平纹织物三维模型的建立和侵彻实验的数值模拟

2022-03-13王东宁任江陶田青松

轻纺工业与技术 2022年1期

王东宁，丁运，王洋，任江陶，田青松

（内蒙古工业大学轻工与纺织学院，内蒙古呼和浩特 010051）

以高强度纤维为原料的平纹织物以其良好的防护性能和穿着舒适性，广泛应用于防弹衣领域，平纹织物在防弹领域有着广泛的应用。有限元模拟仿真对防弹材料的研制起着重要的参考作用，模型的精准程度也会影响模拟的结果。

Duan[1-3]、Rao 等[4]建立了平纹织物的三维细观实体模型，并研究了纱线的强度、模量和摩擦系数对防弹性能的影响。李裕春[5]采用类似的建模方法，模拟了平头弹侵彻单层平纹织物的过程。Sidney 等[6]在模拟中采用了较大的网格尺寸，模拟了多层Kevlar 织物的防弹测试过程，并通过实验进行了验证。Gaurav Nilakantan[7]使用细观模型模拟了单层芳纶织物受到子弹冲击的动态响应，得出V0-V100曲线（子弹冲击速度与织物被贯穿概率的曲线），并通过实验进行了验证。Yi Zhou[8-9]、Yang Y[10]建立了织物的有限元模型，预测了织物受到冲击时，不同结构、纱线细度和经纬密的机织物的动态响应，平纹织物展现了其优良的能量吸收能力和能量吸收效率，并认为缝合工艺能够提高织物防弹性能。

本研究根据浸润树脂的平纹织物的显微镜截面照片，提出了平纹织物的曲线方程，并以此方程建立了接近平纹织物真实结构的三维细观几何模型，通过实验和模拟的对比，验证模型的准确性。

1 平纹织物的几何特征

平纹织物的几何结构由纱线细度、纱线密度和屈曲状况决定。平纹织物由经纱和纬纱两个系统的纱线交织而成，这种交织引起了纱线的屈曲。众多研究者通过试验观察平纹织物截面的几何形状，通常使用透明的树脂浸润干燥的织物，固化后织物中的纤维可保持其初始的形状，然后对织物进行切割以获得织物的截面。图1 的显微镜照片[11]显示了平纹织物截面的几何特征，其中最主要的3 个特征包括：纱线的间距、纱线屈曲的形状轨迹和纱线的截面形状。

图1 平纹织物的截面显微镜照片

基于图1 中的显微镜照片，可对平纹织物的关键结构作出如下假设：在纱线的长度方向，纱线周期性的屈曲被假设成余弦曲线；纱线的横截面形状类似凸透镜形状，并假设在纱线的轨迹方向保持不变；假设在经纬纱的交织区域，经纱和纬纱完全接触；假设纱线是一个连续体；假设纤维的体积密度保持不变。

2 平纹织物的三维细观几何模型

基于以上假设，建立的平纹织物截面的二维几何模型，如图2 所示，用于描述其内部结构关键特征。

图2 平纹织物的二维几何模型

假设纱线的上下轮廓曲线与纱线轨迹线是相似的余弦曲线，那么二维几何模型的曲线轮廓线的公式如下：

其中，P1=a/2 是曲线在y 轴方向的偏移距离，a 是纱线截面的中心位置的厚度；P2=b，b 是相邻纱线的间距。直线段的公式如下：

其中，P3=c/2，c 是纱线的宽度，P4=d，d 是纱线截面的边缘位置的厚度。所以，通过以上4 个参数就可以建立一个平纹织物的模型，然后在平纹织物上量取：a=1.15mm，b=0.75mm，c=0.62mm。

基于上述的二维几何模型，使用Creo Elements/Pro®软件建立了平纹织物三维几何模型。首先，使用从方程建立曲线的功能，创建单根纱线的轨迹线和横截面的曲线；其次，使用扫描功能创建单根纱线；最后，通过新建组件将一定数量的纱线装配成平纹织物，完成三维几何模型的建立。图3 显示了平纹织物的几何模型。

图3 平纹织物模型

3 子弹侵彻多层平纹织物的有限元模拟

纱线选用正交各向异性材料模型，弹性参数（见表1）和失效条件均参考江苏仪征化纤的细度为66.7tex（600D）的超高分子量聚乙烯织物的实验结果，纱线长度方向的拉伸模量为109.39GPa，因此E11=109.39GPa，在其他两个方向弹性模量值E22和E33，剪切模量值G12、G13的赋值和泊松比的赋值方法均参考文献[8]，ν12=ν13=ν23=0.2。

表1 纱线连续体的正交各向异性弹性参数

当纱线受到的最大主应力超过3.32GPa，应变超过3%时，材料失效。弹丸材料分别采用铅和铜，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC 本构模型描述。模拟中铅芯和背甲采用面面粘结接触，纱线和纱线、纱线和弹丸之间采用自动面面接触，摩擦系数[12]μ=0.10。使用ANSYS 有限元分析软件对所建立的典型体积单元进行了六面体网格划分，网格划分的方法选用自动选项，设定网格尺寸0.05mm。测试和模拟中破坏形式的对比如图4。

图4 测试和模拟中破坏形式的对比（Vs=150.6 m/s）

当弹丸以156.6m/s 的速度冲击12 层织物时，弹丸在织物里产生夹弹现象，停留在织物内，织物9 层完全穿透（模拟中为6 层）。从弹孔的正面看，形成的弹孔为圆形，和弹丸的形状一致，每一层织物的“中心十字”位置的两根纱线产生明显的位移，见图4（a），模拟中也显现了类似的现象，见图4（b）。观察第二层织物的背面可以看出，纱线产生较大的拉伸变形，纱线的纤维化非常明显，并纠缠成团，没有纱线发生整根的断裂，而是被弹丸推向四周，弹丸挤入到织物内部。同样，在模拟中，与弹丸发生接触的14 根纱线中有8 根发生了断裂，而其他6 根被推向四周，只发生弹性变形。在模拟中使用的是细观模型，由于无法显示到纤维这一微观结构，因此纱线纤维化的现象无法展现。在弹丸的冲击下，在织物最后一层背面形成明显的凸起，见图4（c）和图4（d）。因此，在本试验条件下，织物的失效形式是纱线的侧向移动、断裂和纤维化，其中前两项在模拟中得到了细致的展现。