鄒畫眉 劉新金 謝春萍 蘇旭中 徐伯俊

摘要： 運(yùn)用有限元方法對帶刃刀具刺穿超高分子量聚乙烯平紋織物的沖擊過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型的有效性。通過給出布面刺破效果的數(shù)值仿真模擬，對織物刺穿過程中的紗線的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行分析，得到?jīng)_擊系統(tǒng)的能量變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果指出：刀刺織物過程中，刀具的能量主要轉(zhuǎn)化為織物的彈性應(yīng)變能，其余為塑性耗散能和摩擦耗散能;紗線破壞以剪切斷裂為主;平紋織物的彈性回復(fù)性能有助于抵抗刀具的沖擊，增強(qiáng)其抗剪切性能是提高防刺性能的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞： 有限元;平紋織物;穿刺;準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn);能量

中圖分類號： TS101.923 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ? 文章編號： 1001-7003（2019）06-0046-06 ? ?引用頁碼： 061108

Abstract： The impact process of the edged cutter piercing UHMWPE plain weave fabric was numerically simulated by finite element method， and its effectiveness was verified by the quasi-static experiment. The numerical simulation of cloth surface piercing effect was given to analyze stress and strain distribution of yarns in the piercing process， and the energy change law of impact system was gained. The numerical simulation results show that the energy of the cutter is mainly converted into elastic strain energy of fabric in the fabric piercing process， while the rest is plastic dissipation energy and friction dissipation energy. The failure of yarns is mainly due to shear fracture. The elastic recovery property of plain fabric is helpful to resist the impact of cutter. Enhancing shear resistance of the plain fabric is the key to improve its stab-proof performance.

Key words： finite element; plain weave; puncture; quasi-static experiment; energy

柔性織物和紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料因其質(zhì)輕柔軟、高強(qiáng)耐沖擊的特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用在特種防護(hù)織物，如擊劍服、防刺防彈服的研發(fā)上[1-2]，其中最典型的代表就是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。而纖維增強(qiáng)體在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中提供材料的強(qiáng)度和剛度，起主要作用[3-4]，因此，對于增強(qiáng)體的力學(xué)研究和抗沖擊性能預(yù)測頗為重要。利用有限元模擬計(jì)算纖維增強(qiáng)體在沖擊下的力學(xué)響應(yīng)，一方面避免了制作大量的試樣，降低了生產(chǎn)成本;另一方面能夠更細(xì)致深入地分析紡織結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，這是單純進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)所不能達(dá)到的，因而成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

有限元分析包括建模、材料屬性賦予、建立分析步、設(shè)置相互作用、劃分網(wǎng)格、施加載荷與邊界條件、提交任務(wù)與可視化分析等步驟[5]。本文利用有限元軟件Abaqus模擬分析了帶刃刀具穿刺平紋織物的靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)與動態(tài)力學(xué)響應(yīng)，探尋穿刺的基本機(jī)制，以期對平紋織物防刺性能的提高提出建設(shè)性的思路。刀具穿刺織物過程含有大變形和復(fù)雜的接觸關(guān)系，是高度非線性問題，采用隱式動力學(xué)（Standard）分析很難收斂，因此用顯示動力學(xué)方法（Explicit）進(jìn)行分析。實(shí)際生活中，人持刀具穿刺織物過程中，刀具的速度不僅受織物的反作用，還受變化的外力或重力操控，但是在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行動態(tài)穿刺模擬時(shí)，忽略人力，給刀具一個(gè)初始速度，只考慮織物與刀具間的相互作用，簡化研究過程，探尋沖擊響應(yīng)基本規(guī)律，為防刺材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)性能預(yù)測奠定理論基礎(chǔ)。

1 沖擊系統(tǒng)建模與前處理

整個(gè)穿刺沖擊系統(tǒng)包括織物與刀具兩部分。平紋組織是最基本的二維機(jī)織物結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗诙S機(jī)織物中最為緊密堅(jiān)牢，所以應(yīng)用最為廣泛。超高分子量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene， UHMWPE）是目前抗沖擊性能最高[6]的高性能材料之一，因此，本文選用一種超高分子量聚乙烯平紋織物材料進(jìn)行仿真模擬，刀具選用參考GA 68—2008《警用防刺服》。

UHMWPE纖維的力學(xué)性能具有應(yīng)變率敏感性，即在不同的應(yīng)變速率下，其應(yīng)力應(yīng)變曲線不同。特別在高應(yīng)變率（102～104s-1）與超高應(yīng)變率（104～106s-1）下，UHMWPE材料會有明顯的模量增加、最大應(yīng)力增大與失效應(yīng)變減小現(xiàn)象。而本文所研究的刀具穿刺織物過程為低速沖擊，屬于中應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)。如GA68—2008《警用防刺服》中對防刺性能測試的規(guī)定：讓質(zhì)量為2.4kg的刀具自由落體以（24±0.5）J的撞擊能量刺入織物并檢查織物能否穿透。經(jīng)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)中刀具接觸織物時(shí)的速度約為4.47m/s，而實(shí)際生活中，手持刀具穿刺織物的速度不超過10m/s，穿刺過程中纖維紗線的應(yīng)變率小于102s-1，纖維紗線的力學(xué)性能與靜態(tài)等速拉伸試驗(yàn)（應(yīng)變率約為10-2s-1）時(shí)的力學(xué)性能差異不明顯。且本文的動態(tài)穿刺模擬只作為探討穿刺機(jī)制的研究手段，不作為實(shí)際材料防刺性能預(yù)測的依據(jù)。因此，有限元模型中暫且忽略了UHMWPE的應(yīng)變率效應(yīng)，假設(shè)紗線在動態(tài)穿刺過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線與靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)所測得的參數(shù)一致。

1.1 建 模

1.1.1 織 物

平紋織物試樣的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)通過超景深三維顯微鏡拍照測量取得，如表1所示。用各種CAD軟件建模再將模型導(dǎo)入有限元軟件，存在計(jì)算速度慢與信息易丟失的缺點(diǎn)，因此，建模操作在有限元軟件Abaqus自身的Sketch模塊進(jìn)行，按照實(shí)際織物試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)1 ︰ 1畫出紗線，建立8cm×8cm大小的織物模型。因?qū)嶋H織物中紗線相互交織，交織點(diǎn)處紗線相互壓扁，因此假設(shè)紗線截面為橢圓形，這樣亦不易造成紗線間的過盈接觸。將橢圓截面沿著樣條曲線掃掠便可得到一根紗線的模型。將一根紗線通過陣列和三維旋轉(zhuǎn)等操作，畫出平紋織物的模型（圖1）。

1.1.2 刀 具

不同刀具的穿刺機(jī)制不同[7]。美國NIJ 0115.00《個(gè)體防刺衣》標(biāo)準(zhǔn)中，將刀具分為有刃刀具和錐形刀具，有刃刀具又分為單側(cè)刃和雙側(cè)刃刀具。錐形刀具沖擊織物過程中不含有剪切作用，只有拉伸斷裂破壞;一般刀具都為帶刃刀具，穿刺織物的過程中既有剪切破壞，又有拉伸破壞。中國公安部GA68—2008《警用防刺服》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定實(shí)驗(yàn)刀具即為一種單側(cè)帶刃刀具，具有典型代表性。

按照GA68—2008《警用防刺服》中標(biāo)準(zhǔn)刀具的參數(shù)繪制刀具模型。考慮到刀具剛度非常大，穿刺過程中幾乎不會形變，也無需考察其應(yīng)力分布，因而將刀具定義為離散剛體，不需賦予材料屬性，只需定義參考點(diǎn)。為了減少單元數(shù)量、加快計(jì)算速度，只畫出其刀尖部分。

1.2 前處理

1.2.1 賦予材料屬性

本文模擬的二維織物選用高性能纖維——超高分子量聚乙烯（UHMWPE）作為材料，拆取試樣織物的多根UHMWPE紗線進(jìn)行拉伸斷裂等實(shí)驗(yàn)，得到紗線的彈塑性等屬性參數(shù)如表2所示。在Property模塊中輸入屬性參數(shù)，定義失效準(zhǔn)則，并設(shè)置與位移相關(guān)的損傷演化。

1.2.2 劃分網(wǎng)格

用剛性單元劃分離散剛體，刀具共劃分為了2093個(gè)R3D4單元;用減縮積分單元劃分實(shí)體，紗線共劃為17600個(gè)C3D8R單元，同時(shí)增加一個(gè)人工的沙漏剛度以防止出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象。

1.2.3 其他前處理

將刀具與織物裝配好（圖2），刀尖與織物表面接觸，首先給刀具的參考點(diǎn)施加一個(gè)10000mm/s的恒定速度約束，給織物四周的紗線端施加PINNED約束（位移為0），紗線間、紗線與刀具間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.1，建立顯示動態(tài)分析步，提交計(jì)算任務(wù)，得到靜態(tài)穿刺數(shù)值模擬結(jié)果。

2 準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

利用萬能試驗(yàn)機(jī)對UHMWPE平紋織物試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)刺破實(shí)驗(yàn)（圖3），刺破過程盡量均勻緩慢，以保證各時(shí)刻沖擊系統(tǒng)的狀態(tài)接近平衡態(tài)。用自制的正方形夾具夾住布樣，實(shí)驗(yàn)前將刀頭下降到與布樣表面剛好接觸，布樣有效受力范圍為8mm×8mm，設(shè)置實(shí)驗(yàn)過程中刀具下降速度為10mm/min后開始實(shí)驗(yàn)。

需要說明的是，在Abaqus軟件中用顯示動力學(xué)方法（Explicit）模擬準(zhǔn)靜態(tài)問題時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間增量很小，以自然周期（10mm/min×1.3min）計(jì)算將耗費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間，是不切實(shí)際的。因而為提高計(jì)算效率，需要人為地提高刀具設(shè)定速度，將時(shí)間長度控制在0.01s以下。在有限元中嘗試了2000～12000mm/s的不同刀具速度設(shè)置，發(fā)現(xiàn)：速度為2000～6000mm/s時(shí)，計(jì)算效率很低;速度大于11000mm/s時(shí)，偽應(yīng)變能很大，織物動能/內(nèi)能的比值過大，計(jì)算中斷，結(jié)果失真;速度為7000～10000mm/s時(shí)，計(jì)算效率較高，且不同速度的數(shù)值模擬結(jié)果具有一致性，具有參考價(jià)值。因此，將有限元中刀具速度設(shè)置為10000mm/s。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將Abaqus數(shù)值模擬結(jié)果與刺破實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，可以發(fā)現(xiàn)：兩者沖擊后的布面形態(tài)高度相似，紗線轉(zhuǎn)曲滑移的位置形態(tài)及破口的大小基本一致（圖4），實(shí)驗(yàn)布樣的破口略小，可能是由實(shí)驗(yàn)結(jié)束后刀具抽出布樣稍有回復(fù)導(dǎo)致的。對比兩者刀具的頂破力-位移曲線（圖5）亦可發(fā)現(xiàn)一致性。兩條曲線的走向基本吻合，在7mm和11mm左右均有明顯的頂破力下降和震蕩，分析認(rèn)為是由于紗線的失效斷裂導(dǎo)致，而模擬的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略有延遲，但亦在誤差允許范圍內(nèi)。由此可以驗(yàn)證：織物的建模方式有效，有限元中紗線的屬性參數(shù)設(shè)置相對準(zhǔn)確，刀具速度的數(shù)量級提高沒有使結(jié)果退化失真，在可接受的范圍內(nèi)。

3 沖擊響應(yīng)分析

為探尋布面受到刀具沖擊后響應(yīng)的基本規(guī)律，決定給刀具一個(gè)初始速度，只考慮織物與刀具間的相互作用，不考慮外力做功，從而簡化研究過程。在Abaqus軟件中可以實(shí)現(xiàn)這種理想狀態(tài)。實(shí)際織物織制得非常緊密，且紗線無捻，導(dǎo)致紗線扁平，寬高比很大，截面某些地方曲率過高，不利于網(wǎng)格的劃分。因此在Abaqus中用同樣的建模方式建立一個(gè)經(jīng)緯密較小、紗線更圓的織物模型，紗線屬性設(shè)置及其他前處理方式與上文相同。假定刀具與織物接觸時(shí)的速度為8m/s，設(shè)置模型中刀具的初始速度為8000mm/s，提交計(jì)算任務(wù)，分析動態(tài)穿刺數(shù)值模擬的結(jié)果。

3.1 刺穿過程

圖6顯示了刀具刺穿織物而后被彈回的過程中織物的應(yīng)力變化與變形情況。由此動態(tài)云圖可以看到：0～0.0045s，刀具漸漸刺入織物，紗線受到擠壓拉伸，布面漸漸突起;0.0045s時(shí)，織物凸起最為明顯，紗線開始斷裂;到0.005s刀具刺穿平紋織物、其中一根紗線完全斷裂后，織物顯現(xiàn)出一個(gè)收緊的趨勢，刀具不再刺深并向相反方向移動;直到0.0075s時(shí)，織物繼續(xù)收緊回復(fù)，刀具又后退了一些距離。結(jié)合刀具的速度曲線、位移曲線（圖7），可以總結(jié)出整個(gè)刺穿過程分為刀具刺入與被彈回兩個(gè)階段。

3.2 織物的應(yīng)力應(yīng)變分布

從圖6中的應(yīng)力分布可以看出，刀尖從紗線空隙中刺入，紗線受到擠壓拉伸，應(yīng)力逐漸提高。主要體現(xiàn)在隨著刀具的深入，與刀具接觸部分紗線變形增加，應(yīng)力持續(xù)增大，紗線與紗線交織點(diǎn)處的應(yīng)力也逐漸增加，同時(shí)，織物四周的固定端出現(xiàn)應(yīng)力集中。而刀尖四周部分紗線應(yīng)力最大，這是因?yàn)榇颂幩艿睦炝εc剪切力最大。通過查詢節(jié)點(diǎn)力值，發(fā)現(xiàn)紗線斷裂前的拉伸應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到抗拉強(qiáng)力，由此判斷紗線是因剪切斷裂。當(dāng)與刀刃接觸的紗線受到剪切力而斷裂失效后，斷裂紗線的應(yīng)力驟減（圖8（a）），與這根紗線交織的紗線上的交織點(diǎn)的擠壓也立即減小，應(yīng)力大幅下降（圖8（b））。周圍的紗線趨于伸直，布面趨于收緊回復(fù)，布面的平均應(yīng)力水平下降，應(yīng)變的分布變化與應(yīng)力同步為正相關(guān)。

3.3 沖擊系統(tǒng)的能量變化

有限元力學(xué)分析中，能量守恒遵循熱力學(xué)第一定律，整體模型的能量平衡可以表述為：ETOTAL=ALLIE+ALLKE+ALLVD+ALLFD-ALLWK=constant[8]，即：總能量=內(nèi)能+動能+粘性耗散能+摩擦耗散能-外力功=常量。本模型的這幾種能量關(guān)系如圖9所示。

沖擊系統(tǒng)內(nèi)外力做功為零，系統(tǒng)動能主要是由刀具貢獻(xiàn)，且不考慮黏性耗散。由計(jì)算完成后的能量歷程輸出圖可以看出，模型的總能量守恒，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。正向穿刺過程中刀具的動能被織物吸收，且大部分轉(zhuǎn)化成了織物內(nèi)能，還有一部分能量由于紗線之間、紗線與刀具間的摩擦作用耗散。刀具反向移動時(shí)，織物的內(nèi)能又轉(zhuǎn)化為刀具的動能，刀具反向速度增加。

整體模型的內(nèi)能遵循下式：ALLIE=ALLSE+ALLPD+ALLCD+ALLAE[8]，即：內(nèi)能=彈性應(yīng)變能+塑性耗散能+蠕變耗能+偽應(yīng)變能。這幾種能量的關(guān)系如圖10所示。

由圖10可見，彈性形變產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能占了內(nèi)能的大部分。刀刺織物時(shí)，刀具的速度逐漸減小，起初是由于刀具擠壓織物導(dǎo)致紗線拉伸產(chǎn)生彈性形變，吸收了刀具大部分的能量，并轉(zhuǎn)化為織物內(nèi)能，而后某些紗線開始屈服，塑性變形直至失效斷裂，這部分的蠕變耗散能與塑性耗散能占比很小。進(jìn)一步說明刀刺織物時(shí)，紗線因拉伸塑性變形斷裂的情況很少，主要是受剪切而斷裂。也就是說：大部分紗線強(qiáng)度在未達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí)，已經(jīng)受到剪切作用而破壞。

經(jīng)計(jì)算，圖10中偽應(yīng)變能/內(nèi)能<10%，根據(jù)相關(guān)有限元理論[8]，說明控制沙漏變形所消耗的應(yīng)變能在可接受的范圍內(nèi)，模擬的結(jié)果具有可參考性。

4 提高防刺性能的措施

根據(jù)有限元軟件的模擬結(jié)果，可以看出帶刃刀具沖擊刺破平紋織物的過程包含了頂穿和切割兩個(gè)方面。要想得到良好的防刺效果，織物必須具有優(yōu)異的抗剪切和抗拉伸性能，其中抗剪切性能占首要地位。

4.1 提高抗拉伸性能

穿刺過程中，刀具的能量主要轉(zhuǎn)化為紗線形變能（主要是彈性應(yīng)變能）和摩擦耗散能。因此，優(yōu)先選用屈服強(qiáng)度極高的纖維紗線，延長布面通過自身彈性形變對刀具能量的吸收的時(shí)間;其次，紗線的抗拉強(qiáng)度也盡量要求高。在一定范圍內(nèi)增加紗線表面摩擦因數(shù)，從而增加紗線間、紗線與刀具間的摩擦力，可以吸收更多的能量，但是這一部分占比較小，對防刺性能的影響不大，這與文獻(xiàn)[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

4.2 提高抗剪切性能

平紋織物紗線的剪切模量、細(xì)度、經(jīng)緯密、組織結(jié)構(gòu)等對其抗剪切性能影響較大，可采用單因素實(shí)驗(yàn)與正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探尋這些因素的影響。平紋織物的防刺優(yōu)勢在于其良好的彈性回復(fù)性能，但是由于紗線間只是簡單交織，沒有黏結(jié)，單根紗線很容易被割斷，因此其抗剪切性能不如無紡布，可考慮將機(jī)織布與無紡布疊層復(fù)合，以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢;或者將平紋基布進(jìn)行樹脂涂層處理[10]，增強(qiáng)織物的防刺性能。

5 結(jié) 論

通過準(zhǔn)靜態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了運(yùn)用有限元方法模擬計(jì)算刀具刺穿織物的沖擊過程的有效性，對動態(tài)穿刺后的布面刺破效果進(jìn)行仿真，對紗線的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行分析，并得到了沖擊系統(tǒng)的能量變化情況，主要結(jié)論如下：

1）刀具沖擊織物的過程可分為兩步：第一，刀具從紗線縫隙中刺入，紗線滑移拉伸，布面變形凸起，刀具速度下降至零;第二，紗線受到剪切或者拉伸作用斷裂，布面發(fā)生彈性恢復(fù)，推動刀具向相反方向移動。

2）織物的應(yīng)力水平變化與應(yīng)變同步。布面首先受力凸起，而后回彈，應(yīng)力水平隨之先上升后下降。應(yīng)力的分布集中在刀尖處、紗線交織點(diǎn)處與布面四周固定端處。當(dāng)紗線斷裂時(shí)，斷裂紗線應(yīng)力驟減，與之相交紗線上的交織點(diǎn)處的應(yīng)力也因此驟減，應(yīng)變減小，布面略有回彈。

3）刀具的能量少部分通過摩擦耗散，大部分被布面吸收，并轉(zhuǎn)化為紗線的內(nèi)能。紗線的內(nèi)能主要由紗線的彈性應(yīng)變產(chǎn)生，少部分是蠕變和塑性應(yīng)變能，且斷裂點(diǎn)的應(yīng)力遠(yuǎn)小于紗線的最大拉伸應(yīng)力，因此紗線斷裂主要由刀具剪切作用導(dǎo)致，提高平紋織物的抗剪切性能是提高其防刺性能的關(guān)鍵。

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