrics with different elastic modulus of polyester fibers

表9 不同滌綸彈性模量時(shí)實(shí)際織物起球等級(jí)客觀評(píng)級(jí)結(jié)果Tab.9 Pilling grades of actual fabrics with different elastic modulus of polyester fibers 級(jí)

采用有限元法對(duì)不同滌綸彈性模量的27塊滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽的起球過程進(jìn)行仿真，獲得仿真的滌/棉混紡機(jī)織物表面起球的最終形態(tài)圖像，其中圖5的實(shí)際織物有限元仿真結(jié)果如圖7所示。采用起球等級(jí)客觀評(píng)級(jí)法中的綜合圖像處理技術(shù)[15]對(duì)圖7的3個(gè)織物起球圖像進(jìn)行毛球特征提取。同理，采用起球等級(jí)客觀評(píng)級(jí)法中的深度學(xué)習(xí)算法對(duì)27個(gè)仿真織物起球過程的評(píng)級(jí)圖像進(jìn)行客觀評(píng)估。每種滌綸彈性模量值的仿真織物有9塊，評(píng)級(jí)結(jié)果如表10所示，得到如圖8所示的評(píng)級(jí)圖像。按照式(13)、(14)進(jìn)行計(jì)算，獲得3種不同規(guī)格的滌/棉混紡機(jī)織物仿真起球等級(jí)和實(shí)際起球等級(jí)的平均誤差分別為8.4%、6.6%、7.2%，最終獲得有限元仿真織物起毛起球等級(jí)的平均誤差為7.4%。充分驗(yàn)證了有限元仿真滌/棉混紡機(jī)織物起球過程的有效性。

圖7 不同滌綸彈性模量的滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽起球的有限元仿真圖像Fig.7 FEM simulation images of polyester/cotton woven fabrics with different elastic modulus of polyester fibers

表10 不同滌綸彈性模量時(shí)仿真織物的起球等級(jí)客觀評(píng)級(jí)結(jié)果Tab.10 Pilling grades of simulated fabrics with different elastic modulus of polyester fibers 級(jí)

圖8 不同滌綸彈性模量的滌/棉混紡機(jī)織物起球仿真的評(píng)級(jí)圖像Fig.8 Rating images of pilling simulation of polyester/cotton woven fabrics with different elastic modulus of polyester fibers

3.2 滌綸彈性模量對(duì)織物起球產(chǎn)生能量影響

探討分析了滌綸彈性模量對(duì)滌/棉混紡機(jī)織物起球過程產(chǎn)生的3大能量影響規(guī)律，如圖9所示，分別是摩擦耗散能、應(yīng)變能、動(dòng)能。

圖9 滌綸彈性模量對(duì)織物起球過程產(chǎn)生的能量影響Fig.9 Effect of elastic modulus of polyester fibers on energy during pilling.(a) Friction dissipation energy;(b) Strain energy;(c) Kinetic energy

從圖9(a)可以看出，隨著滌綸彈性模量的增大，織物起球過程產(chǎn)生的摩擦耗散能越來越大。這是因?yàn)闇炀]彈性模量越大，纖維之間的接觸作用對(duì)更多，整體發(fā)生的切向位移更大(見圖10(a))，從而摩擦作用力更大，最終產(chǎn)生的摩擦耗散能越大。

摩擦耗散能越大說明起球更嚴(yán)重，這與圖8的評(píng)級(jí)結(jié)果是一致的。從圖9(b) 可以看出，隨著滌綸彈性模量的增加，滌/棉混紡機(jī)織物起球過程產(chǎn)生的應(yīng)變能先減小后增大。這是因?yàn)殡S著滌綸彈性模量的初始增加，纖維之間相互接觸作用時(shí)導(dǎo)致纖維產(chǎn)生的平均應(yīng)變更小(如圖10(b)所示)。而隨著滌綸彈性模量的進(jìn)一步增加，纖維之間發(fā)生接觸摩擦?xí)r纖維發(fā)生變形更大，導(dǎo)致應(yīng)變更大。

圖10 滌綸彈性模量對(duì)織物起球過程的應(yīng)變影響Fig.10 Effect of elastic modulus of polyester fibers on strain during pilling.(a) Slip displacement;(b) Strain

圖11示出不同滌綸彈性模量織物表面毛羽的應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，隨著彈性模量增大，纖維受到的應(yīng)力先減小后增大。從圖9(c)可以看出，隨著纖維彈性模量的增大，織物起球過程的動(dòng)能大小變化幅度保持一致，這是因?yàn)橥饨缡┘咏o整個(gè)織物的動(dòng)能是相同的。對(duì)比滌綸彈性模量不同時(shí)起球過程產(chǎn)生的3個(gè)能量大小，發(fā)現(xiàn)摩擦耗散能是滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽起球過程的能量主要吸收形式，且摩擦耗散能與起球等級(jí)之間呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性。

圖11 不同滌綸彈性模量的滌/棉混紡機(jī)織物起球仿真的應(yīng)力云圖Fig.11 Stress contours of pilling of polyester/cotton woven fabrics with different elastic modulus of polyester fibers

4 結(jié) 論

對(duì)不同滌綸彈性模量的滌/棉混紡機(jī)織物進(jìn)行起毛起球測試，得到織物表面毛羽的長度和密度分布特征，基于以上特征采用PYTHON語言建立織物及其表面毛羽的幾何模型，并利用ABAQUS軟件模擬滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽的起球過程，得到以下結(jié)論。

1)滌/棉混紡機(jī)織物表面毛羽長度和密度分布遵循高斯規(guī)律，且織物開始起球毛羽長度和密度的臨界范圍分別為0.66～0.8 mm、2～4.6 根/cm2。

2)滌綸彈性模量對(duì)滌/棉混紡機(jī)織物起毛起球等級(jí)具有顯著影響。當(dāng)滌綸彈性模量增加時(shí)，滌/棉混紡機(jī)織物的起毛起球等級(jí)降低。滌/棉混紡機(jī)織物起毛起球過程的主要能量吸收形式為摩擦耗散能，摩擦耗散能與起球等級(jí)之間呈負(fù)相關(guān)性，可作為織物起球等級(jí)評(píng)價(jià)的間接指標(biāo)。

3)采用有限元軟件ABAQUS可較好地模擬滌/棉混紡機(jī)織物起毛起球過程。有限元仿真的起球結(jié)果與實(shí)測的起球結(jié)果之間的誤差在7.4%以內(nèi)。

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