基于有限元方法的不同集聚纱织物拉伸力学性能分析

刘倩楠, 刘新金, 苏旭中

(江南大学 生态纺织教育部重点实验室,江苏 无锡 214122)

摘要: 为了在设计织物时可以依据不同集聚纱纱线性能来估算织物的拉伸性能,提供了一种预测织物拉伸性能的方法。以一种普通棉织物为例,对织物拉伸力学性能进行了有限元模拟和实验验证,基于有限元软件ABAQUS仿真织物拉伸性能理论数值结果的有效性,采用显微图像法实测织物结构,借助纺织建模软件Texgen建立织物细观模型,利用有限元法模拟织物拉伸并计算数值解,给出全聚纺、全聚赛络纺、紧密纺、紧密赛络纺这四种集聚纺纱方式所纺单纱交织平纹织物的拉伸力学性能。结果表明:紧密赛络纺单纱交织织物拉伸性能最好,而全聚纺单纱交织织物拉伸性能最差。

关键词: 细观模型;有限元法;拉伸性能;实验验证;集聚纺

随着学科的交叉渗透,有限元单元法作为一种有效求解连续体力学问题的数值方法在纺织科学领域应用越来越广泛,从梳棉机盖板的变形、片梭织机扭轴等纺织机件的结构力学分析,逐渐扩展到纤维、纱线和织物等柔性材料的力学分析中。Shen等[1]通过Texgen软件建立织物模型,利用ANSYS研究了六种不同单丝聚酯织物的单轴拉伸性能;Gao等[2]基于经典层压复合理论,利用有限元法(FEM)研究了非织造布在宏观尺度上的拉伸性能,并验证了有限元结果的有效性;李瑛慧等[3]借助Auto CAD绘图软件构建规格相近的涤纶仿真丝和真丝织物的三维系统模型,基于有限元软件理论分析和测试织物拉伸性能,研究了组成织物的纱线原料对织物拉伸性能的影响。

计算机软件辅助预测织物性能,可以高质量且低成本完成对纺织新产品的开发。本文基于纱线层面建立织物细观模型,在验证有限元软件ABAQUS模拟织物拉伸性能理论数值结果有效性的基础上,采用显微图像法实测织物结构,借助纺织建模软件Texgen建立织物细观模型,利用有限元方法估算了全聚纺、全聚赛络纺、紧密纺、紧密赛络纺这四种集聚纺纱方式所纺单纱交织平纹织物的拉伸力学性能。

1 有限元织物力学模拟及有效性验证

1.1 原料和仪器

原料:精梳棉、经纬纱线密度14.8 tex、织物经纬向密度133×72 根/2.54 cm、平方米质量132 g/m2的平纹机织物(绍兴市全盈纺织品有限公司)。

仪器:YG141LA型数字式织物厚度仪、YG026D型多功能电子织物强力机(宁波纺织仪器厂),VHX-5000型超景深数码显微镜(基恩士公司),MIT-1KN电子万能试验机(常州三丰仪器科技有限公司)。

1.2 织物细观模型构建

Texgen是由英国诺丁汉大学研究开发的专业纺织建模软件[4],可通过定义纱线横截面和成纱路径准确地仿真织物的几何结构。本文选用原料为精梳棉、经纬纱线密度14.8 tex、织物经纬向密度133×72 根/2.54 cm、平方米质量132 g/m2的平纹机织物为研究对象,借助建模软件Texgen建立织物几何模型。

为了建立织物三维细观模型,需要获得织物试样的几何参数。参照国际标准ISO 5084—1996《纺织品 纺织品及纺织制品厚度的测定》,使用YG141LA型数字式织物厚度仪对织物进行20次测试,得到织物厚度为0.288 mm;并通过显微图像技术,使用VHX-5000型超景深数码显微镜对织物试样细观图像进行数据测量,得到织物几何结构参数如表1所示。将表1中棉织物的几何结构参数输入Texgen软件,得到图1所示的织物细观模型。并将所建模型以STEP格式导出,导入有限元软件ABAQUS中进行机织物拉伸力学性能数值模拟。

表1 织物几何结构参数
Tab.1 Geometrical structure parameters of the fabric

纱线类型宽度/mm高度/mm间距/mm经纱0.1780.1200.222纬纱0.1780.1200.392

图1 织物细观模型
Fig.1 Mesoscopic models of the fabric

1.3 拉伸力学性能模拟

1.3.1 定义经纬纱材料属性

本文利用ABAQUS有限元软件模拟织物拉伸力学性能,其材料属性主要由经纬纱单纱拉伸性能定义[5]。从织物中取出带有屈曲的单根纱线,参照国家标准GB/T 3916—1997《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》,使用MIT-1KN电子万能试验机,设置有效夹持距离200 mm,拉伸速度200 mm/min,分别对经纬单纱重复测试10次,得到表2所示经纬纱拉伸性能参数和图2所示经纬纱应力-应变曲线。

表2 经纬纱拉伸性能参数
Tab.2 Tensile performance parameters of the warp and weft yarns

纱线类型密度/(g·cm-3)强力/cN伸长率/%弹性模量/MPa泊松比经纱0.84248.208.081904.760.2纬纱0.84203.717.611798.620.2

图2 经纬纱应力-应变曲线
Fig.2 Stress-strain curve of the warp and weft yarns

1.3.2 织物拉伸环境创建

ABAQUS/CAE前处理导入织物细观模型,遵照经纬纱单纱拉伸性能,定义织物中纱线材料性质后,需遵循实验标准(如拉伸速度、夹持隔距等),在有限元软件ABAQUS中创建织物拉伸环境[6]。首先根据拉伸时织物中经纬纱相互摩擦、滑移的情况,在Interaction模块定义材料的接触性能,通过Step模块求解器的选择,在“Dynamic Explicit”的分析下利用“all with self”的自接触算法,定义纱线与纱线间切向摩擦系数为0.15;在Load模块设置载荷和边界条件,利用“PINNED(U1=U2=U3=0)”的约束条件将织物一端固定,约束其xyz三个方向上的自由度,并给另一端定义一个100 mm/min的速度载荷;最后Mesh模块选择单元类型为“C3D10M”的四面体对织物模型进行网格划分,并提交计算。

1.3.3 织物拉伸有限元模型

经过计算分析,ABAQUS/Viewer后处理中提供了织物拉伸变形后的有限元模型和整个拉伸过程。图3为织物模型拉伸变形后的应力分布情况(颜色越深的部分应力越大),其中图3(a)为织物模型拉伸后应力分布云,图3(b)(c)分别为织物模型中经、纬纱的应力分布。通过观察织物拉伸过程中应力云图的动画显示,发现织物在拉伸时,受拉纱线屈曲伸直(经向拉伸即经纱);前阶段部分纱线结构改变,纤维伸长;后阶段,纤维伸长,纱体变细,织物厚度变薄;断裂时,纱线逐根断裂至织物断裂。

图3 织物模型拉伸变形后应力分布情况
Fig.3 Stress distribution of the fabric model after tensile deformation

1.4 实验验证

按照国家标准GB/T 3923.1—1997《纺织品 织物拉伸性能 第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》,采用扯边纱条样法将织物制作成规格为35 cm×5 cm的试样,使用YG026D型多功能电子织物强力机,设置预加张力2 N,有效夹持隔距200 mm,拉伸速度100 mm/min,重复测试5次。得到织物拉伸强力参数,如表3所示。

表3 织物拉伸强力参数
Tab.3 Tensile strength parameters of the fabric

拉伸方向拉力/N拉伸长度/mm伸长率/%时间/s经向622.5232.9916.5019.76纬向231.0316.788.3910.05

根据式(1)将织物拉伸性能测试强力值转化为应力值[7],得到实验值应力-应变曲线,并与有限元理论值应力-应变曲线进行对比,如图4所示。

(1)

式中:σ为织物拉伸应力,MPa;F为织物拉伸强力,N;S为单纱横截面积,mm2

从图4中曲线可以看出,织物在拉伸的过程中主要经历了弹性变形和塑性变形两大阶段:开始拉伸时,织物中拉伸方向的纱线从屈曲状态逐渐伸直,接着承受更多的拉力,这个阶段属于弹性变形阶段,图4中该阶段的应力-应变曲线呈现出线性增长,理论值曲线与实验值曲线上升趋势一致且相差较小;当织物中纱线甚至纤维所能承受的力到达极限时,开始出现不同时性的断裂,这时织物由弹性变形转化为塑性变形,进入塑性变形阶段,图4中该阶段的应力-应变曲线非线性增长,理论值曲线与实验值曲线虽有上升趋势上的一致性,但相同应变下应力值相差较弹性变形阶段大些,这是由于有限元模型目前仅能基于纱线的层面被建立,考虑不到纱线内部纤维相互缠绕的复杂状态,其次为了减小有限元仿真的困难忽略了实际中材料的不均匀性和复杂性,在织物拉伸性能模拟时将纱线理想化为各向同性材料。基于上述分析,图4中理论值曲线与实验值曲线上升趋势具有较好的一致性,虽然相同应变下理论值与实验值存在一定的差异,但是该情况在误差允许的范围内,并且两种曲线均能反应织物拉伸过程中应力随应变而改变的情况,说明了有限元软件ABAQUS模拟织物的拉伸性能理论数值结果的有效性。

图4 织物拉伸应力-应变曲线
Fig.4 Tensile stress-strain curve of the fabric

2 集聚纺纱方式及单纱强力测试

2.1 集聚纺纱方式及工艺

集聚纺是在不改变环锭纺加捻机制的前提下利用负压气流作用改善成纱质量的一种新型纺纱技术[8],通过在环锭细纱机牵伸装置前增加一个负压式纤维集聚区,以使纤维在加捻之前尽可能平行并接近,达到加捻过程中受力更加均衡的目的。常见的集聚纺纱方式有全聚纺和四罗拉网格圈紧密纺,全聚纺集聚区由大直径窄槽式空心罗拉、负压集聚装置、吸风插件组成,而四罗拉网格圈紧密纺则是由一对输出罗拉、一个异形截面负压吸风管和一个网格圈构成集聚区,形成负压气流[9]。将集聚纺与赛络纺进行结合而产生了全聚赛络纺和紧密赛络纺,这两种纺纱方式均是由两根粗纱须条以一定的隔距平行喂入,在集聚区分别受到负压气流的作用初次加捻,继而在结合点(主加捻区)结合后再次加捻,以此改变成纱质量。采用精梳棉条纺制14.8 tex、976.9 捻/m的纱线,根据纺纱方式的不同进行工艺参数设置,具体纺纱工艺参数如表4所示。

表4 纺纱工艺参数
Tab.4 Spinning process parameters

纺纱方式粗纱克重/(g·10m-1)机型生产厂家总牵伸倍数纺纱速度/(r·min-1)全聚纺5.10DTM129马佐里(东台)纺机有限公司37.839000全聚赛络纺5.10DTM129马佐里(东台)纺机有限公司69.128000紧密纺5.10QFA1528无锡第七纺织机械有限公司41.649000紧密赛络纺5.10QFA1528无锡第七纺织机械有限公司76.088000

2.2 单纱强力测试

经过单纱强力测试,得到表5所示全聚纺、全聚赛络纺、紧密纺、紧密赛络纺这四种方式所纺纱线拉伸性能参数和图5所示单纱应力-应变曲线。

表5 集聚纺单纱拉伸性能参数
Tab.5 Tensile performance parameters of concentrated spinning single yarn

纺纱方式密度/(g·cm-3)强力/cN伸长率/%弹性模量/MPa泊松比全聚纺0.84184.275.121153.180.2全聚赛络纺0.83191.714.961267.930.2紧密纺0.84224.665.171345.380.2紧密赛络纺0.83238.425.391414.230.2

图5 集聚纺单纱应力-应变曲线
Fig.5 Stress-strain curve of concentrated spinning single yarn

3 集聚纺纱方式织物拉伸力学性能模拟

在验证有限元软件ABAQUS模拟织物拉伸性能理论数值结果有效性的基础上,结合全聚纺、全聚赛络纺、紧密纺、紧密赛络纺这四种集聚纺单纱的细观结构特点和表5单纱拉伸性能参数[10],参照表1中织物几何结构参数建立织物细观模型,模型文件以STP.的格式导入有限元软件中进行织物拉伸性能模拟,预测不同集聚纺纱方式所纺单纱交织织物拉伸力学性能。

经过有限元方法的织物性能预测,得到图6所示集聚纺单纱交织织物拉伸应力-应变曲线。首先,从经向拉伸和纬向拉伸两组曲线中可以看出,紧密赛络纺单纱交织织物拉伸性能最好,而全聚纺单纱交织织物拉伸性能最差;其次,不论是全聚纺还是紧密纺在结合了赛络纺的基础上形成的全聚赛络纺和紧密赛络纺其单纱交织织物的拉伸性能,都比全聚纺和紧密纺本身所纺单纱交织织物的拉伸性能好。结合图5 MIT-1KN电子万能试验机所测集聚纺单纱应力-应变曲线发现,单纱强力是影响织物拉伸性能的主要因素,织物是由纱线交织而成,织物的拉伸其本质上是组成织物的纱线集合的拉伸。

图6 集聚纺单纱交织织物拉伸应力-应变曲线
Fig.6 Tensile stress-strain curve of concentrated spinning single-yarn interwoven fabrics

4 结 论

利用计算机软件辅助可以使设计人员在实际生产之前完成对最终产品的性能预测,缩短了生产周期,节约了能源,提高了效率。本文以一种普通棉织物为例,验证了有限元软件ABAQUS模拟织物拉伸性能理论数值结果的有效性,基于此通过VHX-5000型超景深数码显微镜实测织物结构,借助专业纺织建模软件Texgen建立织物细观模型,利用有限元软件ABAQUS创建织物拉伸环境并计算数值解,给出了全聚纺、全聚赛络纺、紧密纺、紧密赛络纺这四种集聚纺纱方式所纺单纱交织平纹织物的拉伸力学性能。发现紧密赛络纺单纱交织织物拉伸性能最好,而全聚纺单纱交织织物拉伸性能最差;其次,不论是全聚纺还是紧密纺在结合了赛络纺基础上形成的全聚赛络纺和紧密赛络纺其单纱交织织物的拉伸性能,都比全聚纺和紧密纺本身所纺单纱交织织物的拉伸性能好;织物是由纱线交织而成,织物的拉伸其本质上是组成织物的纱线集合的拉伸,单纱强力是影响织物拉伸性能的主要因素,可以通过改变单纱强伸性以改变织物拉伸力学性能。

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Tensile mechanical properties analysis of fabrics with different aggregate yarns based on finite element method

LIU Qiannan, LIU Xinjin, SU Xuzhong

(Key Laboratory of Eco-Textiles, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract: In order to estimate tensile properties of the fabric according to the properties of different aggregate yarns during designing the fabric, a method for predicting the tensile properties of the fabric was provided. An ordinary cotton fabric was used as an example to carry out the finite element simulation and experimental verification of the tensile mechanics of the fabric. Based on the validity of the theoretical numerical results of fabric tensile properties simulated by the finite element software ABAQUS, the fabric structure was measured by microscopic image method, and the fabric mesoscopic model was established by the textile modeling software Texgen. The finite element method was used to simulate the fabric stretching and the numerical solution was calculated. The tensile mechanical properties of single-yarn interwoven plain weave fabrics spun by four kinds of concentrated spinning methods: full poly-spinning, full poly siro-spinning, compact spinning and compact siro spinning. The results showed that the tensile properties of single-yarn interwoven fabrics spun by the compact siro-spinning were the best, while the tensile properties of single-yarn interwoven fabrics spun by the full poly-spinning had the worst tensile properties.

Key words: mesoscopic model; finite element method; tensile properties; experimental verification; concentrated spinning

中图分类号: TS101.8

文献标志码:A

文章编号:1001-7003(2019)04-0024-06

引用页码:041105

DOI: 10.3969/j.issn.1001-7003.2019.04.005

收稿日期: 2018-08-19;

修回日期:2019-03-11

基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFB0309200);江苏省自然科学基金项目(BK20170169);江阴市科技成果转化项目(JYKJ3210);新疆维吾尔族自治区重点研发专项(2017B02011)

作者简介: 刘倩楠(1993),女,硕士研究生,研究方向为织物性能的有限元模拟。

通信作者:刘新金,副教授,liuxinjin2006@163.com。