劉倩楠， 劉新金

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

拉伸破壞作為機(jī)織物最基本的力學(xué)性能，在紡織品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中有著重要的參考價(jià)值。近年來，許多研究人員采用了有限元理論分析法[1]研究機(jī)織物拉伸力學(xué)性能。曹榮平[2]利用ABAQUS有限元軟件模擬了機(jī)織物建筑膜材料單軸向與雙軸向的拉伸，討論了材料屬性、Step值、紗線相互作用等因素對機(jī)織物建筑膜材料拉伸模擬結(jié)果的影響；程建芳等[3]利用有限元軟件ANSYS求解Kevlar 129紗線及織物帶有主應(yīng)力斷裂失效準(zhǔn)則的彈性正交各向異性材料模型，分析了織物的拉伸力學(xué)性質(zhì)。這類研究均是基于紗線的材料屬性和織物的結(jié)構(gòu)特征建立機(jī)織物三維細(xì)觀模型，利用有限元軟件創(chuàng)建拉伸環(huán)境模擬織物拉伸過程，求解數(shù)學(xué)模型。

由于機(jī)織物中經(jīng)緯紗的擠壓變形，單紗材料的非線性和織物拉伸時(shí)影響因素的多樣性，導(dǎo)致機(jī)織物拉伸模型求解存在一定的難度。隨著專業(yè)紡織建模軟件的開發(fā)和有限元軟件的應(yīng)用，突破了織物三維建模的難度和拉伸環(huán)境設(shè)置的局限性。本文以粘膠平紋織物為例，基于織物結(jié)構(gòu)參數(shù)，借助專業(yè)紡織建模軟件Texgen建立織物模型，利用有限元軟件ABAQUS模擬織物拉伸力學(xué)性能，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬數(shù)值結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 粘膠單紗強(qiáng)力測試

從織物中取出帶有屈曲的單根紗線，參照GB/T 3916—1997 《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》[4]，使用YG020B型電子單紗強(qiáng)力機(jī)，設(shè)置有效加持距離為200 mm，拉伸速度為200 mm/min，分別對織造粘膠織物的經(jīng)緯單紗重復(fù)測試10次，結(jié)果取平均值，得到粘膠單紗拉伸強(qiáng)力參數(shù)，如表1所示。

表1 單紗拉伸強(qiáng)力參數(shù)Tab.1 Single yarn tensile strength parameters

1.2 粘膠織物拉伸性能測試

粘膠平紋織物規(guī)格如表2所示，按照GB/T 3923.1—2013 《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》說明，用條樣法將織物制作成規(guī)格為35 cm×5 cm的試樣，使用YG026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)[5]，設(shè)置隔距200 mm，拉伸速度100 mm/min，重復(fù)測試5次。

表2 織物規(guī)格參數(shù)Tab.2 Fabric specification parameters

2 有限元模擬

2.1 Texgen模型建立

Texgen織物仿真軟件可準(zhǔn)確地模擬紗線或織物的幾何結(jié)構(gòu)[6]，其良好的圖形用戶界面(GUI)使用戶可以在“Weave Wizard”中設(shè)置經(jīng)緯紗數(shù)量、紗線間隔、紗線寬度、紗線高度、織物厚度和經(jīng)緯紗交織形式等一系列指標(biāo)，完成模型的初步建立；在“Modeller”中設(shè)置紗線截面形狀、屈曲形態(tài)和紗線屬性等參數(shù)進(jìn)一步細(xì)化模型。

本文將表3所示粘膠平紋織物的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入Texgen軟件，得到如圖1、2所示的織物經(jīng)向和緯向拉伸模型。再將建立的模型以.stp格式輸入有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行拉伸力學(xué)性能分析[7]。

表3 織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Fabric geometry parameters mm

注：圖中數(shù)值單位為mm。

注：圖中數(shù)值單位為mm。

2.2 ABAQUS有限元模擬

ABAQUS是一套功能相對強(qiáng)大的有限元分析軟件，既能分析簡單的線性靜力學(xué)問題，又能解決工程中復(fù)雜模型的高度非線性問題[8]。ABAQUS有限元分析時(shí)有ABAQUS/CAE前處理、分析計(jì)算、ABAQUS/Viewer后處理3個(gè)階段，其中分析計(jì)算階段有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit 2種分析形式，ABAQUS/Standard可分析廣泛領(lǐng)域的線性和非線性問題，但對于短暫、瞬時(shí)的動態(tài)事件的模擬，以及沖擊和高度不連續(xù)問題的求解不及ABAQUS/Explicit。粘膠平紋織物的拉伸實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)材料屬于非線性材料，且織物交織過程中經(jīng)緯紗之間存在一定的摩擦，拉伸時(shí)經(jīng)緯紗線間產(chǎn)生滑移，所以更適合使用ABAQUS/Explicit顯示分析。

在ABAQUS/CAE中導(dǎo)入Texgen創(chuàng)建的織物模型，Property模塊將紗線定義為彈塑性材料，即應(yīng)力低于屈服點(diǎn)時(shí)，表現(xiàn)為彈性行為，應(yīng)力大于屈服點(diǎn)后，發(fā)生塑性變形。參照表1數(shù)據(jù)，賦予經(jīng)緯紗這種非線性材料屬性[9]。經(jīng)緯紗非線性材料屬性基于紗線體積質(zhì)量，通過彈性模量和泊松比定義紗線彈性行為，塑性應(yīng)力和應(yīng)變定義紗線的塑性變形。

分析計(jì)算階段采用動態(tài)顯示分析，用Step模塊創(chuàng)建初始分析步后，選擇“Dynamic Explicit”為“Step1”，設(shè)置“Time Period”為1E-5，然后設(shè)置相應(yīng)的場輸出和歷程輸出，并將輸出頻率設(shè)置為200；用Interaction模塊定義織物中經(jīng)緯紗的接觸，在“Step1”下設(shè)置“General contact(Explicit)”，定義紗線與紗線間切向摩擦因數(shù)為0.17；用Load模塊設(shè)置1個(gè)“PINNED(U1=U2=U3=0)”的邊界條件，將織物一端固定，并且給另一端定義1個(gè)100 mm/min的拉伸速度；用Mesh模塊分別對經(jīng)緯紗進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格種子尺寸為0.1，由于紗線截面近似橢圓形，采用中性軸算法用六面體對織物模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其劃分為若干個(gè)單元，圖3示出粘膠平紋織物經(jīng)向拉伸試樣網(wǎng)格模型。其中圖3(b)為3(a)中黑色方格所表示的單元；在Job模塊給要分析的模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建1個(gè)作業(yè)，進(jìn)行提交計(jì)算。

圖3 織物網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model of fabric. (a) Mesh model of stretch in warp direction; (b) Element shown in black square of mesh model

在ABAQUS/Viewer后處理階段顯示ODB文件中的分析計(jì)算結(jié)果，包括變形前/后的模型圖、矢量/張量符號圖、材料方向圖、各種變量的分布云圖、變量的X-Y圖表、動畫等[10]。本文分別模擬了粘膠平紋織物的經(jīng)向拉伸和緯向拉伸，其應(yīng)力分布情況如圖4所示(圖中顏色越深，表示應(yīng)力越大)。

從圖4可看出，織物模型拉伸后發(fā)生變形，此時(shí)經(jīng)緯紗上均出現(xiàn)應(yīng)力分布。經(jīng)向拉伸時(shí)，經(jīng)紗上分布的應(yīng)力較緯紗明顯許多，這是由于織物經(jīng)向拉伸過程中，經(jīng)紗從屈曲狀態(tài)被拉直，然后再被拉斷，起到了主要的拉伸作用，而緯紗由于拉伸過程中紗線之間產(chǎn)生滑移、摩擦等作用(Interaction模塊賦予了紗線間0.17的摩擦因素)，因此在拉伸過程中，通過經(jīng)緯交織點(diǎn)的應(yīng)力傳遞，產(chǎn)生一定的應(yīng)力分布；緯向拉伸時(shí)，緯紗承受主要的拉伸作用，緯紗上分布的應(yīng)力較明顯，經(jīng)紗由于拉伸過程中紗線之間產(chǎn)生滑移、摩擦等作用，經(jīng)經(jīng)緯交織點(diǎn)的應(yīng)力傳遞，產(chǎn)生一定的應(yīng)力分布。圖4(b)、(d)為通過ABAQUS的“Remove Selected”選項(xiàng)，移除其余經(jīng)緯紗，僅剩1根經(jīng)紗和1根緯紗，從圖上可清晰地看出織物拉伸過程中經(jīng)緯紗的受力情況。經(jīng)向拉伸時(shí)，經(jīng)紗上紗線交織點(diǎn)處所受應(yīng)力最大，為23.78 MPa，緯紗上緯紗邊緣所受應(yīng)力最小，為6.266×10-3MPa；緯向拉伸時(shí)，緯紗上紗線交織點(diǎn)處所受應(yīng)力最大，為15.27 MPa，經(jīng)紗上經(jīng)紗邊緣所受應(yīng)力最小，為4.399×10-3MPa。

3 結(jié)果與分析

注：圖中1、2、3、4、5表示節(jié)點(diǎn)。

圖5 織物拉伸力學(xué)性能對比Fig.5 Comparison of tensile properties of fabrics. (a) Fabric tension-elongation curve of stretch in warp direction; (b) Finite element simulation of tensile stress-strain curve of stretch in warp direction; (c) Fabric tension-elongation curve of stretch in weft direction; (d) Finite element simulation of tensile stress-strain curve of stretch in weft direction

采用YG026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)對粘膠平紋織物進(jìn)行5次測試，分別得到織物經(jīng)向拉伸和緯向拉伸的平均拉伸斷裂強(qiáng)力、拉伸長度、伸長率等參數(shù)如表4所示。將其轉(zhuǎn)化為拉力-伸長曲線，結(jié)果如圖5所示。

織物在被拉伸的過程中屈曲的紗線首先被拉直，然后進(jìn)入彈性變形階段，在這個(gè)階段紗線所受拉伸強(qiáng)力呈線性增長，當(dāng)達(dá)到最大斷裂強(qiáng)力時(shí)，斷裂強(qiáng)度最低的紗線開始斷裂，接著大部分紗線斷裂，部分紗線滑移致使織物被拉斷。

實(shí)際中紗線由纖維組成，織物拉伸時(shí)組成紗線的纖維間會產(chǎn)生滑移、剪切、摩擦等一系列的作用，織物的斷裂實(shí)際上是織物中紗線的斷裂，而紗線的斷裂則是紗線中纖維的滑移和斷裂。圖5(b)、(d)所示為有限元模擬織物拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(所選節(jié)點(diǎn)分別為織物變形后經(jīng)緯紗交織點(diǎn)處經(jīng)紗和緯紗上節(jié)點(diǎn)，見圖4(a)、(c))，有限元模擬時(shí)，將紗線看做一個(gè)整體，賦予其非線性的材料屬性，使其產(chǎn)生理論化的變形，但是忽視了紗線中纖維斷裂的隨機(jī)性，達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)開始產(chǎn)生脆性斷裂。

表4 織物拉伸強(qiáng)力參數(shù)Tab.4 Fabric tensile strength parameters

對比圖5(a)與圖5(b)～(d)，發(fā)現(xiàn)2類曲線的上升趨勢大致相同，并且均上升至某最大值；根據(jù)織物拉伸強(qiáng)力測試得到粘膠平紋織物經(jīng)向拉伸強(qiáng)力317.68 N、緯向拉伸強(qiáng)力191.87 N，經(jīng)公式σ=F/A(式中：σ為拉伸應(yīng)力，MPa；F為拉伸強(qiáng)力，N；A為拉伸切線方向橫截面積，mm2)轉(zhuǎn)換得到經(jīng)向拉伸應(yīng)力為24.82 MPa，緯向拉伸應(yīng)力為14.99 MPa，利用相對誤差計(jì)算公式可得到模擬與實(shí)驗(yàn)的相對誤差分別為4.19%、1.87%，經(jīng)均值計(jì)算，平均誤差為3.03%，說明有限元軟件ABAQUS可用來模擬粘膠機(jī)織物拉伸力學(xué)性能，且模擬數(shù)值具有一定可靠性。

4 結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)軟件對織物拉伸性能進(jìn)行模擬，可以使設(shè)計(jì)人員預(yù)測織物性能時(shí)，減少試紡、試織、后處理等工序，達(dá)到節(jié)約資源，降低成本，縮短周期的目的。本文借助專業(yè)紡織建模軟件Texgen建立織物幾何模型，利用有限元軟件ABAQUS模擬粘膠織物拉伸力學(xué)性能，通過所得應(yīng)力分布云圖，發(fā)現(xiàn)了織物拉伸時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律：織物經(jīng)向拉伸時(shí)，主要是經(jīng)紗承受拉伸作用，經(jīng)緯紗交織點(diǎn)處所受應(yīng)力最大，緯紗受紗線間摩擦因素影響，緯紗邊緣所受應(yīng)力最?。豢椢锞曄蚶鞎r(shí)，主要是緯紗承受拉伸作用，經(jīng)緯紗交織點(diǎn)處所受應(yīng)力最大，經(jīng)紗受紗線間摩擦因素影響，經(jīng)紗邊緣所受應(yīng)力最小。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值結(jié)果的可靠性。由于本文僅以粘膠織物為例，對于使用該方法預(yù)測織物性能是否具有普適性，還有待進(jìn)一步論證。