王旭輝 江文斌 王金鳳

DOI： 10.19398j.att.202309019

摘? 要：針對(duì)用紗線(xiàn)進(jìn)行緯平織物打樣試織來(lái)預(yù)測(cè)織物力學(xué)性能和外觀(guān)效果費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，通過(guò)有限元分析對(duì)5種緯平針織物進(jìn)行力學(xué)模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先拍攝織物圖像，選取19個(gè)特征點(diǎn)并獲取坐標(biāo)，用3次NURBS曲線(xiàn)對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行擬合，構(gòu)建微觀(guān)單線(xiàn)圈中心曲線(xiàn)3D模型；根據(jù)該模型建立細(xì)觀(guān)線(xiàn)圈單元模型，并通過(guò)銜接嵌套得到宏觀(guān)織物模型。然后依次利用ABAQUS軟件對(duì)單根紗線(xiàn)進(jìn)行拉伸模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其在ABAQUS中賦予的材料屬性正確性；對(duì)織物模型進(jìn)行縱向拉伸和頂破實(shí)驗(yàn)，將材料屬性在ABAQUS中賦予宏觀(guān)織物模型，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)賦予分析步并提交分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。該分析方法的應(yīng)用可降低企業(yè)的打樣成本。

關(guān)鍵詞：有限元分析；ABAQUS；力學(xué)；圖像處理；3D建模

中圖分類(lèi)號(hào)：TS195.644

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）06-0080-09

收稿日期：20230918

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20240126

基金項(xiàng)目：紡織工程國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心項(xiàng)目（2020FZ03）

作者簡(jiǎn)介：王旭輝（1998—），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事針織物開(kāi)發(fā)方面的研究。

通信作者：王金鳳，E-mail：wangjinfengwjs@163.com

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，紡織CAD技術(shù)在紡織行業(yè)尤其織物模擬中迅速發(fā)展。研究者們傾向使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)織物的力學(xué)性能預(yù)測(cè)［1-2］。這種預(yù)測(cè)方式不僅可以快速得出結(jié)果，還可以減少工作時(shí)間和成本［3］。當(dāng)前的技術(shù)主要圍繞傳統(tǒng)的Peirce模型對(duì)線(xiàn)圈模型進(jìn)行改進(jìn)［4-5］，將線(xiàn)圈模型銜接成織物模型導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行力學(xué)模擬預(yù)測(cè)［6］。然而，由于織物中的紗線(xiàn)相互交織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬計(jì)算過(guò)于龐大，因而須簡(jiǎn)化模型，但模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)現(xiàn)象存在一定的偏差。有限元的模擬分析可以將復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題拆分成有限個(gè)簡(jiǎn)單單元來(lái)進(jìn)行數(shù)值分析。孫亞博等［7］通過(guò)對(duì)筒狀緯編針織物的力學(xué)性能有限元分析模擬，其模擬值與實(shí)驗(yàn)值最小誤差保證在1.3%以?xún)?nèi)。劉倩楠等［8］利用ABAQUS軟件對(duì)三元組織的機(jī)織物拉伸狀態(tài)下能量變化進(jìn)行有限元分析模擬，驗(yàn)證了有限元分析的可行性。石若星等［9］通過(guò)對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲芳綸間隔紗織物復(fù)合板進(jìn)行壓力有限元分析模擬，得出結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相符。以上研究都表明，在織物力學(xué)性能上可使用有限元分析。

本文使用選取特征點(diǎn)的方式，利用Rhion軟件建立線(xiàn)圈的中心曲線(xiàn)，建立與真實(shí)織物1∶10的細(xì)觀(guān)模型進(jìn)行力學(xué)有限元分析，通過(guò)對(duì)5種織物的縱向拉伸和頂破的對(duì)比分析，驗(yàn)證對(duì)緯平織物力學(xué)性能使用有限元分析的可行性，期望通過(guò)該方法減少企業(yè)打樣的次數(shù)從而降低生產(chǎn)成本。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)原料

本文選用了5種緯平結(jié)構(gòu)組織的針織平紋布，具體參數(shù)見(jiàn)表1。其中1#、2#、3#、4#為相同成分不同支數(shù)的布料，5#為純棉成份且克重與4#相近的布料。滌棉織物購(gòu)買(mǎi)于紹興柯橋松璨針紡有限公司，純棉織物購(gòu)買(mǎi)于閩鴻泰紡織品公司?？椢锘緟?shù)如表1所示。

1.2? 力學(xué)性能測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定（CRE法）》，使用YG（B）021DL電子單紗強(qiáng)力機(jī)對(duì)紗線(xiàn)進(jìn)行拉伸測(cè)試。

根據(jù)GB/T 3923.1—2013 《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》、GB/T 19976—2005《紡織品 破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》使用YG026T-Ⅱ電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)織物分別進(jìn)行拉伸和頂破測(cè)試。

2? 力學(xué)性能測(cè)試分析

利用ABAQUS軟件對(duì)所建立針織緯平模型進(jìn)行力學(xué)模擬，材料屬性由單根紗線(xiàn)的拉伸性能所決

定。紗線(xiàn)由織物脫散而來(lái)，紗線(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1所示。紗線(xiàn)材料具有柔軟、耐疲勞等特點(diǎn)，因此可將其視為非線(xiàn)性彈塑性材料。根據(jù)材料特點(diǎn)得出紗線(xiàn)性能參數(shù)，如表2所示。織物應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。

3? 織物建模與有限元分析

3.1? 織物建模

本文以織物1#為例，根據(jù)上述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試參數(shù)賦予織物模型進(jìn)行有限元分析。為了保證所建模型與實(shí)際織物的一致性，使用Axio Cam Erc 5S蔡司偏光顯微鏡對(duì)織物進(jìn)行拍攝，并提取其特征點(diǎn)，對(duì)幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。首先在標(biāo)準(zhǔn)光源下使用Axio Cam Erc 5S蔡司偏光顯微鏡對(duì)織物1#進(jìn)行30倍和50倍變焦下拍攝，并在50倍變焦下對(duì)織物圖片參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，拍攝照片如圖3所示。在30倍變焦下尋找能代表大部分線(xiàn)圈形狀的線(xiàn)圈，并放大至50倍對(duì)其參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。線(xiàn)圈紗線(xiàn)直徑的測(cè)量結(jié)果如圖3（b）所示，尋找5個(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行測(cè)量其范圍為0.30～0.35 mm，直徑取值為平均值0.32 mm。

對(duì)選取的線(xiàn)圈圖像建立直角坐標(biāo)系，在線(xiàn)圈的紗線(xiàn)中心處選取合適的特征點(diǎn)，左邊第一個(gè)點(diǎn)編號(hào)為1，從左依次排序。1-4、16-19表示沉降弧，5-7、13-15表示圈柱，8-12表示針編弧，特征點(diǎn)如圖4所示。選取適當(dāng)個(gè)數(shù)的特征點(diǎn)可以保證模型的精確度和運(yùn)算數(shù)據(jù)量在合理范圍，本文選取19個(gè)點(diǎn)。

獲取特征點(diǎn)的坐標(biāo)，以測(cè)量每個(gè)特征點(diǎn)到X軸和Y軸的距離得到特征點(diǎn)的XY坐標(biāo)值。在60倍變焦下拍攝織物的橫截面測(cè)量獲取Z坐標(biāo)值，如圖5所示。獲取Z坐標(biāo)值需要測(cè)量特征點(diǎn)到XOY平

面的距離，因?yàn)榫€(xiàn)圈的對(duì)稱(chēng)性，只需要測(cè)量特征點(diǎn)1-10到XOY平面的距離即可。對(duì)所有的點(diǎn)測(cè)量完畢后，獲得每個(gè)特征點(diǎn)的XYZ坐標(biāo)，如表3所示。

將所得坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入Rhino軟件中，對(duì)各個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行3次NURBS曲線(xiàn)［10］擬合，生成線(xiàn)圈中心曲線(xiàn)，NURBS曲線(xiàn)較為靈活，可以通過(guò)改變點(diǎn)和權(quán)因子來(lái)改變曲線(xiàn)形狀，函數(shù)表達(dá)式為：

Q（t）=∑ni=0ωiCiNi，k（t）∑ni=0ωiNi，k（t）（1）

式中：t∈［tmin，tmax］；Ci為特征多邊形控制點(diǎn)的位置矢量；ωi是控制點(diǎn)Ci處的權(quán)因子；k為曲線(xiàn)次數(shù)Ni，k（t）為k次樣條基函數(shù)。微觀(guān)單線(xiàn)圈中心曲線(xiàn)模型如圖6所示。

在完成線(xiàn)圈中心曲線(xiàn)的建模后，以中線(xiàn)曲線(xiàn)為中心賦予實(shí)際測(cè)量半徑值來(lái)建立細(xì)觀(guān)單個(gè)線(xiàn)圈實(shí)體模型，如圖7所示。

為滿(mǎn)足對(duì)織物有限元分析，需要對(duì)線(xiàn)圈進(jìn)行銜接和嵌套處理形成布料。首先對(duì)單個(gè)線(xiàn)圈中心曲線(xiàn)銜接到所需長(zhǎng)度，然后以中心曲線(xiàn)上點(diǎn)為圓心，賦予實(shí)際測(cè)量值為半徑生成細(xì)觀(guān)單橫向線(xiàn)圈模型；后對(duì)細(xì)觀(guān)單橫向線(xiàn)圈進(jìn)行縱向嵌套，得到所需布料宏觀(guān)模型實(shí)體，如圖8所示。

3.2? 紗線(xiàn)及織物力學(xué)性能有限元分析

織物有限元分析具體步驟如圖9所示，為了保證計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性有限元分析模型與國(guó)標(biāo)測(cè)試尺寸為1∶10。

3.2.1? 紗線(xiàn)力學(xué)性能有限元分析

建立單根紗線(xiàn)模型并導(dǎo)入ABAQUS中，材料屬

性按照表2賦予，使用延性金屬損傷中的柔性損失作為破壞準(zhǔn)則，分析步設(shè)定為動(dòng)態(tài)顯示模式，邊界載荷設(shè)定與國(guó)標(biāo)測(cè)試一致。根據(jù)表4中所得種子（Mesh）為0.1時(shí)，在應(yīng)變?yōu)?%、4%、6%時(shí)差異率均最小，所以選用Mesh=0.1。差異率由實(shí)驗(yàn)值與模擬值的絕對(duì)值差除以模擬值得出。網(wǎng)格劃分使用C3D8R六面體單元類(lèi)型，C3D8R六面體單元具有較高的準(zhǔn)確性和靈活性，適用于線(xiàn)性和非線(xiàn)性的應(yīng)力分析，可以在保證準(zhǔn)確率的同時(shí)兼顧效率。紗線(xiàn)有限元分析圖，如圖10所示。結(jié)果對(duì)比如圖11所示。

圖11（a）為紗線(xiàn)的有限元分析拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，圖11（b）為紗線(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果的對(duì)比圖，可以看出有限元分析結(jié)果基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，詳細(xì)比較如表5所示。表5表示應(yīng)變?cè)?%、4%、6%時(shí)實(shí)驗(yàn)值與模擬值應(yīng)力差異情況，其中差異率最大為4.3%，最小差異率為0.5%，該有限元模型模擬值與實(shí)驗(yàn)值差異率均小于5%，表明了紗線(xiàn)材料屬性的有效性和有限元分析的可行性。

3.2.2? 織物力學(xué)性能有限元分析

在經(jīng)過(guò)對(duì)紗線(xiàn)的有限元模擬分析后，現(xiàn)對(duì)織物進(jìn)行拉伸、頂破性能有限元分析，本文以織物1#為例展示。

根據(jù)國(guó)標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)使用Rhino建立1∶10有限元分析模型并導(dǎo)入ABAQUS部件中并進(jìn)行裝配，按照表2紗線(xiàn)屬性進(jìn)行材料屬性設(shè)定，根據(jù)國(guó)標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邊界載荷設(shè)定；在接觸模塊中，因?yàn)榧喚€(xiàn)之間會(huì)有接觸和摩擦，根據(jù)表6、表7中數(shù)據(jù)得出，當(dāng)Mesh尺寸為0.1且摩擦系數(shù)為0.25時(shí)差異率均最小。本文選用通用接觸并且摩擦系數(shù)為0.25；網(wǎng)格劃分繼續(xù)使用C3D8R六面體單元類(lèi)型，種子尺寸為0.1，這種算法使用結(jié)構(gòu)化劃分網(wǎng)格，單元形狀規(guī)則

且均勻。圖12為織物1#縱向拉伸與頂破性能有限元分析圖和實(shí)驗(yàn)圖，從圖中可以看出：在縱向拉伸過(guò)程中主要受力為圈柱，線(xiàn)圈中的紗線(xiàn)因受力由曲變直并承受拉力，圈柱受力伸直與拉伸的方向夾角變小且圈高變長(zhǎng)，整個(gè)線(xiàn)圈逐漸變長(zhǎng)直到紗線(xiàn)斷裂；在頂破的過(guò)程中，主要的受力也為圈柱，線(xiàn)圈受力拉長(zhǎng)伸直，圈柱與鋼球運(yùn)動(dòng)方向夾角逐漸變小，受力也變大直至斷裂。

圖13為有限元分析拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和頂破位移載荷曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)值和模擬值的對(duì)比圖，拉伸與頂破的模擬值總體都比實(shí)驗(yàn)值偏高。這是因?yàn)閷?shí)際織物的紗線(xiàn)相互作用復(fù)雜，在有限元分析中網(wǎng)格劃分種子的大小影響準(zhǔn)確度。有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的上升趨勢(shì)基本一致，吻合度高。支數(shù)越大，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率提高，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

表8和表9分別為織物縱向拉伸實(shí)驗(yàn)和頂破實(shí)驗(yàn)與有限元分析結(jié)果?？椢锟v向拉伸有限元分析過(guò)程中，在應(yīng)變10%、20%時(shí)實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的差異率均小于5%，頂破有限元分析過(guò)程中最大位移量和最大位移量對(duì)應(yīng)的最大載荷模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的差異率均小于5%。證明了有限元分析模擬預(yù)測(cè)織物拉伸性能和頂破性能的結(jié)果具有參考價(jià)值。

4? 結(jié)論

本文選用了5種相同結(jié)構(gòu)組織的針織平紋布，通過(guò)5塊布料的對(duì)比更直觀(guān)得出有限元分析的可行性。使用 Axio Cam Erc 5S 蔡司偏光顯微鏡對(duì)織物進(jìn)行拍攝并選取19個(gè)特征點(diǎn)，測(cè)量其xyz坐標(biāo)值并將特征點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入Rhino軟件中，使用3次NURBS曲線(xiàn)生成線(xiàn)圈中心曲線(xiàn)，通過(guò)中心曲線(xiàn)建立細(xì)觀(guān)單橫向織物模型，將細(xì)觀(guān)單橫向織物模型嵌套后得到宏觀(guān)織物模型，這種方法可以使織物模型達(dá)到比較理想的相似度，保證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

先對(duì)紗線(xiàn)進(jìn)行拉伸實(shí)和模擬實(shí)驗(yàn)，5種織物的紗線(xiàn)差異率均小于5%，最小差異率低至0.5%，驗(yàn)證了在ABAQUS中賦予紗線(xiàn)模型材料屬性的可行性；后對(duì)織物進(jìn)行縱向拉伸和頂破實(shí)驗(yàn)及有限元模擬實(shí)驗(yàn)，5種織物差異率均小于5%且曲線(xiàn)的趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了緯平織物使用有限元分析預(yù)測(cè)力學(xué)性能的可行性與有效性。

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Finite element analysis of mechanical properties of weft plain knitted fabrics

WANG? Xuhuia，? JIANG? Wenbina，? WANG? Jinfenga，b

（a.College of Textile Science and Engineering（International Silk College）；

b.Key Laboratory of Industrial Textile Materials and Manufacturing Technology of Zhejiang Province，

Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

To solve the problem of time-consuming and labor-intensive prediction of the mechanical properties and appearance effects of fabrics by enterprises through weft knitted plain weave and sampling， a method using ABAQUS finite element analysis to predict the mechanical properties of fabrics was proposed. Firstly， the yarn and fabric were photographed by using the Axio Cam Erc 5S Zeiss polarizing microscope at different zoom angles to obtain the geometric parameters of the fabric coil. 19 feature points of the coil for three times of NURBS curve fitting were selected， the coil center curve was obtained， and the obtained geometric parameters were used to establish a fabric model. According to GB/T 3916—2013 Textiles-Yarns from Packages-Determination of Single-end Breaking Force and Elongation at Break Using Constant Rate of Extension（CRE） Tester， GB/T 3923.1—2013 Textiles-Tensile Properties of Fabrics-Part 1： Determination of Maximum Force and Elongation at Maximum Force Using the Strip Method， and GB/T 19976—2005 Textiles-Determination of Bursting Strength-Steel Ball Method， tensile and breaking tests were conducted on fabrics. Then， ABAQUS was used to perform finite element analysis and simulation on the constructed fabric model.

The accuracy of the model is a prerequisite for the ideal results of finite element analysis. The similarity between the model and the fabric was measured by measuring the coordinates of 19 feature points. Firstly， the ABAQUS finite element analysis simulation results and experimental results of a single yarn were compared to analyze whether the material properties of the yarn are accurate. The comparison in figure proves the correctness of yarn material properties. Yarns are defined as a nonlinear elastic-plastic material， and material properties are determined by the tensile properties of the yarn. Under the premise of national testing standards， finite element models with different seed sizes and friction coefficients were analyzed and simulated. It was found that when the seed size was 0.1 and the friction coefficient was 0.25， the difference rate between the simulated and experimental values was the smallest. In the finite element analysis， a seed size of 0.1 and a friction coefficient of 0.25 were selected to simulate longitudinal stretching and bursting of the fabric. By comparing the experimental values with the simulated values， it is found that the maximum difference rate is 4.76%， the minimum difference rate is 0.29%， and the difference rates are all less than 5%. This indicates the feasibility of ABAQUS finite element analysis of fabrics'mechanical properties.

After comparing the finite element analysis simulation and actual experimental results of five different fabrics， it has been proven that finite element analysis is not only applicable to engineering structural problems， but also to complex interwoven fabrics. The use of ABAQUS finite element analysis simulation can provide some auxiliary functions for enterprise sampling and weaving， which can further reduce the cost and time of enterprises.

Keywords：

finite element analysis; ABAQUS; mechanics; image processing; 3D modeling