热轧非织造材料力学性能有限元分析*

(东华大学，上海，201620)

热轧非织造工艺是利用一对或两对钢辊或包有其他材料的钢辊对纤网进行加热加压，导致纤网中部分纤维熔融、流动、扩散而产生黏结，冷却后，纤网得到加固而成为热轧非织造材料［1］。20世纪80年代初，美国将聚丙烯热轧非织造材料用作用即弃尿布面料代替了原来以聚酯纤维、黏胶纤维为主体材料的化学黏合非织造材料。热轧黏合特别适合于加固薄型非织造材料，因而发展迅速。热轧非织造材料应用广泛，如用于手术衣帽、口罩、妇女卫生巾、婴儿尿裤、成人失禁垫及各种工作服和防护服等，热轧非织造材料还大量应用于服装衬布，电缆、电机绝缘材料，电池隔膜，箱包衬里，包装材料和涂层基布等［2］。

近年来，热轧非织造材料的物理模拟和数值模拟一直是研究热点，国外对非织造材料微观结构和拉伸机理进行了深入研究［3-8］，并将其运用到数值模拟中。研究主要集中在运用专业有限元软件模拟热轧非织造材料。目前模型分为三种:第一种模型是用shell单元模拟热轧非织造材料，该模型可用来模拟热轧非织造材料的宏观拉伸性能，不能体现热轧非织造材料微观结构上的缝隙对材料力学性能的影响［9］;第二种模型运用shell单元模拟热黏合点，运用truss单元模拟纤维，但没有考虑材料取向对热轧非织造材料力学性能的影响［10］;第三种模型是在第二种模型的基础上考虑了纤维取向分布对热轧非织造材料力学性能的影响［11］，但该模型是在纤维取向分布函数基础上模拟的材料取向，由于热黏合点的存在，纤维的取向不能代替整体材料的取向。

本文提出一种建立热轧非织造材料的有限元模型的新思路:利用同轴反射光显微镜结合多聚焦图像融合技术，得到热轧非织造材料的清晰图像，取得纤维的位置信息;再利用python语言编写非线性有限元软件ABAQUS可读子程序，利用子程序构建热轧非织造材料几何结构有限元模型。

1 热轧非织造材料纤维性能参数

本文所用材料为聚丙烯短纤热轧非织造材料，面密度为17.89 g/m2，黏合面积比是11.83%。材料中聚丙烯纤维的直径为2.2 dtex，长度44 mm，断裂伸长率≥300%。图1是纤维在三种拉伸速度下的应力—应变曲线。

图1 材料样品中聚丙烯纤维的应力—应变曲线

力学拉伸实验可得到名义力学拉伸曲线，真实力学拉伸曲线需经计算获得，计算公式为:

式中:εnom，σnom——分别为名义应变和应力，由实验直接测得;

εtrue，σtrue——分别为计算所得的真实应变和应力;

ΔL，L——分别为纤维的变化长度和原始长度;

F——纤维所受的力;

A——纤维的原始直径。

拉伸速度不同对纤维的力学拉伸性能有一定的影响，但初始模量不变，通过公式(1)和公式(2)可计算得到建模过程中需要的初始模量参数，其值为760 MPa。

2 构建热轧非织造材料有限元模拟

2.1 非织造材料融合图像的获取

要得到热轧非织造材料有限元模型，需要获取热轧非织造材料的清晰图像和纤维位置信息。运用普通光学显微镜拍摄热轧非织造材料时，由于光学显微镜景深的限制，不能在同一个聚焦平面上获得所有纤维的清晰成像。为此，本文使用同轴反射光显微镜，运用课题组前期研究的多层聚焦图像融合技术［12］，在热轧非织造材料厚度方向上采集多层图像，实现贯穿纤网的多层图像数据融合，如图2所示。

图2 非织造材料多层图像融合算法

2.2 模型建立

由于加工工艺等原因，热轧非织造材料很难形成规整的边界。本文在多层融合图像基础上，将热黏合点简化为矩形(见图3)，并根据热黏合点边界和纤维的交点来确定纤维的端点位置信息，再通过python语言编写ABAQUS程序，将弯曲纤维简化为直线，即连接纤维两个端点形成直线(见图4)。

从样品的清晰融合图像中，在课题组前期研究的图像融合软件基础上增添读取纤维和热黏合点端点坐标的代码，读取纤维和热黏合点端点坐标数组，在Editplus文本编辑器中运用python编程语言编写热黏合点和纤维的重构代码。

图3 热黏合点简化

图4 纤维位置信息

(1)热黏合点重构中的部分代码如下:

#!/user/bin/python

#-*-coding:UTF-8-*-

#-*-coding:mbcs-*-

From abaqus import*

From abaqus Constants import*

myModal=mbd.Modal(name=‘Bond Points’)

my View port=session.View port(name=‘Spun-thermalbonded nonwoven materials’，origin=(0.0，0.0)，width=300，height=120)

import part

mySketch=myModal.Constrained Sketch(name=‘Bond Points Profile’，sheet Size=20)

mySketch.rectangle(point1=(0，0)，point2=(0.7，0.7))

mySketch.rectangle(point1=(1.7，0)，point2=(2.4，0.7))

(2)纤维重构中的部分代码如下:

#!/user/bin/python

#-*-coding:UTF-8-*-

#-*-coding:mbcs-*-

From abaqus import*

From abaqus Constants import*

myModal=mbd.Modal(name=‘Fibers’)

my View port=session.View port(name=‘Spun-thermal-

bonded nonwoven materials’，origin=(0.0，0.0)，width=300，height=120)

import part

mySketch=myModal.Constrained Sketch(name=’FibersProfile’，sheet Size=20)

A=［(0.7，0)，(1.7，2)，(0.7，0.19)，(1.7，0.7)，(1.7，0.25)，(0.38，1.7)，(0.13，0.7)，(0.38，1.7)，(0.25，0.7)，(1.7，1.7)，(0.5，0.7)，(0，1.7)］

For i in range(len(A)/2):

mySketch.Line(point1=A［2*i］，point2=A［2*i+1］)

通过子程序建立的材料热黏合点和纤维结构见图5。

图5 通过子程序建立的材料热黏合点和纤维结构

实验所用热轧非织造材料样品厚度为0.036 mm;材料中热黏合点大小为0.7 mm×0.7 mm，上下、左右隔距为0.8 mm(见图6)，热黏合点初始模量参数设置为5 000 MPa;通过公式(1)和公式(2)可以计算出材料中纤维的初始模量为760 MPa。本文使用shell单元模拟热黏合点，用truss单元模拟纤维。为了模拟真实的拉伸条件，模型的一端固定，使用“ENCASTRE”约束条件，将材料另一端拉伸速度设置为25 mm/min。基于上述参数条件的热轧非织造材料有限元模型包含纤维和热黏合点两部分(见图7)。

3 有限元分析

3.1 热黏合点参数对材料性能的影响

图6 材料的融合图像

图7 材料的有限元模型

在热轧非织造材料的实际生产过程中，材料中纤维部分经热轧设备的轧辊的加热加压及再冷却形成热黏合点。热黏合点应是大尺度下的纤维集合体，并且是有损伤的和内部应力集中的大尺度纤维集合体，其力学性能应和纤维有一定的相似性，但实际上对热黏合点进行具体的测试难度却很大。国外有关的研究表明［9］，低密度热轧非织造材料中热黏合点可视为弹性体，并在模型中将弹性模量参数设置为纤维弹性模量的3倍，而该项研究对于这个设置并没有给予解释。本课题借鉴相关文献［9-10，13］中参数设置的思路，通过建立的非织造材料的几何结构有限元模型，对比不同参数条件下有限元模型模拟获得的应力—应变曲线，确定热黏合点的材料属性参数。

在热轧非织造材料生产加工中，由于轧辊的温度、压力和生产的线速度等其他因素对于材料的热黏合点形成有非常重要的决定作用，参数的改变将使材料的热黏合点力学性能随之改变，因此该模型所得热黏合点的材料属性参数是否适合于因生产工艺不同所制得的材料，还需要进一步的验证。双组分纤维的性能与聚丙烯纤维完全不同，所以对于双组分纤维纺粘热轧点黏合非织造材料，模型所得参数是否可以使用还需进一步的研究。模型由于节点数目较多，同时目前ABAQUS软件中没有准确的失效模式，模型最多运行到应变值为0.47时，因收敛问题而不能继续运行。

在图8中:模型中纤维材料的属性参数由公式(1)和公式(2)计算获得;曲线1、曲线2、曲线3和曲线4为模型所得曲线，材料曲线为样品拉伸实验所得曲线。

图8 不同热黏合点参数条件下模型所得应力—应变曲线及样品拉伸实验应力—应变曲线

曲线1中热黏合点的弹性模量参数为纤维弹性模量参数的3倍，塑性参数和纤维塑性参数相同，曲线近似线性函数，表明在此模型中，该参数不合理。

曲线2中热黏合点的弹性模量参数为纤维弹性模量参数的5倍，塑性参数和纤维塑性参数相同，曲线为非线性曲线，并且和真实的应力—应变曲线变化趋势一致。

曲线3中热黏合点的弹性模量参数为纤维弹性模量参数的5倍，未设置塑性参数，曲线3和曲线2非常接近。为了比较两者之间的差距，本课题引入差距比率:

式中:S3——曲线3中应力值;

S2——曲线2中应力值。

在0°模型中，当应变为0.38时，曲线2的应力是0.85 N/mm，曲线3的应力是0.89 N/mm，两者之间的差距比率是4.5%。

在90°模型中，当应变为0.38时，曲线2的应力是1.31 N/mm，曲线3的应力是1.4 N/mm，两者之间的差距比率是6.4%。

计算曲线2和曲线3中应力的差距比率平均值为5.4%。曲线2和曲线3中热黏合点弹性参数相同，热黏合点的塑性参数不同，表明热黏合点中的塑性参数对整个材料的应力影响为5.4%，影响很小。

曲线4中热黏合点的弹性模量参数为纤维弹性模量参数的20倍，未设置塑性参数。根据差距比率公式计算曲线3和曲线4之间差距比率，0°模型的差距比率数值为14.1%，90°模型的差距比率数值为10%，两者的平均值为12.05%，即当热黏合点的弹性模量从5倍纤维弹性模量增大到20倍纤维弹性模量时，两者之间的差距比率是12.05%。结合曲线2和曲线3的差距比率5.4%，表明相对于黏弹性的纤维而言热黏合点可被视为弹性体。

3.2 纤维参数对材料性能的影响

在图9中:曲线1和曲线2为模型所得曲线，材料曲线为样品拉伸实验所得曲线。

曲线1中纤维的参数为纤维原始参数，也即是从纤维的单纤拉伸实验中得到的参数。曲线2中纤维的参数为纤维原始参数的5倍。从材料曲线、曲线1和曲线2的变化过程可以发现，纤维的性能对样品的力学性能有一定的影响。

在0°模型中，应变值为0.38时，曲线1的应力是0.85 N/mm，曲线2的应力是1.275 N/mm，曲线2的应力是曲线1应力的1.5倍(1.275/0.85=1.5)。假设其他因素不变，纤维的材料属性参数是原来的5倍时，其应力是原来的1.5倍，即纤维对整个材料应力的影响为30%(1.5/5=0.3)。

图9 不同纤维参数条件下模型所得应力—应变曲线及样品拉伸实验应力—应变曲线

在90°模型中，应变为0.38时，曲线1的应力是1.21 N/mm，曲线2的应力是1.84 N/mm，曲线2的应力是曲线1应力的1.52倍(1.84/1.21=1.52)。假设其他因素不变，纤维性能对整个材料应力的影响为30.4%(1.52/5=0.304)。

0°模型和90°模型表明:在材料的应变值为0.38时，纤维性能对整体材料应力的影响分别为30%和30.4%，而其他如热轧黏合形式、热轧辊温度、热轧辊压力、生产速度、纤网面密度及冷却条件等因素对整体材料的影响为70%。

4 结论

本文利用多聚焦图像融合技术，结合python语言编程构建了热轧非织造材料的有限元模型。通过有限元模型模拟所得应力—应变曲线与样品拉伸实验的应力—应变曲线的对比，研究了材料中热黏合点和纤维性能对整个材料的力学性能的影响。对比不同参数条件下的有限元模型所得应力—应变曲线发现:材料中热黏合点可以视为弹性体，其塑性参数对整个材料的力学性能影响为5.4%;在应变为0.38时，纤维性能对整体材料应力的影响为30%，而热轧辊温度、生产速度、纤网面密度及冷却条件等因素对整体材料应力的影响为70%。

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