張玉雙 王紅梅 趙曉明，2 鄭振榮，2

(1.天津工業(yè)大學紡織學院，天津，300387; 2.天津工業(yè)大學教育部先進紡織復合材料重點實驗室，天津，300387)

玻璃纖維織物的自動幾何建模研究*

張玉雙1王紅梅1趙曉明1，2鄭振榮1，2

(1.天津工業(yè)大學紡織學院，天津，300387; 2.天津工業(yè)大學教育部先進紡織復合材料重點實驗室，天津，300387)

織物的組織結(jié)構(gòu)與其性能有很大的關(guān)系。通過設(shè)計并織造了四種不同組織(二維方平組織、3/1斜紋組織、雙層斜紋組織，以及三維角連鎖組織)、不同厚度的玻璃纖維織物，并對它們的幾何形態(tài)進行模擬。結(jié)果表明，根據(jù)紗線的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)和織物的實際照片創(chuàng)建織物幾何模型可行，且模型能夠反映紗線的空間結(jié)構(gòu)。

玻璃纖維，紗線，幾何結(jié)構(gòu)，建模

隨著現(xiàn)代科技和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，利用計算機建立數(shù)學模型研究織物傳熱、受力、耐沖擊及抗彎等性能，可提高試驗速度，大大節(jié)省人力、物力。但遺憾的是，在利用數(shù)值方法研究紡織品的這些性能時，人們常將織物材料簡單看作勻質(zhì)平板，對求解區(qū)域進行剖分［1］。而這般簡化織物模型，不考慮織物的結(jié)構(gòu)特性(如組織結(jié)構(gòu)、浮長線、厚度、覆蓋系數(shù)等)對模型參數(shù)的影響，易導致模擬的織物幾何單元與實際三維立體結(jié)構(gòu)相差很大，影響模型計算的準確性。潘寧［2］認為，纖維朝向角及纖維長度均會影響織物的有效熱導率;朱方龍［3］認為，單根纖維、加捻的紗線和紗線束的排列緊密程度，都會對織物的傳熱性能產(chǎn)生影響。綜上可知，人們已關(guān)注到織物組織結(jié)構(gòu)對其熱傳遞性能有很大的影響，但對織物幾何結(jié)構(gòu)單元的定義和模擬尚存在一些問題亟需改進。

目前常用的織物模擬方法和軟件有很多，如織物仿真CAD系統(tǒng)和MatLab，這兩種軟件雖然可以對織物外觀進行仿真和處理，但所建立的模型大都不能直接導入Ansys或Fluent等軟件進行性能分析;而國外織物模擬軟件WiseTex［4］雖然建立的模型可以導入Ansys中，但又無法正確地模擬紗線的橫截面結(jié)構(gòu)。

本文主要基于紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)、截面形狀及交織路徑函數(shù)，建立不同類型的玻璃纖維機織物的三維幾何模型，所用織物幾何結(jié)構(gòu)模擬軟件——TexGen由英國諾丁漢大學設(shè)計開發(fā)［5］，重點探討幾種不同組織結(jié)構(gòu)織物的建模方法和建模過程，且所建織物模型可以iges文件導入常用大型數(shù)學分析軟件，為產(chǎn)業(yè)用紡織品的開發(fā)節(jié)省了大量的人力、物力，并為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

1 織物的設(shè)計與織造

所用玻璃纖維紗線的線密度為280 tex，由江蘇宿遷特種玻璃纖維有限公司生產(chǎn)。

設(shè)計并織造了四種不同組織結(jié)構(gòu)的玻璃纖維機織物，包括二維方平組織、3/1斜紋組織、雙層斜紋組織，以及三維角連鎖組織等。

2 參數(shù)測量

2.1 紗線物理性能參數(shù)

2.1.1 纖維密度

根據(jù)阿基米德原理，采用比重瓶法測試玻璃纖維的密度［7］。

2.1.4 每根紗線所含纖維數(shù)

試驗所用玻璃纖維紗線為合股紗線。先將紗線拆分成單紗后計數(shù)其根數(shù)，則:每根紗線所含纖維數(shù)=單紗所含纖維根數(shù)×單紗數(shù)

2.2 紗線的寬、高和間距

紗線的寬是指在紗線橫截面上沿紗線寬度方向的最大距離。紗線的高是指在紗線橫截面上沿紗線高度方向的最大距離。紗線的間距是指紗線的邊緣到相鄰紗線邊緣的距離。

本文通過將所拍得的紗線截面電鏡圖片導入imageJ軟件中測量紗線的寬、高和間距。

2.3 織物厚度

根據(jù)GB/T 7689.1—2013標準［6］測試玻璃纖維機織物的厚度，所用儀器為YG141L型數(shù)字式織物厚度儀(萊州市電子有限公司生產(chǎn))。

測試過程中設(shè)定標準壓力2.0 kPa、壓腳面積25 cm2、加壓時間30 s。選取至少10個點進行測

2.1.2 纖維直徑

利用光學顯微鏡測試玻璃纖維的直徑。具體方法為，將載玻片、蓋玻片放于載物臺上，調(diào)節(jié)顯微鏡直至物像清晰，測量出纖維寬度。每個樣品測10次，取平均值。

2.1.3 纖維表面積

試并取平均值，厚度讀數(shù)精確至0.001 mm。

3 織物幾何建模

織物中經(jīng)緯紗的空間關(guān)系即為織物的幾何結(jié)構(gòu)，涉及織物組織、紗線路徑、橫截面形狀、紗線物理性能等參數(shù)［8］。

織物幾何建模的基礎(chǔ)理論是，根據(jù)紗線的交織路徑并結(jié)合紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，創(chuàng)建出織物幾何模型，再將紗線的性能參數(shù)輸入幾何模型。下文就其中的重要環(huán)節(jié)進行介紹。

3.1 紗線路徑

紗線路徑是指通過定義紗線的中心線來確定紗線在三維空間的位置，其是沿著紗線方向的距離函數(shù)，由紗線中各個節(jié)點表征而成。除此之外，路徑還受織物結(jié)構(gòu)、紗線橫截面、紗線間距、織物厚度等因素影響。

幾何建模過程中，紗線路徑可通過貝塞爾曲線、三次自然樣條差值曲線和線性曲線來調(diào)節(jié)。

3.2 紗線橫截面

紗線橫截面是指垂直紗線軸向的截面。通常認為，紗線橫截面在理想條件下為圓形，但實際上由于紗線在織物中受到力的作用，以及織造工藝參數(shù)和后整理工藝的影響，紗線橫截面形狀會發(fā)生改變，可用5種初始模型(圖1)來設(shè)定紗線橫截面的形狀［9］。

圖1 紗線橫截面

3.3 紗線交織

二維織物是由一組經(jīng)紗和一組緯紗交織而成，改變經(jīng)緯紗交織狀態(tài)可得到不同的交織圖案。

在TexGen中，二維二進制矩陣可用于表示經(jīng)緯紗的交織狀況。每個交織點分別用“1”或“0”表示?！?”代表經(jīng)紗浮于緯紗之上，“0”則相反?？椢锝豢椌仃嚾鐖D2所示。

三維織物由于層數(shù)增多，簡單的二維矩陣不能有效地表示紗線的交織規(guī)律。

因此，本文利用紗線路徑來表示空間中紗線的交織重疊狀態(tài)，利用沿紗線路徑的節(jié)點控制紗線的交織和彎曲狀態(tài)，構(gòu)成復雜組織圖。

圖2 織物交織矩陣

3.4 紗線性能參數(shù)的輸入

由于利用軟件預測織物性能時需用到紗線性能參數(shù)，所以需將纖維密度、纖維直徑和紗線線密度等性能參數(shù)輸入軟件。

4 結(jié)果與討論

4.1 測量結(jié)果

織物的紗線參數(shù)和厚度測量結(jié)果如表1所示，

表1 紗線參數(shù)和織物厚度測量結(jié)果

紗線性能參數(shù)如表2所示。并基于這些參數(shù)對織物的幾何模型進行準確構(gòu)建。

表2 紗線性能參數(shù)

4.2 織物幾何建模

4.2.1 方平織物

2/2方平組織是在平紋的基礎(chǔ)上，經(jīng)緯方向各延長一個組織點而成［10］。圖3為2/2方平織物的電鏡照片及幾何模型。從圖中可以看出，構(gòu)建的幾何模型能夠準確反映方平織物中紗線的交織規(guī)律，其紗線截面形狀呈橢圓形。

圖3 2/2方平織物

4.2.2 斜紋織物

斜紋織物中有經(jīng)組織點和緯組織點構(gòu)成的斜線。本文選擇3/1斜紋織物，斜紋由經(jīng)浮長線構(gòu)成，圖4為其電鏡照片及幾何模型。從圖中可以看出，構(gòu)建的幾何模型能夠準確反映斜紋織物中紗線的交織規(guī)律。

圖4 3/1斜紋織物

圖5(a)為TexGen軟件直接輸出的紗線截面狀態(tài)，都呈水平態(tài);但實際上3/1斜紋為非對稱結(jié)構(gòu)，這會致使紗線實際受力左右不均衡，因此，可通過調(diào)整紗線截面使之偏轉(zhuǎn)一定角度(如:第二根經(jīng)紗截面偏轉(zhuǎn)350°、第四根經(jīng)紗截面偏轉(zhuǎn)10°)，得到圖5(b)，也即圖4(c)中的紗線截面狀態(tài)，角度偏轉(zhuǎn)后的幾何模型與實際織物截面非常相似。

圖5 紗線偏轉(zhuǎn)

4.2.3 雙層織物

雙層織物由兩個系統(tǒng)的經(jīng)紗和緯紗共同織造完成，它們分別形成織物的表層和里層。本文選擇接結(jié)雙層組織織物，即織物的表、里層緊密連接在一起(圖6)，這樣可增加織物的厚度與面密度［11］。

圖6 雙層織物

從圖6(c)的雙層織物經(jīng)紗截面照片中可以看出，由于織造時打緯力較大，經(jīng)紗受力增加，因此紗線截面形狀大小不一，經(jīng)緯紗接結(jié)處的紗線截面幾乎趨于扁平狀，且紗線截面偏轉(zhuǎn)角度也隨打緯力度的增大而增加。

因此，幾何建模時可通過設(shè)置紗線路徑及橫截面得到基本可反映照片中雙層織物紗線幾何形態(tài)的截面模型。

4.2.4 角連鎖織物

本文選擇經(jīng)角連鎖織物，其由一個系統(tǒng)的經(jīng)紗和多個系統(tǒng)的緯紗組成，經(jīng)紗與各層緯紗呈一定角度依次交織［12］。角連鎖織物因易于變形且在厚度上明顯優(yōu)于二維織物，故被廣泛用作增強材料。如可根據(jù)實際需要，將織物設(shè)計成二、三、四層或更多層，用于防彈衣、安全帽等防護裝備中。角連鎖織物在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域應用前景廣闊。

圖7 角連鎖織物

圖7(a)中，角連鎖織物層與層之間呈彼此交錯疊加狀態(tài)，緯紗截面相互繞結(jié)、疊加。建模時可采用改變和調(diào)整紗線坐標等方法得到織物幾何模型，且所得模型能夠較準確地反映織物中紗線的交織規(guī)律［圖7(b)］。其中，經(jīng)紗模型更能反映紗線交錯疊加的狀態(tài)及紗線的截面形狀［圖7(c)］;而緯紗因?qū)訉咏诲e疊加使紗線受力不勻，導致緯紗截面與模型有一定差距［圖7(d)］。因此，三維織物幾何模擬將是今后研究的重點方向。

5 結(jié)論

通過實際測量獲得了紗線和織物的各項結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，并根據(jù)紗線的交織路徑和截面形狀，構(gòu)建出了四種不同組織(二維方平組織、3/1斜紋組織、雙層斜紋組織，以及三維角連鎖組織)、不同厚度的玻璃纖維織物幾何模型，且所構(gòu)建的幾何模型可導入Ansys、Abaqus等大型軟件，用于預測織物的熱防護、力學沖擊和彎曲等性能，可為高性能功能紡織材料的研發(fā)和性能評估提供理論基礎(chǔ)。

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Study on automated geometric modeling for glass fiber woven fabric

Zhang Yushuang1，Wang Hongmei1，Zhao Xiaoming1，2，Zheng Zhenrong1，2
(1.College of Textiles，Tianjin Polytechnic University; (2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University)

There was a great relationship between fabric structure and its properties.Four kinds of glass fiber fabricswith different structures，which were the single-layer fabric of basket and twill，double twill，and three-layer interlock fabric，were designed and woven，and the geometric structures of these fabrics were simulated.The results showed that，based on the physical structure parameters of yarns and the actual photoes of fabrics，itwas possible to create geometricmodels of fabrics，and themodels could reflect spatial structure of the yarns.

glass fiber，yarn，geometric structure，model

TP391;TS156

:A

:1004－7093(2015)09－0026－05

*國家自然科學基金項目(51206122);天津市應用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(13JCQNJC03000)

2014－12－24

張玉雙，女，1990年生，在讀碩士研究生。研究方向為熱防護材料的制備。

趙曉明，E-mail:tex_zhao@163.com