摘 要：為研究織物導(dǎo)熱性能的影響因素，提出了一種基于ANSYS的織物熱傳遞有限元仿真二次開發(fā)系統(tǒng)。利用ANSYS/APDL軟件對織物進(jìn)行參數(shù)化建模，模擬分析在不同織物組織、織物緊度、經(jīng)緯紗線材料條件下，織物中的熱量傳遞過程及溫度分布特征，并計(jì)算各織物的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)。使用C-THERM TCi導(dǎo)熱儀對織物樣本的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)進(jìn)行測試，與模擬計(jì)算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)模擬同實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的絕對誤差值在4%以內(nèi)，驗(yàn)證了該模型的有效性，并進(jìn)一步探究了織物導(dǎo)熱性能的影響因素。結(jié)果表明：在相同條件下，平紋織物的蓄熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)最高，斜紋次之，緞紋最低；隨著織物緊度的增加，織物的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)也升高；隨著紗線導(dǎo)熱系數(shù)的上升，織物的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)升高。研究結(jié)果對織物導(dǎo)熱性能的參數(shù)化模擬仿真及良好導(dǎo)熱性能的織物開發(fā)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：有限元仿真；導(dǎo)熱性能；參數(shù)化建模；導(dǎo)熱系數(shù)；蓄熱系數(shù)

中圖分類號：TS15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）10-0102-12

隨著人們對織物熱舒適性的要求提高，具有良好導(dǎo)熱性能的面料成為研究熱點(diǎn)。在炎熱的夏季，導(dǎo)熱性能良好的面料能快速將身體產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境，給人體提供舒適、涼爽的穿著體驗(yàn)?？椢飳?dǎo)熱性能受多種因素影響，包括織物組織結(jié)構(gòu)、織物緊度、紗線導(dǎo)熱系數(shù)、纖維含量以及織物后處理方式等［1］。因此，研究這些影響因素，對后續(xù)開發(fā)良好導(dǎo)熱性能的織物具有重要意義。

研發(fā)導(dǎo)熱性能良好的織物，傳統(tǒng)的方式是織造大量織物樣本并通過一系列物理測試方法，分析織物導(dǎo)熱性能是否符合要求，這一傳統(tǒng)方法存在工序復(fù)雜、時(shí)間長、浪費(fèi)原材料的問題。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，有限元分析系統(tǒng)能快速獲取導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻、蓄熱系數(shù)、克羅值等織物導(dǎo)熱性能指標(biāo)，有助于更有效地進(jìn)行織物設(shè)計(jì)［2］。近年來，研究人員傾向于運(yùn)用ANSYS、ABAQUS等有限元軟件來模擬和預(yù)測織物的導(dǎo)熱性能，為高質(zhì)量、低成本的織物產(chǎn)品評估和優(yōu)化提供有效途徑［3］。

李瑛慧等［3］使用AutoCAD軟件構(gòu)建了織物的三維模型，通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，以纖維導(dǎo)熱性參數(shù)預(yù)測織物的導(dǎo)熱性能，并提出了一種有效預(yù)測克羅值和織物表面溫度變化的方法。張潔等［4］引入牛頓插值法對紗線中心線方程進(jìn)行擬合并建立織物三維模型，在ABAQUS軟件中模擬平紋織物導(dǎo)熱過程，驗(yàn)證了模型的有效性，并研究了空氣及織物厚度對織物克羅值的影響。Siddiqui等［5］利用TexGen構(gòu)建了平紋織物的單胞結(jié)構(gòu)模型，預(yù)測并驗(yàn)證了織物的有效導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻，同時(shí)探討了纖維導(dǎo)熱系數(shù)和纖維體積分?jǐn)?shù)對有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。Wu等［6］考慮纖維各向異性熱傳導(dǎo)，建立了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的棉織物導(dǎo)熱模型，采用有限元和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了織物的組織結(jié)構(gòu)、紗線細(xì)度對織物熱性能的影響。

盡管ANSYS等有限元軟件在紡織領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但由于CAE模塊仿真分析環(huán)境的限制，直接分析織物的導(dǎo)熱性能及數(shù)據(jù)處理仍然具有挑戰(zhàn)性［7-8］。因此本文通過ANSYS/APDL二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)一種織物熱傳遞有限元仿真二次開發(fā)系統(tǒng)。首先試織不同組織結(jié)構(gòu)、紗線材料、經(jīng)緯紗線組合的織物樣本，再利用顯微成像測量織物結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)化建模，并利用有限元軟件建立“環(huán)境-織物-皮膚”的簡化三維有限元模型［9］，模擬織物在穿著過程中熱量的傳遞過程及溫度分布特征，計(jì)算織物的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)。其次，使用C-THERM TCi導(dǎo)熱儀對織物樣本的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)進(jìn)行測試，通過實(shí)驗(yàn)測試和模擬結(jié)果的對比以驗(yàn)證該模型的有效性，同時(shí)對系統(tǒng)的精度與有效性進(jìn)行分析。最后通過有限元模擬，研究織物組織結(jié)構(gòu)、織物緊度、紗線導(dǎo)熱系數(shù)對織物導(dǎo)熱性能的影響。通過對織物導(dǎo)熱性能的參數(shù)化模擬仿真為后續(xù)開發(fā)良好導(dǎo)熱性能的織物提供條件。

1 幾何模型

1.1 織物試樣織造

在有限元數(shù)值模擬問題中，確保模型的準(zhǔn)確建立是分析的基礎(chǔ)。采用紹興喜能紡織科技有限公司生產(chǎn)的不同規(guī)格的紗線，通過控制變量，設(shè)計(jì)不同織物組織、不同經(jīng)緯紗密度、不同經(jīng)緯紗組合的織物，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)織造，以確保模型數(shù)據(jù)的可靠性。優(yōu)選不同導(dǎo)熱性能的普通滌綸紗線、玉石滌綸紗線、鋅玉滌綸紗線、冰涼聚乙烯紗線作為織造材料。紗線的基本參數(shù)如表1所示，織物試樣規(guī)格及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，織物織造樣本如圖1所示。

1.2 參數(shù)化建模

在進(jìn)行有限元分析之前，需要?jiǎng)?chuàng)建織物的三維幾何模型。目前已有TexGen、TexEng、WiseTex等軟件可生成織物的三維幾何模型，但這些軟件受限于各自的環(huán)境，需要將幾何模型導(dǎo)入其他有限元分析軟件，且由于CAE模塊的限制，無法直接進(jìn)行織物導(dǎo)熱性能的分析［7］。通過利用ANSYS/APDL二次開發(fā)，可以在ANSYS環(huán)境中直接生成織物的三維幾何模型，并可直接用于有限元分析，為后續(xù)研究提供便利。因此，在有限元軟件中對織物進(jìn)行參數(shù)化建模具有重要意義。

通過顯微圖像法獲取織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對織物物理模型的準(zhǔn)確參數(shù)化建立。利用由日本電子（JEOL）生產(chǎn)的5610LV掃描電鏡，在50倍放大條件下觀察各織物織造樣本的結(jié)構(gòu)形態(tài)。通過對織物試樣顯微成像的尺寸測量，獲得細(xì)觀模型的幾何參數(shù)。織物緯向橫截面如圖2所示。

基于紗線屈曲狀態(tài)，提取織物的多個(gè)特征點(diǎn)，利用牛頓插值公式［10］，對平紋組織、2/1斜紋組織及5/3經(jīng)面緞紋組織，建立經(jīng)紗和緯紗中心線的曲線方程，進(jìn)而確定經(jīng)緯紗線中心線軌跡，并在APDL軟件中依據(jù)紗線橫截面及紗線中心線路徑建立織物幾何模型?？椢锶S幾何模型構(gòu)建步驟如圖3所示。為了方便織物建模和有限元分析，基于紗線等效原理，在構(gòu)建模型過程中，假設(shè)各紗線基本性能、紗線均勻性、紗線幾何參數(shù)等條件保持恒定不變［11］。

2 有限元分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格劃分

采用四節(jié)點(diǎn)線性四面體元素（DC3D4）對織物單胞結(jié)構(gòu)模型和整體織物模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［12］，以確保熱量在織物中傳遞的模擬仿真獲得高質(zhì)量的結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)證，進(jìn)一步網(wǎng)格細(xì)化并不會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生較大影響，即得到了適合的網(wǎng)格密度。織物三維幾何模型的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2.2 熱傳遞分析

對織物熱傳遞的有限元分析做出以下假設(shè)：只考慮織物內(nèi)部和表面的靜止空氣；熱量只通過熱傳導(dǎo)傳遞；紗線是一種多孔材料，由纖維和空氣組成；織物中的空氣被認(rèn)為是流體矩陣［12］，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)0.026 W/（m·K）。

構(gòu)建“環(huán)境-織物-皮膚”的三維結(jié)構(gòu)模型，皮膚作為恒定熱源，外界環(huán)境設(shè)定為恒定室溫。用于有限元分析的單胞結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。對于織物厚度上的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析，必須在織物的兩側(cè)定義兩個(gè)指定溫度［13］。假設(shè)織物的所有其他表面都完全隔熱，織物正面和背面的指定溫度可以表示為T0和T1。

通過在程序中定義紗線的材料參數(shù)、織物屬性和模擬邊界條件，模擬織物在人體穿著狀態(tài)下的熱量傳遞過程，并獲取熱量分布情況。利用“環(huán)境-織物-皮膚”的熱傳遞仿真系統(tǒng)，對織物熱流量和節(jié)點(diǎn)

T0=295.15 K

T1=310.15 K

溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析?？椢镎疵婕罢w溫度分布如圖6所示。

采用織物單胞結(jié)構(gòu)模型計(jì)算織物的等效比熱和等效質(zhì)量密度，同時(shí)基于溫度場模擬計(jì)算織物的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)。織物單胞結(jié)構(gòu)模型熱量傳遞過程及溫度分布云圖如圖7所示。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)及蓄熱系數(shù)計(jì)算

通過對織物進(jìn)行熱傳遞模擬，用織物正面和背面的熱通量來量化織物吸收的熱量，織物單胞結(jié)構(gòu)模型的總熱通量值ΔＱ可以用式（1）計(jì)算［14］：

ΔＱ=Ｑ/S（1）

式中：ΔＱ為總熱通量值，J；Ｑ為截面總熱通量，J·m2；S為總表面積，m2。

當(dāng)熱量達(dá)到平衡時(shí)，計(jì)算出織物升高的溫度，用式（2）進(jìn)一步RezmQFVCWBdViJrKhsipXQ==求出織物的平均比熱容：

cρ=ΔＱ/（m·ΔT）（2）

式中：cρ為比熱容，J/（kg·K）；ΔＱ為總熱通量值，J；m為織物質(zhì)量，kg；ΔT為升高的溫度，K。

在求得織物吸收總熱量的基礎(chǔ)上，根據(jù)式（3）—（4）（傅里葉傳熱定律）確定織物導(dǎo)熱系數(shù)：

q=λALΔT（3）

λ=qLAΔT（4）

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；q為織物的熱流， W；A為截面積，m2；L為織物厚度，m；ΔT為升高的溫度，K。

在求得織物導(dǎo)熱系數(shù)和平均比熱容的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式（5）計(jì)算出織物的蓄熱系數(shù)e：

e=λ·cρ·ρ（5）

式中：e為蓄熱系數(shù)，（W·S1/2）/（m2·K）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；cρ為比熱容，J/（kg·K）；ρ為織物密度，kg/m3。

通過有限元模擬得到的不同參數(shù)的織物導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)如表3所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用C-THERM TCi導(dǎo)熱儀對織物進(jìn)行導(dǎo)熱性能測試，可一次性測量獲得織物的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)［15］。C-THERM TCi導(dǎo)熱儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其示意圖如圖8所示。在標(biāo)準(zhǔn)條件下（室溫22 ℃、相對濕度65%），將織物樣品放置于儀器中24 h，并在相同溫濕度條件下進(jìn)行測試。在測試過程中，確保樣品牢固安裝在測試儀器的樣品夾具上，以確保儀器探頭與樣品表面緊密接觸，避免不必要的熱損失［16］。實(shí)驗(yàn)測得的織物的導(dǎo)熱系數(shù)及蓄熱系數(shù)如表4所示。

將有限元模型預(yù)測的織物導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行比較，根據(jù)公式（6）計(jì)算誤差值，驗(yàn)證有限元分析系統(tǒng)預(yù)測織物導(dǎo)熱性能的可行性。如果在誤差范圍內(nèi)，說明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。織物導(dǎo)熱系數(shù)及蓄熱系數(shù)的模擬誤差值如圖9所示。

E/%=（A-B）/B×100（6）

式中：E為誤差值，%；A為模擬結(jié)果；B為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

將有限元模型預(yù)測的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，導(dǎo)熱系數(shù)及蓄熱系數(shù)的絕對誤差值在4%以內(nèi)。這表明開發(fā)的有限元分析系統(tǒng)對織物導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)的預(yù)測具有較高的準(zhǔn)確性，模擬結(jié)果較為良好。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所差異，原因可能是紗線存在毛羽或松散現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)際情況纖維在紗線中的比例與實(shí)際情況存在誤差，進(jìn)而造成溫度上升的差異。其次模型側(cè)面與外界的熱交換及熱輻射帶來的熱量損失也對結(jié)果有一定的影響。但是，該有限元分析系統(tǒng)精度較高，可被應(yīng)用于預(yù)測織物的導(dǎo)熱性能，且適用于后續(xù)對織物導(dǎo)熱性能影響因素的研究。

3 織物導(dǎo)熱性能影響因素的分析

本文基于織物導(dǎo)熱機(jī)理和有限元分析方法，探究織物相關(guān)參數(shù)與導(dǎo)熱性能間的關(guān)系。通過優(yōu)化3個(gè)關(guān)鍵變量，即織物組織結(jié)構(gòu)、織物緊度和紗線導(dǎo)熱系數(shù)，研究它們對織物導(dǎo)熱性能的影響，以期為設(shè)計(jì)良好導(dǎo)熱性能織物提供有效指導(dǎo)。

3.1 織物組織結(jié)構(gòu)對織物導(dǎo)熱性能的影響

借助織物有限元導(dǎo)熱模型，研究織物組織結(jié)構(gòu)對織物導(dǎo)熱性能的影響。控制變量，改變織物組織結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)ABCD四組模擬樣本進(jìn)行有限元模擬。通過將織物相關(guān)參數(shù)輸入有限元仿真系統(tǒng)，模擬織物的熱傳遞過程，求出蓄熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。ABCD四組模擬樣本的規(guī)格（織物經(jīng)密均為320根/（10cm），緯密均為280根/（10cm））如表5所示，平紋、斜紋、緞紋組織織物的溫度分布云圖（以A組織物樣本為例）如圖10所示，平紋、斜紋、緞紋組織織物表面的溫度變化曲線（A組織物樣本）如圖11所示，ABCD四組模擬樣本的蓄熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)如圖12所示。

通過設(shè)計(jì)不同織物組織結(jié)構(gòu)的模擬樣本，研究了織物組織結(jié)構(gòu)對織物導(dǎo)熱性能的影響。平紋織物是由上下交織的經(jīng)紗和緯紗組成，斜紋織物則至少由3根經(jīng)紗和3根緯紗組成，而緞紋織物則至少由5根經(jīng)紗和5根緯紗組成其交織結(jié)構(gòu)?？椢锏膶?dǎo)熱性能受到紗線和空氣導(dǎo)熱性能的共同影響，而紗線的導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于空氣。在相同的織物緊度下，緞紋織物的紗線交織點(diǎn)最少，整體結(jié)構(gòu)更為松散，織物厚度更大，同時(shí)含有更多的靜止空氣。對比平紋織物、斜紋織物和緞紋織物表面的溫度分布云圖和溫度變化曲線，3種織物表面溫度到達(dá)平衡的時(shí)間依次增大，且平衡狀態(tài)的溫度依次降低。不同組織結(jié)構(gòu)的織物，平紋織物表現(xiàn)出最高的蓄熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，斜紋織物次之，而緞紋織物則最低。

3.2 織物緊度對織物導(dǎo)熱性能的影響

借助織物有限元導(dǎo)熱模型，研究織物緊度對織物導(dǎo)熱性能的影響?？刂谱兞?，改變織物緊度，設(shè)計(jì)E組模擬樣本進(jìn)行有限元模擬，并進(jìn)行相同上述模擬操作。E組模擬樣本的規(guī)格如表6所示，以平紋組織為例，經(jīng)緯紗線均為冰涼聚乙烯22.2 tex，不同緊度下織物的溫度變化曲線如圖13所示，E組模擬樣本的蓄熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)如圖14所示。

通過設(shè)計(jì)不同織物緊度的模擬樣本，研究了織物緊度對織物導(dǎo)熱性能的影響?？椢锞o度與織物的導(dǎo)熱系數(shù)及蓄熱系數(shù)之間存在密切關(guān)系，如圖15所示。

隨著織物緊度的提高，紗線在單位體積內(nèi)的含量增加，空氣的含量相應(yīng)減少，而紗線的導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于空氣，從而整體導(dǎo)熱性能得到提升。對比不同緊度下織物表面的溫度分布云圖和溫度變化曲線，隨著織物緊度增加，單位時(shí)間內(nèi)織物的溫度升高更顯著。同時(shí)，織物的蓄熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)也呈現(xiàn)增大的趨勢，即織物的熱傳導(dǎo)能力隨著織物緊度的增加而增強(qiáng)。

3.3 紗線導(dǎo)熱系數(shù)對織物導(dǎo)熱性能的影響

借助織物有限元導(dǎo)熱模型，研究紗線導(dǎo)熱系數(shù)對織物導(dǎo)熱性能的影響?？刂谱兞?，改變織物經(jīng)緯紗線材料，設(shè)計(jì)FG兩組模擬樣本進(jìn)行有限元模擬，并進(jìn)行相同上述模擬操作。兩組模擬樣本的規(guī)格如表7所示，不同紗線材料的織物溫度分布云圖如圖16所示，F(xiàn)G兩組模擬樣本的蓄熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)如圖17所示。

通過設(shè)計(jì)不同經(jīng)緯紗線材料的模擬樣本，研究紗線導(dǎo)熱系數(shù)對織物導(dǎo)熱性能的影響。紗線材料的熱學(xué)性質(zhì)對織物的傳熱性能有著重要影響，對于絕大多數(shù)紗線材料而言，纖維的導(dǎo)熱系數(shù)受內(nèi)部晶格排列順序的影響。晶格排列越有序，更有利于快速傳遞熱振動(dòng)，從而提高熱量傳遞速度，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大。因此，織物的導(dǎo)熱性能在很大程度上取決于紗線導(dǎo)熱系數(shù)內(nèi)部晶格的有序排列，即紗線材料本身的導(dǎo)熱性能，紗線材料的導(dǎo)熱性能越優(yōu)越，織物的熱傳導(dǎo)能力也相應(yīng)增強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS/APDL二次開發(fā)技術(shù)對織物進(jìn)行參數(shù)化建模，模擬分析不同組織、緊度和紗線材料條件下的溫度分布和表面溫度變化。利用有限元模型直接模擬計(jì)算織物的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)，并進(jìn)一步探究有限元模型的準(zhǔn)確性和織物導(dǎo)熱性能的影響因素。研究結(jié)論如下：

a） 利用ANSYS/APDL進(jìn)行參數(shù)化建模適用于不同織物條件，模擬計(jì)算得到的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)同實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的絕對誤差值在4%以內(nèi)，吻合度較好，模擬結(jié)果有效。

b） 不同織物組織結(jié)構(gòu)對導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)影響顯著，平紋織物的蓄熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)最高，斜紋次之，緞紋最低；織物緊度越高，導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)越大，并且紗線導(dǎo)熱系數(shù)與織物的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)呈正相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

［1］李金嶼， 楊允出， 劉鳴茗. 基于結(jié)構(gòu)特征的織物熱傳遞性能預(yù)測研究進(jìn)展［J］. 現(xiàn)代紡織技術(shù)， 202 30 （1）： 18-25.

LI Jinyu， YANG Yunchu， LIU Mingming. Research progress in the prediction of heat transfer properties of fabrics based on structural characteristics［J］. Advanced Textile Technology， 202 30 （1）： 18-25.

［2］MOKHTARI Y M， SHEIKHZADEH M， BORHANI S. Modeling the heat transfer in a PCM cooling vest［J］. The Journal of the Textile Institute， 2015， 106（9）： 1003-1012.

［3］李瑛慧， 謝春萍， 劉新金， 等. 仿真絲織物與真絲織物的熱傳遞有限元仿真［J］. 絲綢， 2017， 54 （12）： 7-11.

LI Huiying， XIE Chunping， LIU Xinjin， et al. Finite element simulation of heat transfer on silk-like fabrics and real silk fabrics［J］. Journal of Silk， 2017， 54 （12）： 7-11.

［4］張潔， 劉新金， 謝春萍， 等. 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱傳遞性能影響的模擬分析［J］. 絲綢， 2020， 57 （2）： 13-8.

ZHANG Jie， LIU Xinjin， XIE Chunping， et al. Simulation analysis of the influence of fabric structure parameters on heat transfer properties［J］. Journal of Silk， 2020， 57（2）： 13-18.

［5］SIDDIQUI M O R， SUN D. Automated model generation of knitted fabric for thermal conductivity prediction using finite element analysis and its applications in composites［J］. Journal of Industrial Textiles， 2016， 45（5）： 1038-1061.

［6］WU X， YU P， SUN X， et al. Modeling the thermal performance of anisotropic heat conduction fabric with different structural parameters［J］. Journal of Natural Fibers， 2023， 20（1）：1-13.

［7］SIDDIQUI M O R， SUN D. Thermal analysis of conventional and performance plain woven fabrics by finite element method［J］. Journal of Industrial Textiles， 2018， 48（4）： 685-712.

［8］BARAUSKAS R， SANKAUSKAITE A， RUBEZIENE V， et al. Investigation of thermal properties of spacer fabrics with phase changing material by finite element model and experiment［J］. Textile Research Journal， 2020， 90（15/16）： 1837-1850.

［9］吳佳玥， 吳巧英. 羽絨制品熱傳遞的有限元仿真［J］. 紡織學(xué)報(bào)， 202 43（11）： 154-162.

WU Jiayue， WU Qiaoying. Finite element simulation of heat transfer through down coat panel［J］. Journal of Textile Research， 202 43（11）： 154-162.

［10］吳茜. 織物熱傳遞性能及其數(shù)值模擬［D］. 武漢： 武漢紡織大學(xué)， 2017： 12-44.

WU Qian. Thermal Transitivity of Textile and Its Numerical Simulation［D］. Wuhan： Wuhan Textile University， 2017： 12-44.

［11］孫玉釵， 馮勛偉， 劉超穎. 紡織品熱傳遞有限元分析［J］. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2006， 32（2）： 50-53.

SUN Yuchai， FENG Xunwei， LIU Chaoying. Application of finite element method in analysis of heat transfer through textile fabrics［J］. Journal of Donghua University， 2006， 32（2）： 50-53.

［12］吳佳佳， 唐虹. 應(yīng)用ABAQUS的織物熱傳遞有限元分析［J］. 紡織學(xué)報(bào)， 2016， 37 （9）： 37-41.

WU Jiajia， TANG Hong. ABAQUS based finite element analysis of heat transfer through woven fabrics［J］. Journal of Textile Research， 2016， 37 （9）： 37-41.

［13］CIMILLI S， NERGIS F B U， CANDAN C. Modeling of Heat Transfer Measurement Unit for Cotton Plain Knitted Fabric using a Finite Element Method［J］. Textile Research Journal， 2008， 78 （1）： 53-59.

［14］SIDDIQUI M O R， SUN D. Finite element analysis of thermal conductivity and thermal resistance behaviour of woven fabric［J］. Computational Materials Science， 2013， 75：45-51.

［15］李雪梅. 織物接觸涼感的主客觀測試評價(jià)及其影響因素研究［D］. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2022： 18-34.

LI Xuemei. Subjective and Objective Testing and Evaluation of Cool Feeling in Contact with Fabrics and Research on Its Influencing Factors［D］. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2022： 18-34.

［16］譚月敏， 徐健明， 龐文鍵， 等. 淺談應(yīng)用材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法［J］. 中國膠粘劑， 2023， 32 （7）： 62-68.

TAN Yuemin， XU Jianming， PANG Wenjian， et al. Discussion on measurement method of thermal conductivity of applied materials［J］. China Adhesives， 2023， 32 （7）： 62-68.

Factors influencing the thermal properties of fabrics based on ANSYS/APDL

QI Xintao HE Haonan LI Xin JIN Xiaoke MA Leilei TIAN Wei ZHU Chengyan 2

（1.College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University，

Hangzhou 310018， China; 2.Zhejiang Sci-Tech University Huzhou Research Institute Co.， Ltd.， Huzhou 313000， China）

Abstract：

With the growing demand for thermal comfort in textiles， there has been a heightened research focus on fabrics with excellent thermal properties. During hot summers， fabrics with excellent thermal properties can efficiently transfer the body's heat to the external environment， offering a comfortable and cool wearing experience. The thermal properties of fabrics are influenced by factors such as fabric structure， fabric tightness， yarn thermal conductivity， fiber content， and fabric post-processing. Studying these influential factors is important for the development of fabrics with excellent thermal properties.

Traditionally， developing fabrics with good thermal properties involved weaving numerous fabric samples and conducting a series of physical tests to analyze the product's thermal properties， which was time-consuming and wasteful of raw materials. Compared to traditional experimental methods， finite element analysis systems can quickly obtain indicators of fabric thermal properties such as thermal conductivity， thermal resistance， thermal effusivity， and CLO value， making fabric design more effective.

In recent years， scientists have utilized finite element software such as ANSYS and ABAQUS to simulate and predict the heat transfer performance of fabrics. This approach offers an effective means of evaluating and optimizing high-quality， low-cost fabrics. However， the CAE module simulation analysis environment has limitations that make it challenging to directly analyze fabric heat transfer performance and process data. Therefore， this study aimed to develop a system for the finite element simulation of fabric heat transfer using the improved technology of ANSYS/APDL Firstly， various fabric samples with different fabric structures， yarn materials， and warp and weft yarn combinations were woven. The parameters of the fabric structure were then measured by using microscopic imaging to create a parametric model. A three-dimensional finite element model of the "environment-fabric-skin" system was then created by using finite element software to simulate the heat transfer process and temperature distribution characteristics of the fabric during wear. This model was also utilized for calculating the thermal conductivity coefficient and thermal effusivity of the fabric. Subsequently， the C-THERM TCi thermal conductivity meter was used to measure the thermal conductivity coefficient and thermal effusivity of the fabric samples. The experimental test results were then compared with the simulation results to validate the efficacy of the model. Finally， the impact of fabric structure， fabric tightness， and yarn thermal conductivity on fabric thermal properties was investigated through finite element simulation.

Comparing the experimental test and simulation results， the absolute error of the calculated thermal conductivity coefficient and thermal effusivity from the simulation is within 4% of the experimental test results， validating the effectiveness of the model. Further exploration of the factors influencing fabric thermal properties reveals that under the same conditions， plain weave fabrics exhibit the highest thermal effusivity and thermal conductivity coefficient， followed by twill weave， with satin weave showing the lowest values. Additionally， under the same conditions， the higher the tightness of fabric is， the more its heat conductivity coefficient and effusivity will be. Similarly， as yarn thermal conductivity increases， there will also be an increase in the fabric's thermal conductivity and thermal effusivity. Hopefully， the research findings can shed a light on the parametric modeling of fabrics and the development of fabric heat transfer finite element simulation systems， and offer insights for the subsequent improvement of fabrics with favorable thermal properties.

Keywords：

finite element simulation; thermal properties; parametric modeling; thermal conductivity coefficient; thermal effusivity