王龍龍， 戴惠良， 梁 慶

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

簇絨地毯對織造工藝的要求極為嚴格，紗線跟隨簇絨針在底布上往復穿梭，與成圈鉤或割刀執(zhí)行機構(gòu)按時序配合形成絨簇(又稱割絨或圏絨)。底布一端卷繞在導布軋輥上，另一端卷繞在地毯成卷機構(gòu)上，中間由卷布刺輥調(diào)節(jié)張力[1]，極易出現(xiàn)底布受力不均現(xiàn)象，導致毯面絨簇高低不平，嚴重影響地毯平整度。簇絨成形原理圖如圖1所示。

簇絨針刺入與拔出底布為高速瞬間完成的響應(yīng)過程，在此過程中底布會經(jīng)歷彈性、塑性變形以及破壞失效等階段[2]。而簇絨針在刺入底布時，底布的響應(yīng)情況作為簇絨工藝的重要部分，很難借助試驗進行分析。目前受限于理論及試驗條件，有關(guān)簇絨底布破壞失效等問題的文獻資料少有公開發(fā)表。隨著有限元仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，借助于仿真技術(shù)研究底布的破壞失效規(guī)律開始具備條件。Xie等[3]結(jié)合RVE(representative volume element)提出一種基于虛擬纖維概念的數(shù)值分析方法，建立了二維斜紋無紡布模型，研究了織物層的針刺過程，但僅從工藝上研究了簇絨預制件的損傷影響。Martins等[4]研究了簇絨沖擊對碳纖維復合材料失效性能的影響，利用聲發(fā)射技術(shù)聚類識別沖擊信號來評估破壞區(qū)域，并借助DIC(digital image correlation)技術(shù)評估了紗線應(yīng)變場對簇絨增強效應(yīng)的敏感因子，但未涉及織物應(yīng)力場的變化情況。Henao等[5]基于夾層簇絨織物的力學性能，結(jié)合三點彎曲試驗以及邊緣壓縮試驗，研究了不同簇絨密度對夾層結(jié)構(gòu)分層纖維失效規(guī)律的影響程度，但未考慮到機織物的整體破壞變形。Liu等[6]研究了簇絨三維織物在沖壓過程中的預成型行為，并比較了簇絨參數(shù)對簇絨紗線簇入、層間滑動行為的影響，但也未涉及機織物的整體破壞情況。以上研究僅針對紗線纖維變形或簇絨工藝，并不適用于織物整體的破壞變形。

本文以材料失效與強度理論為基礎(chǔ)，借助ANSYS LS-DYNA/Explicit Dynamics非線性動力分析方法，模擬了簇絨針穿刺底布的響應(yīng)過程，揭示底布的失效破壞機理，有助于優(yōu)化簇絨針的設(shè)計，可為分析地毯底布組織的線彈性行為提供參考。

1 針布模型材料特性

為真實還原簇絨過程，選用GROZ-BECKERT公司生產(chǎn)的SAN?-S系列1/8″-5針排的簇絨針作為研究對象，利用UG軟件構(gòu)建簇絨針模型，簇絨針力學特性參數(shù)如表1所示。為防止網(wǎng)格畸變，刪除針體倒角。

表1 簇絨針特性參數(shù)

選用底布類別為聚丙烯(polypropylene， PP)非織造布，中間層為經(jīng)緯交錯而成，邊緣層為短纖維隨機排列加固而成。PP屬于熱塑性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系除與本身特性相關(guān)外，還與時間歷程相關(guān)。為準確獲取底布材料參數(shù)，可選用彈塑性模型并借助Cowper-Symonds模型構(gòu)建PP材料的力學模型本構(gòu)關(guān)系，此應(yīng)力-應(yīng)變模型通過應(yīng)變速率來確定材料屈服點，進而擬合出不同應(yīng)變速率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同應(yīng)變速率下的屈服應(yīng)力計算如式(1)所示。

(1)

(2)

經(jīng)式(1)和(2)聯(lián)立計算得到地毯底布特性參數(shù)，如表2所示?？紤]到需消除可能出現(xiàn)的有限元模型單元剛度矩陣的奇異性，進而保證計算收斂性，做出如下假設(shè)[7-8]：短纖維為各向同性材料；纖維隨機排列在一起，纖維之間的間隙忽略不計。

表2 地毯底布特性參數(shù)

簇絨針設(shè)置為剛體，穿刺前后不變形，底布設(shè)為柔性體。建立簇絨地毯針布耦合模型如圖2所示，其中，TS表示針布耦合有限元模型，TR表示針布耦合試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

2 有限元模型及失效理論

2.1 有限元模型

利用LS-DYNA軟件再現(xiàn)模擬針布耦合簇絨動態(tài)過程，并選取典型時刻求解工況進行呈現(xiàn)[9-10]。簇絨針穿刺底布失效破壞發(fā)生在非織造布經(jīng)、緯紗交錯居中區(qū)域，根據(jù)對稱性，可以選取1/2有限元模型進行顯式動力學仿真[11]。劃分網(wǎng)格并施加邊界條件得到簇絨有限元模型如圖3所示。簇絨針選擇剛體并設(shè)置切面法向零位移標簽E，底布選擇柔性體并設(shè)置切面法向零位移標簽E及三面固定標簽A-C，簇絨針添加速度標簽D，簇絨針與底布之間的接觸類型設(shè)置為摩擦接觸且摩擦因數(shù)分別取0.2、0.3和0.4，簇絨針及底布的單元網(wǎng)格劃分方法選擇以六面體單元為主。將設(shè)置好邊界條件的有限元模型導出為K文件并提交LS-DYNA求解器。

2.2 失效理論

簇絨針在穿刺時，底布會經(jīng)歷彈性變形、塑性變形直至失效破壞等階段。ANSYS/LS-DYNA定義的彈塑性材料的經(jīng)典破壞失效理論有Johnson-Cook準則、塑性準則、剪切準則等，對應(yīng)階段依次為無損階段、損傷開始、損傷擴展及失效消失。底布的破壞失效是由于有限元模型中節(jié)點的應(yīng)力集中導致單元網(wǎng)格的斷裂以及局部剪切應(yīng)力引起的纖維撕裂，因此底布破壞失效準則應(yīng)包括塑性及剪切準則，一旦達到對應(yīng)條件就會按照相應(yīng)準則的演化規(guī)律出現(xiàn)損傷。

因簇絨針的穿刺而導致底布單元失效破壞的規(guī)律，反映出對應(yīng)材料失效準則在有限元模型中演繹的網(wǎng)格退化規(guī)律。在ANSYS LS-DYNA顯式動力學環(huán)境當中，底布材料的網(wǎng)格失效模式遵循非線性累積損傷理論及材料強度理論，表達累積損傷如式(3)所示。

(3)

3 仿真結(jié)果分析

在LS-DYNA環(huán)境中設(shè)置簇絨針的穿刺速度為2 000 mm/s，仿真時間為180 ms，為保證收斂性，仿真迭代子步設(shè)置為6×10-5s。調(diào)用后處理器LS-PrePost讀取d3plot文件，可進行應(yīng)力、應(yīng)變、能量等曲線輸出。簇絨針穿刺過程中不同時刻對應(yīng)的底布單元失效規(guī)律如圖4所示，根據(jù)右側(cè)Von Mises應(yīng)力等級色條即可判斷底布各時刻的應(yīng)力分布情況(LS-DYNA默認單位kPa)。

由圖4(a)可以看出，t=3 ms時，底布自穿刺點呈現(xiàn)出應(yīng)力梯度衰減，中心區(qū)域等效最高應(yīng)力約為167.8 MPa。由圖4(b)可以看出，t=20 ms時，與簇絨針接觸區(qū)域底布單元接近失效極限最高應(yīng)力約為260.8 MPa。由圖4(c)可看出，t=25 ms時，簇絨針接觸區(qū)域的底布單元失效消失，底布整體輕微向上收縮，周圍單元繼續(xù)產(chǎn)生新應(yīng)力梯度，應(yīng)力極大值約為134.8 MPa。由圖4(d)可以看出，t=52 ms時，簇絨針針尖幾乎全部刺入，底布整體變形有恢復平面趨勢，應(yīng)力梯度區(qū)域進一步擴大，等效應(yīng)力約為71.52 MPa。由圖4(e)可以看出，t=100 ms時，斷面纖維開始與針形狀分界面接觸，等效應(yīng)力增加至91.71 MPa。由圖4(f)可以看出，t=136 ms時，布受力情況開始隨著針截面形狀的變化而變化。綜上所述可知，有限元仿真結(jié)果與實際基本相符，說明有限元模型基本正確。

穿刺過程中，選取簇絨針與底布之間不同摩擦因數(shù)(μ=0.2～0.4)時，底布單元節(jié)點受力隨針刺深度的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，底布單元節(jié)點的受力規(guī)律近似呈“M”形，出現(xiàn)2次節(jié)點峰值，第一次峰值出現(xiàn)是由針布接觸區(qū)域受壓、周圍受拉所致，第二次峰值出現(xiàn)是破壞區(qū)周圍纖維穿入針穿紗孔所致，且兩次峰值之間對應(yīng)的針刺深度本質(zhì)上等于針體截面形狀變化分界面的距離4.8 mm。比較圖4和圖5可知，單元節(jié)點的受力情況與底布的變形情況基本符合，說明仿真結(jié)果具有一致性。

由圖5可知，以底布受力平均值為例，底布的單元節(jié)點阻力隨針刺深度變化的規(guī)律可劃分為4個階段：(1)針穿刺底布，纖維由屈曲開始拉直，節(jié)點受力迅速增至峰值0.55 N；(2)底布單元達到斷裂強度極限，斷裂后單元網(wǎng)格失效消失而不再受力，此時受力僅為簇絨針與失效區(qū)域周圍底布單元的摩擦力，摩擦力約為0.35 N；(3)周圍纖維開始穿入穿紗孔，節(jié)點力增加至0.46 N左右；(4)簇絨針繼續(xù)下移，底布纖維受力基本保持在0.10 N左右，并隨簇絨針輪廓變化而浮動。在模擬穿刺時，簇絨針拔出時的單元節(jié)點受力比較小，可以推斷，穿刺過程中大部分節(jié)點受力主要為底布纖維變形拉伸、斷裂等產(chǎn)生，針和布之間的摩擦可忽略不計(較厚的底布穿刺摩擦力不應(yīng)被忽略)。

結(jié)合圖5分析結(jié)果，考慮對針尖段及針尾段進行改進，具體為扁化針尖段和棱化針尾段，針尖段、針尾段與針體段一體化連接，經(jīng)仿真驗證，簇絨針受力最大值減小為0.86 N。

圖6為不同條件下穿刺孔失效形態(tài)仿真對比圖，圖7為不同條件下穿刺孔失效試驗對比圖。TS 30或TR 30表示選取底布規(guī)格為30 mm×30 mm，TS 60或TR 60表示選取底布規(guī)格為60 mm×60 mm。為量化底布應(yīng)力云紋圖結(jié)果，利用圖像處理軟件Photoshop和ImageJ統(tǒng)計像素并添加標尺。沿圖6(a)～6(d)中的對稱線分析隨著畫線距離(應(yīng)力云譜像素)變化的熒光灰度值，如圖8所示，其中，黑色熒光灰度值為0，白色熒光灰度值為255。

由圖6可知：隨著底布規(guī)格的增加，等效應(yīng)力層梯度趨于明顯，衰減加快；隨著簇絨速度的增加，底布失效區(qū)域趨于規(guī)則圓化。由圖7可知，實際失效區(qū)域形態(tài)分別與對應(yīng)工況下仿真結(jié)果的吻合度較高。由圖8可知，隨著劃線距離逐漸增加，熒光灰度值呈階躍衰減，且與圖(6)所示的等效應(yīng)力層梯度對應(yīng)。

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)LS-DYNA顯式動力學求解結(jié)果，t=20 ms時簇絨地毯底布單元等效應(yīng)力極大值約為260.8 MPa，各單元應(yīng)力變化規(guī)律滿足材料特性曲線，超過其許用強度條件后失效消失。

(2) 提取不同摩擦因數(shù)條件下簇絨區(qū)域底布單元節(jié)點的阻力，得出其變化規(guī)律近似“M”形且出現(xiàn)2次峰值：第一次出現(xiàn)是由接觸區(qū)域中心受壓、周圍受拉所致，第二次出現(xiàn)是由斷裂纖維絨毛進入簇絨針穿紗孔所致。

(3) 同一速度下，隨著底布規(guī)格的增加，簇絨區(qū)域等效應(yīng)力層出現(xiàn)明顯梯度變化；同一規(guī)格底布條件下，簇絨速度增加導致失效區(qū)域圓周化趨勢增強。經(jīng)試驗驗證，失效區(qū)域形態(tài)與仿真結(jié)果基本吻合，說明有限元模型是正確的。