吳佳佳， 唐 虹

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

應(yīng)用ABAQUS的織物熱傳遞有限元分析

吳佳佳， 唐 虹

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

為拓展機(jī)織物熱舒適性設(shè)計(jì)、評(píng)估和優(yōu)化的思路，提供一種有效預(yù)測(cè)織物熱阻的方法，基于織物的三維模型及傳熱學(xué)理論，對(duì)織物系統(tǒng)進(jìn)行一維熱傳遞的數(shù)值模擬，得到織物傳熱過程中的溫度分布特征。利用顯微圖像及切片技術(shù)獲取織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立平紋織物的幾何模型，并與紗線周圍靜止空氣裝配，構(gòu)成織物系統(tǒng)的三維模型，借助有限元分析軟件ABAQUS，根據(jù)模擬環(huán)境設(shè)置邊界條件與相互作用，計(jì)算模型的數(shù)值解。最后通過模擬皮膚散熱的恒溫平板實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示：織物外表面溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值隨時(shí)間變化的一致性較好，理論熱阻值與實(shí)驗(yàn)熱阻值相對(duì)誤差為3.9%，二者吻合度較高。

織物； 幾何模型； 熱傳遞； 數(shù)值模擬； 熱阻

織物作為人體與環(huán)境熱交換平衡的媒介，其熱傳遞性能直接影響人體生理的舒適性。近年來，研究人員對(duì)織物傳熱模型的理論與計(jì)算進(jìn)行了深入的研究。Bhattacharjee等[1]根據(jù)pierce橢圓模型描述織物的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，由材料的熱物性參數(shù)與織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了織物總熱阻的預(yù)測(cè)方程。范堅(jiān)等[2]建立了織物單元結(jié)構(gòu)一維、二維傳熱的數(shù)值模型，得到織物結(jié)構(gòu)，包括紗線位置與彎曲方向及織物纖維對(duì)織物內(nèi)部溫度分布的影響規(guī)律，這類研究主要基于織物材料特性與結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合具體情況做出進(jìn)一步的假設(shè)，給出邊界條件以求解數(shù)學(xué)模型[3-4]。

由于熱量通過紡織品傳遞時(shí)的動(dòng)態(tài)性及影響因素的非線性，導(dǎo)致復(fù)雜傳熱模型的求解非常困難，往往需要借助計(jì)算軟件編程運(yùn)算[5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，織物三維建模軟件的應(yīng)用突破了需將織物簡(jiǎn)化為勻質(zhì)平板進(jìn)行傳熱分析的局限，使織物的幾何表達(dá)更符合實(shí)際情況，同時(shí)有限元軟件的引入，實(shí)現(xiàn)了模型求解的準(zhǔn)確性與高效率[6-8]。

本文通過實(shí)測(cè)平紋織物的組織結(jié)構(gòu)與交織規(guī)律，構(gòu)建織物的三維幾何模型，利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)織物系統(tǒng)模型的傳熱過程進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)織物系統(tǒng)的總熱阻以及織物外表面的溫度變化，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 織物幾何模型建立

1.1 幾何模型參數(shù)的獲取

麻纖維織物具有優(yōu)良的吸濕、透濕、散熱性以及天然的抗菌、抑菌等功能，引入棉纖維混紡可改善麻纖維成紗質(zhì)量與織物手感，因而麻/棉混紡織物在夏季面料中較為常見，本文以經(jīng)緯紗均為麻/棉(70/30)混紡紗的平紋織物為研究對(duì)象，織物面密度為130 g/m2，經(jīng)紗線密度為18 tex，緯紗線密度為35 tex，經(jīng)緯密為250根/10 cm×210根/10 cm。

通過切片及顯微圖像技術(shù)[9]獲取織物的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和紗線截面形態(tài)，切片前用火棉膠對(duì)織物進(jìn)行包埋處理，固定織物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，防止紗線松散，沿著同一根紗線的直徑進(jìn)行切片，以保證切片能呈現(xiàn)紗線真實(shí)的截面形態(tài)及屈曲狀態(tài)。在織物不同部位的顯微照片上多次測(cè)量取平均值，表1示出實(shí)測(cè)織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

考慮織物表面毛羽的影響，機(jī)織物的厚度包括含毛羽的厚度以及織物結(jié)構(gòu)相厚度，二者關(guān)系[10]為

式中：△TH為毛羽的平均高度；TS為織物中支持面紗線的屈曲波高與該紗直徑之和，由織物截面切片測(cè)量而得；Tmax為低負(fù)荷(2 g/cm2)下織物的平均厚度。本文中織物模型厚度由TS確定，空氣模型厚度由Tmax確定，分別為0.285 mm和0.295 mm。

1.2 織物模型的建立

利用TexGen軟件建立平紋織物的三維幾何模型，輸入織物厚度、紗線根數(shù)、紗線寬度、高度及間距，構(gòu)建經(jīng)緯組織點(diǎn)自動(dòng)生成平紋組織。調(diào)整織物模型，在 Peirce 模型的基礎(chǔ)上，采用B樣條曲線描述紗線屈曲形態(tài)，用橢圓形描述截面形狀，紗線交織接觸，避免紗線彎曲處出現(xiàn)尖角和交叉，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化控制，構(gòu)建平紋機(jī)織物紗線空間的曲面模型，最后選擇以stp格式導(dǎo)出模型[11-12]。圖1示出織物平面和截面切片的顯微圖與模型圖。

圖1 平紋織物

2 有限元傳熱分析

2.1 假設(shè)條件

由傳熱學(xué)理論[13]可知，當(dāng)織物的縱向厚度遠(yuǎn)小于橫向的長(zhǎng)度和寬度時(shí)，可認(rèn)為它的導(dǎo)熱只沿厚度方向進(jìn)行。為了簡(jiǎn)化問題，本文將模型內(nèi)部的傳熱視為沿織物平面法向的一維傳熱，其他方向的邊界絕熱，且纖維材料為各向同性。由于模擬的是常規(guī)情況下的熱量傳遞過程，織物系統(tǒng)內(nèi)部之間的溫差及織物與環(huán)境間的溫差都較小，因此忽略熱輻射的作用，只考慮紗線與周圍靜止空氣的熱傳導(dǎo)，以及織物系統(tǒng)外表面與環(huán)境對(duì)流換熱，忽略紗線中纖維孔隙與水分的傳熱。

2.2 前處理

在軟件ABAQUS/CAE中導(dǎo)入織物部件后，創(chuàng)建紗線周圍的空氣部件，通過定位將二者裝配為包含靜止空氣的織物系統(tǒng)模型，并賦予紗線與空氣截面相應(yīng)的材料屬性[14]。假設(shè)紗線為麻、棉的勻質(zhì)實(shí)體，忽略紗線內(nèi)纖維間的空氣，且熱通道為棉、麻纖維并聯(lián)，紗線的導(dǎo)熱系數(shù)K按下式[13]計(jì)算：

式中：ε為棉纖維含量；kc為棉纖維導(dǎo)熱系數(shù)；kl為麻纖維導(dǎo)熱系數(shù)。表2示出棉、麻纖維與空氣的熱物理性質(zhì)參數(shù)。

表2 材料的物理性質(zhì)

在ABAQUS中統(tǒng)一以mm為單位。采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)將整個(gè)模型分為61 034個(gè)DC3D4單元，圖2示出劃分網(wǎng)格的織物與空氣模型。

圖2 網(wǎng)格模型

2.3 分析計(jì)算

創(chuàng)建初始分析步，定義預(yù)定義場(chǎng)。假設(shè)環(huán)境為夏季舒適的空調(diào)室內(nèi)環(huán)境，將整個(gè)模型的初始溫度設(shè)定為24.5 ℃。創(chuàng)建后續(xù)分析步，編輯相互作用，設(shè)置紗線表面與周圍靜止空氣間的接觸熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)率為2.34×10-5W/(mm·℃)；按第1類邊界條件給定邊界溫度，織物內(nèi)表面貼近皮膚，溫度逐漸上升，以皮膚溫度確定模型內(nèi)表面的最終溫度為32 ℃，設(shè)置溫度幅值，T0為逐步增大的溫度載荷；設(shè)置模型外表面與外界環(huán)境的對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·℃)。設(shè)定分析步的總長(zhǎng)為540 s，固定步長(zhǎng)即間隔時(shí)間為20 s。

在關(guān)鍵詞編輯器中輸入*CONTACT PRINT命令，添加關(guān)鍵詞SOH與SOAREA，分別輸出通過模型的熱流量(10-3W)與垂直熱流方向的面積(mm2)；輸入*Node Print命令，添加關(guān)鍵詞NT11，輸出模型外表面節(jié)點(diǎn)上的溫度，所有設(shè)置完成后提交作業(yè)進(jìn)行運(yùn)算。

2.4 后處理

在可視化模塊中可查看不同時(shí)間進(jìn)程下模型的溫度云紋圖，在DAT文件中查詢每個(gè)分析步下模型熱流量φ與外表面上所有節(jié)點(diǎn)溫度，并求出外表面的平均溫度TL。圖3示出540 s時(shí)模型的溫度場(chǎng)分布，織物的溫度沿著熱量傳遞方向逐漸遞減，紗線交織區(qū)域的外表面溫度低于其他區(qū)域。

圖3 540 s時(shí)模型的溫度場(chǎng)分布

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 外表面溫度

控溫室環(huán)境溫度設(shè)定為24.5℃，用恒溫加熱板模擬皮膚散熱，將溫度傳感器的觸點(diǎn)置于織物的外表面，織物平鋪在(32±0.2)℃的恒溫板上，取外表面上6個(gè)觸點(diǎn)的溫度平均值TL，內(nèi)表面溫度平均值T0。每隔20 s記錄織物的升溫過程，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖4所示。

圖4 恒溫平板散熱實(shí)驗(yàn)示意圖

圖 5示出織物外表面平均溫度隨時(shí)間變化的曲線?？梢钥闯瞿M溫度曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度曲線有較好的一致性，模型能較好地反映織物系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)傳熱過程?？椢锿獗砻媾c周圍環(huán)境存在對(duì)流換熱，最終達(dá)到傳熱平衡，傳熱平衡時(shí)織物外表面溫度為30.90 ℃，模擬值為30.33 ℃，二者結(jié)果較吻合?？椢锵到y(tǒng)的溫度分布由內(nèi)表面沿厚度方向逐步降低，模擬值表示的是織物系統(tǒng)外表面的平均溫度，實(shí)際測(cè)量時(shí)溫度探針與織物表面接觸，表面毛羽被擠壓，厚度減小，導(dǎo)致測(cè)量值略高于模擬值。

圖5 織物外表面平均溫度變化

3.2 織物系統(tǒng)總熱阻

根據(jù)傅里葉定律計(jì)算織物系統(tǒng)的總熱阻。

式中：q為熱流密度，10-3W/mm2；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，10-3W/(mm·℃)；A為垂直熱流方向的面積，mm2；△T=TL-T0。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，傳熱平衡時(shí)織物的內(nèi)外表面溫度差為1.67 ℃，熱流密度為0.059 2×10-3W/mm2，計(jì)算得織物系統(tǒng)的總熱阻為0.028 19 m2·℃/W。利用YG606平板式保溫儀測(cè)得織物的熱阻為0.027 13 m2·℃/W，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差為3.9%，二者較吻合。

4 結(jié) 語

本文模擬熱量通過織物系統(tǒng)傳到室內(nèi)環(huán)境的一維散熱過程，建立織物系統(tǒng)的三維模型，考慮了織物幾何結(jié)構(gòu)的影響與紗線周圍靜止空氣的熱傳遞，以溫度-時(shí)間曲線記錄了織物的熱響應(yīng)過程。在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中，計(jì)算得到織物系統(tǒng)的總熱阻，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差為3.9%。今后還應(yīng)建立人體皮膚-織物-外界環(huán)境系統(tǒng)的傳熱模型，以直觀反映體表皮膚的散熱速率與冷熱刺激感。

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ABAQUS based finite element analysis of heat transfer through woven fabrics

WU Jiajia, TANG Hong

(SchoolofTextileandClothing,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

In order to expand the research approaches of woven fabric design, evaluation and optimization of thermal comfort, an effective method to predict the thermal resistance of fabric was provided.The numerical simulation of heat transfer through fabric in one direction was investigated according to heat transfer theory and fabric 3-D models, and the temperature distribution in dynamic heat transfer process was described. A geometric model of plain weave fabric was established based on geometrical structure parameters using microscopic image and slicing techniques . The fabric system was assembled by fabric model and still air model around the yarn. The boundary conditions and the interaction were set according to simulation condition and the numerical solution was calculated by the finite element analysis software ABAQUS.The constant temperature flat test simulating the skin heat lose was conducted to verify the validity of the heat transfer model, the results show that the outside surface temperature from simulations and experiments had a good consistency over the time, the error range between the theoretical thermal resistance and the experimental one is 3.9%, and the two results coincided very well.

fabric; geometric model; heat transfer; numerical simulation; thermal resistance

10.13475/j.fzxb.20150802405

2015-08-13

2016-05-20

江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金—前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2014081- 04)

吳佳佳(1991—)，女，碩士生。研究方向?yàn)楣δ苄约徔椘放c服裝舒適性。 唐虹，通信作者，E-mail:tang.h@ntu.edu.cn。

TS 101.8

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