原 蕊， 徐 洋， 黃 雙

(東華大學 機械工程學院，上海 201620)

基于ABAQUS的地毯簇絨過程底布動態(tài)響應

原 蕊， 徐 洋， 黃 雙

(東華大學 機械工程學院，上海 201620)

為精確分析地毯簇絨過程中底布受力的動態(tài)變化及變形情況，利用ABAQUS有限元分析軟件，仿真模擬織針刺入聚丙烯編織底布的全過程．首先建立了簇絨織針和聚丙烯編織布的細觀三維模型，并通過試驗測得底布的材料規(guī)格參數．然后，在ABAQUS有限元分析軟件中創(chuàng)建系統(tǒng)有限元模型，對織針穿刺底布過程進行仿真模擬．模擬結果得到了底布與織針的受力曲線，并分析了底布的變形及破壞特性，為底布張力控制系統(tǒng)的設計及高端地毯簇絨機的設計提供理論依據．

簇絨地毯； 有限元方法； 織針受力； 底布破壞

地毯簇絨過程是一種復雜的織造過程，其具有較高的工藝要求．簇絨織針帶著紗線在底布往復穿梭，將紗線植入底布，配合勾刀形成圈割絨[1]．在簇絨地毯織造過程中，底布的受力不均會導致地毯絨圈高低不平，影響毯面的平整度及圖案效果．簡化的地毯簇絨示意圖如圖1所示．

圖1 地毯簇絨過程示意圖Fig．1 Simplified carpet tufting process

簇絨織針刺入底布是高速動態(tài)過程，底布在穿刺作用下會發(fā)生彈、塑性變形及破壞．織針與底布的相互作用很難通過試驗進行檢測，而織針刺入底布時底布的受力情況是簇絨工藝分析中的重要部分．截至目前，受限于理論水平及試驗條件，簇絨過程中底布的變形破壞、受力等問題還沒有相應的文獻報道．隨著有限元仿真技術的不斷完善，通過建模仿真來研究織針刺入底布過程中底布的變形及破壞特性成為可能．文獻[2]在宏觀上建立了織針穿刺非織造布的有限元模型，然而只是得到織針所受穿刺力而沒有涉及到底布的受力情況．文獻[3]用數值模擬方法研究了受穿刺力時紗線的變形，但并不適用于織物的變形破壞．

本文結合織物受穿刺力時損傷失效原理，利用ABAQUS/Explicit顯式動力學有限元分析算法，模擬簇絨織針穿刺底布過程，分析了底布的變形及破壞，為高端地毯簇絨機的設計及底布張力控制系統(tǒng)設計提供依據．

1 三維建模及材料參數

本文所研究簇絨過程涉及到兩個部件，即織針與底布，利用SolidWorks軟件分別創(chuàng)建兩者的三維模型．

1．1 織針

選用德國格羅茨公司1/10針排的地毯簇絨織針為研究對象，按照實物尺寸建立簇絨織針的三維模型，如圖2所示．織針長度為36 mm，總寬度為3 mm，其材料為鋼，密度為7．8×1012kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0．28．假設織針為剛體，其穿刺底布前后不發(fā)生變形．

圖2 織針三維模型示意圖

Fig．2 3D model of tufting needle

1．2 底布

本文所研究的簇絨地毯底布為聚丙烯編織布，是一種由經紗和緯紗交織而成的平紋織物．為方便建模，在不影響結果的情況下對紗線做出以下假設[4-6]：(1)紗線為各方向上同性的彈塑性材料；(2)紗線為均勻的實體，忽略不同紗線間的差異；(3)經線交織排列時無間隙．基于以上假設，分別按實物尺寸與形狀精確地建立經紗和緯紗，然后緊密交織形成織物模型[7]，如圖3所示．紗線規(guī)格參數如表1所示．

圖3 底布三維模型示意圖Fig．3 3D model of tufting backing

規(guī)格材料厚度/mm線密度/tex經紗聚丙烯0.0798.436緯紗聚丙烯0.1052.871

為得到ABAQUS仿真中的底布材料參數，參照GB/T 3923．1—1997《紡織品織物拉伸性能斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》[8]，在恒溫(溫度為(20±3)℃)、恒濕(相對濕度為(65±3)%)試驗環(huán)境下，利用WDW -20型萬能材料試驗機分別做經紗和緯紗的拉伸試驗．試驗中，設定隔距為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，得到經紗和緯紗的載荷-位移曲線如圖4所示，兩者的力學性質如表2所示．

圖4 紗線載荷-位移曲線Fig．4 Load-displacement curve of yarns

紗線載荷/N伸長/mm應力/MPa應變塑性應變斷裂功/mJ經紗臨界塑性應變點18.00113.00214.00.0480140000.00應變后20.96140.00249.50.0560.005140000.00緯紗臨界塑性應變點29.6165.00227.00.07501291.31應變后31.6675.19243.00.0810.0051291.31

由伸長試驗可得到經、緯紗的彈性模量．在比例極限內，抗拉彈性模量可用紗線拉伸過程中彈性變形階段的應力與應變之比得到．本文利用割線模量法，根據式(1)，在緯紗的載荷-位移曲線的近似直線段內，取較遠距離的A、B兩點間載荷增量與伸長增量，計算得出緯紗抗拉彈性模量(E)．同理可得經紗抗拉彈性模量．在簡單的壓縮情況下，壓縮彈性模量和泊松比與拉伸時相同．

(1)

式中：ΔP為載荷的增量(N)； ΔL為位移增量(mm)；S0為紗線拉伸截面積(mm2)；L0為試樣拉伸初始夾持距離(mm)．

2 有限元模型及分析方法

2．1 有限元模型

在有限元仿真中，織針的穿刺行為發(fā)生在經、緯紗交織的區(qū)域．根據對稱性取1/2對稱部分作有限元模型模擬底布刺破過程[9]．對底布施加對稱及三邊固定約束，對織針施加剛體及對稱約束，邊界條件施加在其參考點上．紗線間的接觸定義為“通用接觸”，底布與織針間接觸定義為“面對面接觸”．織針的有限元網格劃分采用修正的10節(jié)點二次四面體單元C3D10M．紗線則使用8節(jié)點六面體線性減縮積分單元C3D8R．為提高計算精度，在織針與底布的接觸部分及周邊細劃網格，模型網格劃分如圖5所示．

圖5 織針及底布有限元網格劃分Fig．5 Finite element mesh of needle and backing

2．2 分析方法

底布材料的損傷演化規(guī)律描述了當達到相應的損傷破壞準則時材料剛度的衰減速度．在ABAQUS/Explicit中，底布材料剛度的衰減可以用di(i∈Nact)來建模，其中，Nact表示一系列有效的失效機制[10-11]．在有限元分析過程中，材料的應力張量σ可以用標量損傷方程式(2)來表示

(2)

3 結果與討論

在ABAQUS/Explicit中，設定織針以1 000 mm/s的速度刺向底布．刺穿過程中對應不同的時刻底布的變形形態(tài)如圖6所示．

(a) t=1.50 ms

(b) t=2．25 ms

(c) t=3．00 ms

(d) t=8．25 ms

(e) t=11．25 ms

(f) t=15．00 ms

(g) t=15．00 ms

圖6從剖面表現了織針刺入底布不同時刻的織物變形．由圖6(a)可以看出，在織針與底布的接觸t=1．50 ms的時刻，整塊底布的受力由刺入點向周圍擴散成梯度遞減[8]，1/2緯紗在織針的作用下，外部受拉而內部受壓，接觸部分外部應力集中，最大的單元應力值達到157.6 MPa．由圖6(b)可看出，在t=2．25 ms時，與織針直接接觸的紗線受到擠壓而發(fā)生單元變形，此時最大單元應力為250 MPa，接近斷裂閾值，底布的受力區(qū)域近一步擴大．由6(c)可知，在t=3．00 ms時，紗線與織針接觸位置的部分單元由于超過斷裂應力閾值而失效，單元消除．失效周邊的單元繼續(xù)隨著織針的下移產生應變，此時單元所受最大等效應力為130 MPa．此階段的底布由于紗線瞬時斷裂回彈而略微向上拱．由圖6(d)可知，隨著織針的下移，斷裂的緯紗穿入織針針孔，形狀發(fā)生回彈．此時底布中最大應力節(jié)點的等效應力約為6 MPa．由圖6(e)可知，當底布到達針孔上邊界時，斷裂緯紗與織針接觸，受力增大，此時最大節(jié)點等效應力增至7.8 MPa．由圖6(f)可知，在織針繼續(xù)下移的過程中，斷裂的緯紗運動軌跡隨著織針形狀而變化，在t=15.00 ms時，織針完全貫穿底布．由圖6(g)可知，整塊底布被刺穿后，刺破點周圍的紗線交織點向旁邊滑移，圖中斷裂失效的紗線單元已經消除．綜上可知，有限元模擬的結果與底布實際變形效果比較吻合，說明建立的織針穿刺底布的有限元模型基本正確．

穿刺過程中節(jié)點的受力如圖7所示，其中，n01曲線為斷裂失效節(jié)點的受力，n02曲線為與織針接觸未失效節(jié)點受力．該過程與圖6中各時刻底布變形過程對應．

圖7 節(jié)點01與節(jié)點02受力Fig．7 Force-time curve of node 01 vs． node 02

由圖7可知，織針刺穿底布時底布受力分為3個階段：(1)織針接觸底布開始穿刺時，底布中與織針接觸的紗線由屈曲開始伸直，單元節(jié)點受力隨著穿刺的進行迅速增大，受力增至0．5 N，節(jié)點受力達到峰值，紗線進入斷裂階段.(2)底布中受穿刺單元應力集中達到斷裂強度發(fā)生斷裂，斷裂后單元因失效而消除，不再受力．此時與織針接觸單元所受力為周圍紗線的拉力與織針的摩擦力，受力驟減至0．1 N，與上一階段受力方向相反.(3)隨著織針下移，紗線受力基本保持在0．10～0．15 N之間，并隨著接觸織針輪廓的變化而略微變化．

刺穿過程中織針受力如圖8所示．織針受力主要來自于底布的阻力和摩擦力．由圖8可知，當織針接觸底布開始穿刺時，織針受力迅速增大，在t=2．25 ms時織針受力達到最大值約為4 N．之后根據圖6(c)知底布紗線斷裂，織針受力迅速減小至0．34 N 左右，紗線被刺破瞬時織針受較大沖擊．t=3.00 ms之后織針受力基本保持在0．5 N以內，主要受力來自于底布的摩擦．

圖8 刺穿過程織針受力Fig．8 Force-time curve of weaving needle during piercing

4 結 語

通過對地毯簇絨過程中織針刺入聚丙烯編織底布的建模、仿真研究，得出下述結論．

(1) 在簇絨過程中，底布由拉伸到斷裂過程中織針受力以10倍速度變化，織針受到較大沖擊，影響其使用壽命．

(2) 在給定的織針運動速度下，聚丙烯類編織底布刺破所需穿刺力為4 N．

(3) 簇絨織針穿刺底布過程可分為3個階段：首先，紗線由屈曲到伸直，應力劇增；接著紗線達到斷裂強度而瞬時斷裂；最后織針完全貫穿．這個過程中聚丙烯底布經歷了彈、塑性變形及破壞．

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(責任編輯：劉園園)

Dynamic Response of Backing during Carpet Tufting Process Based on ABAQUS

YUANRui，XUYang，HUANGShuang

(College of Mechanical Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China)

In order to accurately analyze the dynamic force change and deformation of carpet backing， the process of weaving needle puncturing polypropylene backing was simulated by FEM (finite element method) software ABAQUS． First， the three dimensional (3D) model of the weaving needle and the backing was created according to actual objects． Then， the FEM model of the system was set up in ABAQUS． Finally， the force curve of the backing and needle could be gotten． The simulation provides the way to analyze backing’s deformation and failure characteristics， which can provide theoretical basis for the design of backing tension control system and the high-level carpet tufting machine．

tufting carpet； finite element method； needle force； backing damage

2015-11-19

國家自然科學基金資助項目(51175075)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新資助項目(ZX201503000019)

原 蕊(1991—)，女，山西運城人，碩士研究生，研究方向為簇絨地毯裝備中簇絨工藝的仿真分析. E-mail：ruiyuanlei@126.com 徐 洋(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail：xuyang@dhu.edu.cn

1671-0444(2017)01-0044-05

TS 101．2

A