李瑛慧 謝春萍 劉新金 蘇旭中

摘要： 為了在織物設計時可以依據(jù)織造原料的紗線性能來估算織物的拉伸性能，以預測、優(yōu)化織物的拉伸性能，對織物的整個拉伸過程做了有限元仿真和試驗驗證。選用規(guī)格相近的滌綸仿真絲和真絲織物，借助超景深數(shù)碼顯微鏡VHX-5000測量織物試樣，獲得紗線的幾何結構參數(shù)，運用AutoCAD軟件構建織物三維系統(tǒng)的有限元模型；并運用有限元軟件Ansys，設置載荷和邊界條件，求解拉伸載荷的仿真數(shù)值結果；最后將有限元模擬結果與試驗結果相對比。結果表明：織物拉伸模擬曲線與實驗曲線基本相同，證明有限元仿真的可行性；滌綸仿真絲和真絲織物的拉伸曲線在拉伸初始階段和斷裂階段有明顯差異。

關鍵詞： 拉伸力學性能；真絲織物；滌綸仿真絲織物；有限元仿真；試驗驗證

中圖分類號： TS101.923文獻標志碼： A文章編號： 1001-7003（2018）03-0027-05引用頁碼： 031105

Abstract： In order to evaluate and optimize tensile mechanical properties of fabrics according to yarn properties of weaving materials in fabric design， finite element simulation and experimental verification of the whole tensile process were made for the fabric. Polyester silk-like and silk fabrics with similar specifications were chosen， and the fabric samples were measured with super depth of field digital microscope VHX-5000 to gain the geometry parameters of the yarns. The three-dimensional finite element model was built by AutoCAD. Then， the load and the boundary conditions were set by applying the finite element software Ansys to solve simulation results of tensile load. Lastly， the finite element simulation results and experimental results were compared. The results indicate that the tensile simulation curves and experimental curves are basically similar， verifying the feasibility of finite element simulation. There are obvious differences between silk fabrics and polyester silk-like fabrics in the initial stage and breaking stage of tensile curves.

Key words： tensile mechanical properties； silk fabrics； polyester silk-like fabrics； finite element simulation； experimental verification

真絲被譽為“纖維皇后”，其制成的織物手感滑爽，格調高雅，輕盈飄逸，吸濕懸垂[1]，歷來受到人們的喜愛。隨著國內外市場對真絲織物的需求越來越大，加之天然條件有限，蠶絲產量難以滿足日益突出的消費要求，從而使仿真絲織物得到迅速發(fā)展和重視。滌綸仿真絲織物是目前市面上流行最廣泛的人造絲織物。滌綸作為國內產量最大的化學纖維，其物理機械性能與真絲較相近[2]，本文將對真絲和滌綸仿真絲織物進行對比分析，揭示其拉伸力學性能的差異。

織物的力學性能是評價其質量的一個重要指標。拉伸試驗被廣泛應用于織物力學性能的研究，很多學者已經對織物的拉伸力學性能做了大量的研究。李焰[3]從不同方向測試了機織物的力學性能，比較了同一織物試樣不同方向的拉伸和彎曲性能。肖繼海等[4]運用BP神經網絡技術預測織物拉伸、懸垂、熱傳遞等性能。Pierre等[5]利用X線斷層攝影術獲得結構圖像，并運用有限元從纖維層面模擬織物破壞的機械行為，研究織物的力學性能。Tomislay等[6]使用人工神經網絡ANN方法建立織物拉伸性能的人工神經網絡預測系統(tǒng)，用于預測織物的拉伸性能。施晨陽等[7]運用高速攝像機拍攝滌塔夫織物拉伸的全過程，分析拉伸直至斷裂過程中的數(shù)字化信息。本文利用有限元軟件Ansys對絲織物的拉伸性能進行仿真，通過紗線的拉伸性能對織物的拉伸力學性能進行預測，使設計時能有效地控制和優(yōu)化織物拉伸性能。

1織物細觀模型建立

1.1織物試樣

選用目前市面上銷售的規(guī)格相近的真絲織物（杭州絲繡麗語服飾有限公司）和滌綸仿真絲織物（蘇州美耀紡織有限公司），按照實際織物拉伸試驗樣品尺寸（100mm×25mm），建立這兩種織物物理模型，對織物拉伸力學性能進行有限元分析。表1為兩種織物的規(guī)格和結構參數(shù)。

1.2織物細觀模型構建

測量紗線和織物的幾何結構數(shù)據(jù)，建立基于織物組織的真實微觀模型。先用環(huán)氧樹脂處理織物，使織物固化，便于觀察織物的截面。利用VHX-5000超景深數(shù)碼顯微鏡觀察并測量織物的橫截面，由于紗線橫截面不是標準的圓或者橢圓，將紗線截面近似為橢圓，從而確保紗線與紗線足夠接觸，并且防止紗線模型接觸過盈[8]。由于兩種織物規(guī)格相近，采用統(tǒng)一的織物結構模型，在誤差范圍內，便于比較分析，織物經向截面的幾何結構如圖1所示?？椢锛氂^模型在AutoCAD軟件中建立，坐標原點及坐標軸方向標注在圖示位置，如圖2所示?？椢锏募氂^模型的幾何結構參數(shù)如表2所示。

2織物拉伸力學性能有限元分析

2.1紗線拉伸試驗

為得到紗線拉伸力學的各項參數(shù)，將紗線從織物中取出，進行拉伸試驗[9]。在Ansys有限元軟件中設置紗線拉伸試驗的相關數(shù)據(jù)，并運行模擬計算。試樣1和2，從織物的不同部分隨機抽出經紗和緯紗各50根，參照GB/T3362—2005《碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》測試紗線拉伸性能，制成長度是150mm的紗線試樣。拉伸儀器使用YG020型等速伸長型強力儀，拉伸速度設置為100mm/min，分別進行兩種紗線的拉伸試驗。每種紗線測10次，最終的實驗結果取平均值，如表3所示。

2.2定義材料模型

先確定各向同性線彈性材料，輸入對應的彈性模量和泊松比，再定義非彈性各向同性材料模型，輸入相應的彈性極限和與等向強化材料有關的材料參數(shù)。材料服從非線性等向強化規(guī)律，這種材料模型特別適合大變形位移分析。

2.3單元選擇和網格劃分

紗線選用Solid186三維固體結構單元，該單元擁有二次位移模式，可以對不規(guī)整的網格進行計算，能夠更好地兼容CAD/CAM系統(tǒng)建立的物理模型。并且該單元有20個節(jié)點，每個節(jié)點有X、Y、Z三個方向的自由度，具有任意空間的各向異性。選用接觸單元CONTA174和目標單元TARGE170對經紗和緯紗相互接觸部分進行定義。由于組成織物的紗線十分規(guī)整，所以選用六面體單元，采用體掃略的方式劃分網格。劃分網格后的織物模型如圖3所示。

2.4定義邊界條件和載荷

如圖3所示，劃分網格后的織物模型左端面（即所有經紗左邊橫截面）所有節(jié)點，施加全約束。選擇模型上端面（即所有緯紗上邊橫截面）和下端面（即所有緯紗下邊橫截面）施加Y方向和Z方向的約束。模型右端面（即所有經紗右邊橫截面）施加Y方向和Z方向的約束，X方向施加速度載荷為100mm/min。

2.5設置分析選項并求解

激活靜力學分析，設置大變形選項，載荷加載方式選用斜坡加載，采用大變形選項和斜坡加載載荷方式是為了防止紗線拉伸過程產生大變形導致結果不收斂，再定義載荷步和載荷子步，并進行有限元求解。對計算結果進行后處理，得到織物拉伸應力云圖，圖4（a）（b）分別是真絲和滌綸仿真絲織物載荷步為20時的拉伸應力云圖。

從圖4可以看出，沿織物拉伸方向的紗線受到的力遠遠大于非拉伸方向紗線。沿著經紗方向拉伸時，在經紗拉伸方向上，經紗承受了絕大部分的拉力，緯紗僅受到了經緯紗相互摩擦產生的摩擦力，這個摩擦力與經紗和緯紗間的摩擦因數(shù)有關[10]。從圖4還可以看出，應力主要集中在經緯紗交界處，這是因為當織物受到拉伸時，拉伸方向的紗線屈曲被伸直，帶動非拉伸方向的紗線更加屈曲，非受拉紗線給受拉紗線一個反作用力，使得經緯紗間應力較大，織物在經緯紗交界處更易斷裂。

3織物拉伸試驗驗證

織物拉伸斷裂試驗時，使用扯邊紗條樣法，將試樣剪成寬度為40mm，扯去兩邊邊紗后，最終寬度為25mm，試樣長度為200mm，測試夾持長度為100mm，每種試樣制作5條經向樣布。使用Instron萬能試驗儀對織物經向進行拉伸性能測試，設置拉伸速度為100mm/min，預加張力為5N，每種樣布經向測試5次。Instron測試得到的織物應力-應變曲線，以及Ansys模擬提取值經轉化得到的應力-應變曲線，如圖5所示。

由圖5可以看出，滌綸仿真絲和真絲織物的應力變化范圍大致相同，最大應力相差不大，但拉伸過程中的應變-應力變化趨勢有所差異。圖5（a）滌綸仿真絲織物的實際拉伸過程總體分為4個階段：第1階段主要是滌綸織物的彈性變形區(qū)域，紗線承受的應力迅速增加；第2階段主要是滌綸織物的屈服變形區(qū)域，織物所受力超過了屈服應力，紗線被拉細；第3階段主要是由于紗線和纖維斷裂的不同時性，造成該階段應力波動；第4階段是絕大部分紗線斷裂，織物最終斷裂。圖5（b）真絲織物的拉伸過程總體可分為4個階段：第1階段是真絲織物中拉伸徑向紗線由屈曲到伸直的過程；第2階段是真絲的彈性變形部分，被伸直的紗線承擔更多的應力；第3階段是由于紗線斷裂的不同時性，該階段曲線的斜率略小于第2階段；第4階段涉及絕大部分紗線斷裂，織物最終斷裂。

滌綸仿真絲與真絲拉伸曲線趨勢在第1階段和第3階段明顯不同，其中第1階段不同是因為，滌綸有較高的初始模量，抵抗外力變形的能力較好，在受到外界拉力時，其承受的應力增加較快；而真絲織物因為縐效用，長絲屈曲較多，在拉伸的初始階段表現(xiàn)為長絲的屈曲伸直過程。另外第3階段不同是因為，滌綸仿真絲織物的長絲伸長性較好，使得紗線斷裂時更隨機，應力波動較大；而真絲斷裂時，相對更集中統(tǒng)一，斷裂時應力波動較小。

對比滌綸仿真絲的試驗拉伸曲線和模擬拉伸曲線，織物拉伸的第1階段，試驗值大于模擬值，這是因為在實際織物拉伸試驗時，給了織物必要的預加張力，紗線在一定程度上被拉直，在同樣的應變情況下，試驗曲線比模擬曲線有更大的應力?？椢锢斓搅说?、3階段，在相同的應變下，試驗應力值逐漸小于模擬值，這是因為模擬時，紗線選用的是彈性材料模型，而實際上紗線的斷裂是隨機的。織物拉伸的第3階段，試驗應力值出現(xiàn)波動，而模擬值呈現(xiàn)近乎脆性的斷裂，這是因為模擬過程中織物建模時每根紗線是一個整體，實際上紗線是由若干纖維構成的，拉伸斷裂會呈現(xiàn)不同時性。進一步對比真絲的試驗拉伸曲線和模擬拉伸曲線，兩者曲線基本吻合。綜合來看，有限元模擬織物拉伸斷裂具有可行性。

4結論

本文借助超景深數(shù)碼顯微鏡VHX-5000觀察并測量紗線和織物的幾何構型參數(shù)，利用制圖軟件AutoCAD建立織物系統(tǒng)的有限元模型?；谟邢拊浖嗀nsys對真絲和滌綸仿真絲織物進行拉伸力學性能的仿真，最后將仿真結果與試驗結果相比較，發(fā)現(xiàn)織物拉伸模擬曲線與試驗曲線總體趨勢大致相同，滌綸仿真絲和真絲織物的拉伸曲線在拉伸初始階段和斷裂階段有明顯差異。本文證明了有限元仿真分析的有效可行性，為有限元分析織物的其他性能提供了依據(jù)。

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