采用ABAQUS的粘胶机织物拉伸力学性能仿真

刘倩楠， 刘新金

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

拉伸破坏作为机织物最基本的力学性能，在纺织品的设计和生产中有着重要的参考价值。近年来，许多研究人员采用了有限元理论分析法[1]研究机织物拉伸力学性能。曹荣平[2]利用ABAQUS有限元软件模拟了机织物建筑膜材料单轴向与双轴向的拉伸，讨论了材料属性、Step值、纱线相互作用等因素对机织物建筑膜材料拉伸模拟结果的影响；程建芳等[3]利用有限元软件ANSYS求解Kevlar 129纱线及织物带有主应力断裂失效准则的弹性正交各向异性材料模型，分析了织物的拉伸力学性质。这类研究均是基于纱线的材料属性和织物的结构特征建立机织物三维细观模型，利用有限元软件创建拉伸环境模拟织物拉伸过程，求解数学模型。

由于机织物中经纬纱的挤压变形，单纱材料的非线性和织物拉伸时影响因素的多样性，导致机织物拉伸模型求解存在一定的难度。随着专业纺织建模软件的开发和有限元软件的应用，突破了织物三维建模的难度和拉伸环境设置的局限性。本文以粘胶平纹织物为例，基于织物结构参数，借助专业纺织建模软件Texgen建立织物模型，利用有限元软件ABAQUS模拟织物拉伸力学性能，并通过实验验证模拟数值结果。

1 实验部分

1.1 粘胶单纱强力测试

从织物中取出带有屈曲的单根纱线，参照GB/T 3916—1997 《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》[4]，使用YG020B型电子单纱强力机，设置有效加持距离为200 mm，拉伸速度为200 mm/min，分别对织造粘胶织物的经纬单纱重复测试10次，结果取平均值，得到粘胶单纱拉伸强力参数，如表1所示。

表1 单纱拉伸强力参数Tab.1 Single yarn tensile strength parameters

1.2 粘胶织物拉伸性能测试

粘胶平纹织物规格如表2所示，按照GB/T 3923.1—2013 《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》说明，用条样法将织物制作成规格为35 cm×5 cm的试样，使用YG026D型多功能电子织物强力机[5]，设置隔距200 mm，拉伸速度100 mm/min，重复测试5次。

表2 织物规格参数Tab.2 Fabric specification parameters

2 有限元模拟

2.1 Texgen模型建立

Texgen织物仿真软件可准确地模拟纱线或织物的几何结构[6]，其良好的图形用户界面(GUI)使用户可以在“Weave Wizard”中设置经纬纱数量、纱线间隔、纱线宽度、纱线高度、织物厚度和经纬纱交织形式等一系列指标，完成模型的初步建立；在“Modeller”中设置纱线截面形状、屈曲形态和纱线属性等参数进一步细化模型。

本文将表3所示粘胶平纹织物的几何结构参数输入Texgen软件，得到如图1、2所示的织物经向和纬向拉伸模型。再将建立的模型以.stp格式输入有限元软件ABAQUS中进行拉伸力学性能分析[7]。

表3 织物几何结构参数Tab.3 Fabric geometry parameters mm

注：图中数值单位为mm。

注：图中数值单位为mm。

2.2 ABAQUS有限元模拟

ABAQUS是一套功能相对强大的有限元分析软件，既能分析简单的线性静力学问题，又能解决工程中复杂模型的高度非线性问题[8]。ABAQUS有限元分析时有ABAQUS/CAE前处理、分析计算、ABAQUS/Viewer后处理3个阶段，其中分析计算阶段有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit 2种分析形式，ABAQUS/Standard可分析广泛领域的线性和非线性问题，但对于短暂、瞬时的动态事件的模拟，以及冲击和高度不连续问题的求解不及ABAQUS/Explicit。粘胶平纹织物的拉伸实验中实验材料属于非线性材料，且织物交织过程中经纬纱之间存在一定的摩擦，拉伸时经纬纱线间产生滑移，所以更适合使用ABAQUS/Explicit显示分析。

在ABAQUS/CAE中导入Texgen创建的织物模型，Property模块将纱线定义为弹塑性材料，即应力低于屈服点时，表现为弹性行为，应力大于屈服点后，发生塑性变形。参照表1数据，赋予经纬纱这种非线性材料属性[9]。经纬纱非线性材料属性基于纱线体积质量，通过弹性模量和泊松比定义纱线弹性行为，塑性应力和应变定义纱线的塑性变形。

分析计算阶段采用动态显示分析，用Step模块创建初始分析步后，选择“Dynamic Explicit”为“Step1”，设置“Time Period”为1E-5，然后设置相应的场输出和历程输出，并将输出频率设置为200；用Interaction模块定义织物中经纬纱的接触，在“Step1”下设置“General contact(Explicit)”，定义纱线与纱线间切向摩擦因数为0.17；用Load模块设置1个“PINNED(U1=U2=U3=0)”的边界条件，将织物一端固定，并且给另一端定义1个100 mm/min的拉伸速度；用Mesh模块分别对经纬纱进行网格划分，设置网格种子尺寸为0.1，由于纱线截面近似椭圆形，采用中性轴算法用六面体对织物模型进行网格划分，将其划分为若干个单元，图3示出粘胶平纹织物经向拉伸试样网格模型。其中图3(b)为3(a)中黑色方格所表示的单元；在Job模块给要分析的模型数据创建1个作业，进行提交计算。

图3 织物网格模型Fig.3 Mesh model of fabric. (a) Mesh model of stretch in warp direction; (b) Element shown in black square of mesh model

在ABAQUS/Viewer后处理阶段显示ODB文件中的分析计算结果，包括变形前/后的模型图、矢量/张量符号图、材料方向图、各种变量的分布云图、变量的X-Y图表、动画等[10]。本文分别模拟了粘胶平纹织物的经向拉伸和纬向拉伸，其应力分布情况如图4所示(图中颜色越深，表示应力越大)。

从图4可看出，织物模型拉伸后发生变形，此时经纬纱上均出现应力分布。经向拉伸时，经纱上分布的应力较纬纱明显许多，这是由于织物经向拉伸过程中，经纱从屈曲状态被拉直，然后再被拉断，起到了主要的拉伸作用，而纬纱由于拉伸过程中纱线之间产生滑移、摩擦等作用(Interaction模块赋予了纱线间0.17的摩擦因素)，因此在拉伸过程中，通过经纬交织点的应力传递，产生一定的应力分布；纬向拉伸时，纬纱承受主要的拉伸作用，纬纱上分布的应力较明显，经纱由于拉伸过程中纱线之间产生滑移、摩擦等作用，经经纬交织点的应力传递，产生一定的应力分布。图4(b)、(d)为通过ABAQUS的“Remove Selected”选项，移除其余经纬纱，仅剩1根经纱和1根纬纱，从图上可清晰地看出织物拉伸过程中经纬纱的受力情况。经向拉伸时，经纱上纱线交织点处所受应力最大，为23.78 MPa，纬纱上纬纱边缘所受应力最小，为6.266×10-3MPa；纬向拉伸时，纬纱上纱线交织点处所受应力最大，为15.27 MPa，经纱上经纱边缘所受应力最小，为4.399×10-3MPa。

3 结果与分析

注：图中1、2、3、4、5表示节点。

图5 织物拉伸力学性能对比Fig.5 Comparison of tensile properties of fabrics. (a) Fabric tension-elongation curve of stretch in warp direction; (b) Finite element simulation of tensile stress-strain curve of stretch in warp direction; (c) Fabric tension-elongation curve of stretch in weft direction; (d) Finite element simulation of tensile stress-strain curve of stretch in weft direction

采用YG026D型多功能电子织物强力机对粘胶平纹织物进行5次测试，分别得到织物经向拉伸和纬向拉伸的平均拉伸断裂强力、拉伸长度、伸长率等参数如表4所示。将其转化为拉力-伸长曲线，结果如图5所示。

织物在被拉伸的过程中屈曲的纱线首先被拉直，然后进入弹性变形阶段，在这个阶段纱线所受拉伸强力呈线性增长，当达到最大断裂强力时，断裂强度最低的纱线开始断裂，接着大部分纱线断裂，部分纱线滑移致使织物被拉断。

实际中纱线由纤维组成，织物拉伸时组成纱线的纤维间会产生滑移、剪切、摩擦等一系列的作用，织物的断裂实际上是织物中纱线的断裂，而纱线的断裂则是纱线中纤维的滑移和断裂。图5(b)、(d)所示为有限元模拟织物拉伸的应力-应变曲线图(所选节点分别为织物变形后经纬纱交织点处经纱和纬纱上节点，见图4(a)、(c))，有限元模拟时，将纱线看做一个整体，赋予其非线性的材料属性，使其产生理论化的变形，但是忽视了纱线中纤维断裂的随机性，达到最大应力时开始产生脆性断裂。

表4 织物拉伸强力参数Tab.4 Fabric tensile strength parameters

对比图5(a)与图5(b)～(d)，发现2类曲线的上升趋势大致相同，并且均上升至某最大值；根据织物拉伸强力测试得到粘胶平纹织物经向拉伸强力317.68 N、纬向拉伸强力191.87 N，经公式σ=F/A(式中：σ为拉伸应力，MPa；F为拉伸强力，N；A为拉伸切线方向横截面积，mm2)转换得到经向拉伸应力为24.82 MPa，纬向拉伸应力为14.99 MPa，利用相对误差计算公式可得到模拟与实验的相对误差分别为4.19%、1.87%，经均值计算，平均误差为3.03%，说明有限元软件ABAQUS可用来模拟粘胶机织物拉伸力学性能，且模拟数值具有一定可靠性。

4 结束语

利用计算机软件对织物拉伸性能进行模拟，可以使设计人员预测织物性能时，减少试纺、试织、后处理等工序，达到节约资源，降低成本，缩短周期的目的。本文借助专业纺织建模软件Texgen建立织物几何模型，利用有限元软件ABAQUS模拟粘胶织物拉伸力学性能，通过所得应力分布云图，发现了织物拉伸时应力分布规律：织物经向拉伸时，主要是经纱承受拉伸作用，经纬纱交织点处所受应力最大，纬纱受纱线间摩擦因素影响，纬纱边缘所受应力最小；织物纬向拉伸时，主要是纬纱承受拉伸作用，经纬纱交织点处所受应力最大，经纱受纱线间摩擦因素影响，经纱边缘所受应力最小。最后，通过实验验证了计算机模拟数值结果的可靠性。由于本文仅以粘胶织物为例，对于使用该方法预测织物性能是否具有普适性，还有待进一步论证。