高性能平纹织物纱线抽出力学行为及其移动机制

织物材料因具有柔韧性、设计灵活及高比强度等优异性能，在国防及民用领域中有广泛的应用，包括防弹衣、装甲板、织物增强头盔等军用领域以及安全带、头枕及空间可展开结构(气囊、帆和降落伞等)等民用领域.在实际工程应用中，纱线间的相对滑移是一种重要变形或失效模式，在织物复合材料的面内外力学响应中发挥重要角色.纱线间彼此滑动因阻力作用一方面可增加织物的能量吸收率，另一方面改变了滑移部位织物纱线的排列位置，进而影响荷载在纱线间的传递方式.其中，在众多能量消散机制中，纱线间摩擦在平纹Kevlar织物的弹道冲击响应中起着直接和间接的重要作用.针对纱线移动机制的研究，可进一步揭示纱线滑移的客观规律.此外，织物刺入破坏(含弹丸穿刺、膜面尖锐物偶然刺破、风致碎片刺破等)是织物材料的主要失效形式，而纱线移动是其破坏的关键机制之一，掌握纱线移动响应及机制是柔性膜材刺破力学性能及破坏机制研究的重要组成基础，对于提高膜材抗刺破强度、降低刺破损伤程度具有重要指导意义.

纱线移动性能的研究早期主要集中于试验手段.Sebastian等通过试验探究了平纹棉织物纱线抽出性能，结果表明：针对低模量织物，纱线抽出响应很大程度上取决于拉伸纱线和交叉纱线中的弹性变形.Martínez等通过静态重物加载方式完成了Kevlar织物试样纱线抽出过程，并获得了抽出荷载的最大值.Bazhenov等使用具有各种纱线支数和旦尼尔数的芳纶织物进行纱线拉出试验，研究了膜材几何尺寸对于纱线移动的影响.Nilakantan等研究了平纹芳纶织物的纱线拉出性能，考察了纱线尺寸和织物预应力等因素的影响.Bilisik等采用芳纶Kevlar©29和Kevlar©129织物进行拉拔试验，分析了芳纶织物的黏滑性能，结果表明：黏滑力和累计收缩力取决于织物密度和纱线抽出的数量.

试验的高成本和测试方法的不成熟等众多因素致使研究者很难全面通过试验得到材料的细致力学响应，尤其难以实现纱线移动细观层面响应机制的研究.目前基于细观层面的纱线移动机制研究仍有不足，尚缺乏纱线抽断行为与机制的研究.而有限元数值仿真对于细观层面纱线力学行为的研究和预测具有很重要参考价值，并已获得相关学者的验证，有必要采用数值分析方法对纱线抽出机制开展进一步的研究.

鉴于上述问题，本文针对典型平纹Kevlar织物建立细观纱线数值模型，实现纱线移动过程及行为的数值模拟，系统分析摩擦因数、模型尺寸及预应力水平对于纱线移动响应的影响规律，进而探讨纱线的抽断长度及抽断强度与纱线间摩擦因数以及基布所受预应力之间的耦合关系.所得结论可为织物复合材料相关应用提供有益参考.

1 材料对象及参数

1.1 织物材料几何参数

为便于验证，本文以某典型高性能平纹机织的Kevlar织物膜材为研究对象，该织物是用于弹道防护的高性能织物, 纱线为600 D Kevlar KM2，每根纱线由400根复丝组成.织物面密度为230 g/m，厚度为0.60 mm.织物膜材经，纬纱线的编织密度均为每米 1 339 根.经纬向纱线截面均呈现椭圆形，波动路径近似三角函数.与纬向相比，经纱轨迹的波动程度略大(卷曲度更高)，截面较纬纱截面更薄、更宽.

为探究摩擦因数、模型尺寸、预应力水平等变量对纱线移动响应的影响机制，深入分析了纱线间摩擦因数和织物所受预应力对纱线断裂长度及抽断强度的影响规律，模型中摩擦因数满足:

BDBO是一种切除椎间盘并同时去除椎间盘上下相邻终板的截骨方式。这种截骨手术去除部分相对较多，一般可获得35° ～ 60°的矫形效果。根据切除范围的不同，BDBO可分为3种（图1）。Domanic等［38］报道了32例重度僵硬性脊柱后凸畸形患者BDBO术后的疗效，发现可获得平均49°的矫形效果。Ozturk等［39］对12例脊柱后凸或侧后凸畸形患者行BDBO治疗，随访2年结果显示，在矢状位上可获得平均38°的矫形效果，且没有神经损伤及假关节形成。

为了深入研究纱线抽断长度及抽断强度与织物所受预应力及纱线间摩擦因数之间存在的复杂耦合关系，在原数值模型的基础上，沿经纱方向模型加长一倍得到新模型.通过各摩擦因数及预应力因素下的仿真，实现摩擦因数及预应力对纱线移动断裂机制的影响分析在各摩擦因数下，分别进行5种预应力水平下(=40，60，80，100，120 MPa)纱线抽断的数值分析.以摩擦因数=0.2为研究对象，相应5种预应力水平下被抽出纱线的破坏形态如图16所示.

根据和的尺寸建立有限元模型中经纬向纱线的几何截面，的尺寸建立有限元模型中经纬向纱线路径的最小重复单元，根据最小重复单元及纱线实际的几何尺寸通过扫掠可以得到所需纱线的几何模型.单根纱线路径公式为

(1)

1.2 织物纱线力学参数

单根经纱和纬纱的中心轴线方程分别为

2 纱线移动数值模型构建

2.1 织物模型基本假定

平纹机织纱线间相互交叠且在织物实际成型过程中挤压作用常有出现，加之纱线束张紧力的作用，纱线束的截面形状及空间相对位置关系多变，为简化模型，采用以下假定:

(1) 纱线为最小结构单元，忽略纤维组成，且为均匀同质材料.

由于汉江流域水资源开发利用任务重，涉及防洪、供水、发电、航运、生态各方用水权益和各部门利益，为完善流域管理和区域管理相结合的水资源管理体制，需要建立汉江流域由各省参加的流域水资源管理和保护联席会议制度，建立跨区域、跨部门、跨行业的协作体制和信息共享机制，协商协调解决汉江流域水资源管理与保护的重大事宜。

织物有限元模型网格划分采用部件依次划分的方法来划分网格，采用C3D8R六面体单元进行离散，纱线网格尺寸设置为0.25 mm，网格划分结果如图2所示.边界条件参照文献[24](见图3)，有限元模型中设置情况如图4所示.

模型固定端部荷载变化情况如图11所示，由图可知：固定端部荷载同样表现出类似的变化趋势，经纱端部荷载全域范围内高于纬纱，主要原因是经纱抽出荷载及在交叉点处产生的束缚力较大，从而导致更大的端部荷载值.

(4) 经纱、纬纱线束在厚度方向上分别处于同一水平面，忽略交叠、挤压引起的厚度效应.

当前网络分为无线网络和有线网络两种，无线网络采用WAP架构上的无线数据报协议(WDP，Wireless Datagram Protocol)传送WML语言，有线网络采用超文本传输协议(HTTP)传送HTML语言[9]。本研究设计基于有线网络访问，接入方式可选择3G通信网络(WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA)和无线局域网(WLAN)。实际选择方式可根据采集现场网络条件进行自主选择。

2.2 模型构建及网格划分

根据试验所得的试样拉伸测试结果确定纱线本构关系，采用基于损伤力学演化的失效准则，当应力达到极限应力时材料发生断裂，选择损伤演化建立材料的损伤演化准则，所采用纱线材料参数为弹性模量1.358×10MPa，强度2.522×10MPa，极限应变2.5%，泊松比0.12.

(2)

(3)

(2) 经纱、纬纱线束的截面形状为椭圆形，椭圆截面的几何尺寸参照截面电镜扫描图统计测得，长轴及短轴尺寸取测量平均值，经纱、纬纱线间距同样取自观测值.

2.3 分析工况

织物膜材细观结构可简化为图1所示几何模型.图中：为单根纱线的路径；为单根纱线路径上的点距离起始点的距离；为单根纱线沿方向上的厚度，织物垂直厚度为2；为纱线沿方向上最小重复单元的周期长度；为单根纱线沿方向上的宽度.图中红色三角形区域表示相邻经纱或者纬纱并不是紧密连接，而是存在一个微小间隙.织物膜材细观纱线几何参数详如表1所示.

=+(-)e-||

(4)

式中:为动摩擦因数；为静摩擦因数；为指数衰减系数；为界面相对速度.基于相关研究文献，为有效分析摩擦因数影响规律，将设定为0.考虑到计算稳定性与效率，设定加载速率为650 mm/s.模型设置3类分析工况：I(摩擦因数分析)、II(预应力水平影响分析)、III(纱线断裂分析)(见表2，表中为纱线移动距离).设置3组摩擦因数：0、0.1及0.2.针对预应力水平的影响研究，将基于实际工程膜面预应力范围设置6组梯度张力：200、300、400、500、600及700 MPa.对于纱线断裂分析，则针对纱线移动距离为15 mm，预应力梯度为40、60、80、100及120 MPa的工况开展研究.

3 结果与分析

3.1 数值模型的校核

通过与文献[25]试验结果进行对比分析来实现数值模型的校核.采用对比文献中的材料几何及力学因数，分析工况预应力水平分别为0、200 MPa；摩擦因数分别为0.1、0.2.

所建模型与相关文献结果的抽出载荷-位移关系曲线对比如图5所示，图中为位移，为抽出载荷.

如图5所示，本文模型结果整体曲线变化规律与文献[25]结果一致，抽出载荷峰值数值相近，起伏节奏及特征一致.以摩擦因数=0.2为例，预应力水平=200 MPa，抽出载荷峰值二者结果的平均误差6.78%，无预应力时二者的平均误差为5.29%.可见，所建立数值模型可有效实现纱线移动过程及行为的模拟与影响因素分析.

3.2 应力分布及移动典型特征阶段

通过仿真计算获得了各摩擦因数下纱线移动过程中等效应力()云图，如图6所示，因各影响因素作用下纱线移动过程相似，取预应力水平为400 MPa进行机制分析.由图可知，在整个移动过程中，膜材基布因受到移动纱线的影响，在经向、纬向纱线相互作用下整体产生向左的微侧移.此外，纱线移动过程中应力波动区域主要集中在被抽经纱附近，最大等效应力值位于被抽经纱与纬纱的交叉点处.

对移动纱线荷载、位移等关键数据进行采集和处理，得到被抽经纱所受荷载随位移的变化关系曲线如图7所示，图中为应力，纱线移动速度=750 mm/s.综合分析可知，纱线移动过程可分为2个典型阶段：静摩擦阶段(I段)和抽出移动阶段(II 段).

静摩擦阶段(I段)：此阶段是从被抽经纱开始承受荷载到荷载达到峰值为止，即下一时刻将由静摩擦转为滑动摩擦.纱线间无相对滑移，被抽经纱处于静摩擦状态.

我国外贸企业产品在国际市场销售中，没有获得消费者的喜爱，从产品质量、品牌、企业服务等各方面都没有拥有很好的竞争力。尤其在网络技术日渐发展的当前时代，商场自建方面呈现不足，很多传统外贸企业或者没有自己的网站，或者有自己的网站，但是网站建设存在极大问题，其中的重要产品都没有能够很好予以展示，产品的质量、品牌都没有让客户予以全面认识，很多对产品有所需要的客户都无法从网站中获得更好的产品选择。部分外贸企业通过第三方平台方式进行产品宣传，但是极容易受到第三方平台的控制和限制，对于跨境产品宣传出售产生阻碍限制。

抽出移动阶段(II 段)：被抽经纱由静摩擦阶段进入滑动摩擦阶段，其荷载值由峰值快速下降，伴随着与纬向纱线交叉点数逐渐减少，经纱端面荷载值也逐渐降低，曲线呈现阶梯型变化特征.

全部的50患者在施诊后创面未见出血，基本都在1～2天内成痂，3～7天内痂衣脱落，有23例患者的创面有明显的黑色痕迹，有15例患者的创面由于扁平疣较大，留有疤痕印记，一个月后进行回访，患者的疤痕与黑色的浅表遗留物已经消失，隐隐可见疤痕创面，已不明显，有5例患者的黑色暗印久不消除，涂擦脱色剂后得到好转，治疗后已经嘱咐患者复发需要重复就诊，目前无患者复诊。

3.3 摩擦因数影响分析

通过对移动纱线端面荷载及位移等关键数据的采集，获得了各摩擦因数下纱线移动过程中荷载-位移关系曲线，如图8所示.由图8可知，随着摩擦因数的增大，纱线移动过程中抽出荷载总体呈现增加的趋势，曲线阶梯衍变特征明显.当=0时，曲线荷载呈现正反波动，且正反幅值较为接近，这与其他摩擦因数相差较大.其主要归因于纱线移动过程中模型的震荡，由于纱线在仿真过程中具有刚度(包括压缩及拉伸)，震荡使得被抽经纱端部受到压缩及张拉的双向作用，当摩擦因数增加后，模型的震荡现象逐渐减弱，曲线正反波动现象不明显.此外，对于纱线的峰值抽出载荷进行统计，如图9所示，图中为峰值载荷.可知，摩擦因数变化对于纱线移动性能的影响显著，随摩擦因数增加，峰值抽出载荷呈增加趋势且增幅平稳，摩擦因数由0增至0.2， 峰值抽出载荷增幅达227.41%，增加明显.

3.4 纱线截面及模型尺寸影响分析

在相同外载条件下(=0，=0.2)分别进行经向、纬向纱线抽出的数值模拟，可分析纱线截面尺寸变化对于纱线移动过程的影响，如图10所示.可知：经向、纬向纱线的载荷-位移曲线衍变特征相似，均呈阶梯型变化，且波峰转变位置一致.经向纱线移动荷载在全域范围内明显高于纬向，其中峰值抽出荷载差异最为明显，经向较纬向增加达36.34%.上述差异主要归因于经纬向纱线机织的几何差异.首先经纱截面较纬纱截面更薄、更宽，使得与纬向纱线交叉点处接触面积增大，在移动过程中所受摩擦阻力也会相应增大.其次，经纱轨迹的波动程度略大(卷曲度高)，由卷曲到拉直过程中所产生的束缚效应增强，进而导致经纱移动过程中峰值荷载的增加.

(3) 纱线横截面形状沿着其路径方向保持不变，忽略纱线束截面的扭转变形.

对于基布尺寸影响分析，则将有限元模型沿经纱方向加长一倍建立新的数值模型.预应力为 300 MPa，摩擦因数0.2，纱线移动速率恒定，得到纱线移动过程的荷载-位移曲线，如图12所示.可知，曲线呈现阶梯型衍变特征，相较于原尺寸模型，纱线移动荷载值增加明显，峰值抽出荷载明显提高，可达2倍以上，主要归因于经线、纬线交叉点数目增大，接触面积增加，移动过程中纱线所受束缚作用增强.另外，在较高的纱线移动荷载作用下，固定端部纬纱抽出荷载相较于原始模型增幅明显，其中初值增幅达7%，后续增幅扩大趋势显著，如图13所示.

（3）管道敷设。给排水管道布置时应遵守“压力管让重力管，小管径让大管径，支管让干管”的原则。管线交叉时，优先设计重力管，然后再进行压力管设计。本项目污水排水管为重力管，设计时先干管后支管，做到管线最短、管径最小、埋深最小，充分发挥出重力的作用。优先设计主管道以及管径较大的管道，尽量保证管线布置水平，避免出现交叉、打弯等情况，且主管道应尽量靠近最大用户布置。本项目中回水供水管主管管径DN1000，主要回水用水点为选矿厂房，因此优先在选矿厂房旁布置回水供水管道。

3.5 预应力影响分析

各预应力水平下抽出纱线沿移动方向的荷载-位移关系曲线如图14所示.由图可知，各预应力水平下的载荷-位移曲线表现出相同的阶梯型变化规律，经纱端部荷载随预应力的增加总体呈现出增大的趋势.预应力由200 MPa增加至700 MPa，峰值抽出荷载提升34.49%.此外，根据峰值抽出荷载随预应力变化关系(见图15，图中为峰值应力)可知，峰值抽出荷载随预应力的增加逐渐增大且增幅平稳，主要由于纱线所受预应力增加，使得经纬向纱线之间卷曲度改变、纱线截面更加趋于扁平状，经纬向纱线接触面积增大，移动过程中相互束缚作用增强，进而曲线全域荷载及峰值抽出载荷逐渐增大.

3.6 纱线移动断裂影响因素分析

预制装配式混凝土建筑技术在沉寂20年之后重新再次兴起是在20世纪90年代，但是由于当时在技术和人员上面都是非常匮乏的，且在短时间内不可能实现太大的发展。面对中国各地建筑业转型升级的迫切需要，近几年国家和建筑行业陆续出台相关方针政策和发展目标大力发展预制装配式结构，目前，已有多个省市自治区启动了相应的扶持政策。从市场占有率的角度来看，中国目前的装配式建筑在市场中还处于起步阶段。从技术成熟度方面，我国装配式结构技术还不够成熟。从成本投资方面，代价投资比较高。但我相信随着技术的进步和管理水平的提高，以及运营的成熟，预制装配式建筑混凝土结构在我国未来20年内必将得到大力发展与推广。

可以看出，在抽出荷载作用下被抽出经纱应力较大区域集中在经向纱线上，且沿着远离加载端面方向的应力逐渐减弱.拉出过程中，被抽出纱线整体处于伸直状态，纱线交叉接触，其间的摩擦阻力及缠绕力平衡了端部移动荷载，当达到极限抽出载荷时被抽纱线发生断裂，且断裂区域主要集中在抽出端附近.另外，纱线移动过程中部分区段的应力呈现不均匀变化，相同截面处应力值也存在差异，表现为移动纱线中部分网格单元达到断裂强度而预先失去承载能力(见图16(a)、16(c)与16(d)).

不同预应力水平下抽出荷载-位移曲线变化特征相似(见图17)，当抽出荷载接近纱线断裂强度时，曲线呈现震荡变化特征，主要原因在于纱线拉伸过程中纱线交叉点处的局部网格单元因应力集中逐渐达到断裂强度值而失效缺失，抽出荷载表现出震荡的平台区段.在拉力作用下纱线界面最终完全断裂，抽出荷载值迅速降低，整个过程并未出现阶梯变化特征且移动纱线处于伸直状态.

各摩擦因数下，随着预应力的增加，纱线抽断强度呈增加趋势(见图18，图中为抽断强度)，主要原因在于预应力的增加使得纱线间的连接更加紧密，抽出纱线与交织纱线的摩阻力增大，因此平衡摩阻力的抽出载荷逐渐增加.纱线移动过程中抽断强度随摩擦因数的变化关系列于图19.各预应力水平下，抽断强度随摩擦因数的增加而快速增大，其中，摩擦因数从0.1增至0.2抽断强度增幅达16.48%.此外，随着预应力的增加曲线线性化程度明显增强.

将5种预应力水平下的纱线抽断形态进行对比分析，通过纱线断裂端的网格数量计算出各工况下的纱线抽断长度，进而获得了纱线抽断长度随预应力的变化关系曲线，如图20所示，图中为抽断长度.由图可知，纱线抽断长度随预应力的变化无明显特征规律，随机性较强.摩擦因数为0.1时，较其它因数曲线变化趋势有较大差异，曲线呈现先降低后增加的变化趋势.预应力为40 MPa时，抽断长度达到最大值，观察其抽断等效应力云图(见图21)可知，应力集中区域分布较为均匀(应力均匀化)，单元失效缺失现象呈现出“竹节”变化，断裂截面距端部较远，进而抽断长度较大.当预应力为100 MPa， 摩擦因数为0.15时，破坏形态也呈现类似的竹节特征，抽断长度较其它预应力情况偏大.因此，纱线的抽断长度与实际所处应力环境有很大关系，应力均匀化是纱线抽断长度增加的重要影响因素.

该工法工艺简单，与其他形式的基础相比没有增加复杂的操作工序，施工速度显著提高；且这种基础形式传力简单明确，施工材料来源稳定，费用较低，施工快捷方便。

根据前人研究成果和区内地质灾害发育现状[26-27]，在充分考虑资料可获得性、研究范围大小、研究精度等因素的前提下，最终本区易发性评价体系选取地形地貌、地质构造、工程岩组、水系、降雨、植被覆盖率和人类工程活动7个指标。其中，地形地貌、地质构造、工程岩组、水系4个指标是地质灾害形成的内因，降雨、植被覆盖率、人类工程活动3个指标是诱发地质灾害的外因。在此基础上，统计分析评价指标与地质灾害发育的确切关系，制定符合本区易发性评价的分级标准，见表3。

4 结论

基于系列工况及参数下典型平纹机织织物膜材的纱线移动行为研究，得出如下主要结论：

(1) 该平纹机织织物纱线移动过程可分为两个阶段，分别为静摩擦阶段和抽出移动阶段，不同工况下荷载-位移曲线衍变特征基本一致，均呈现阶梯型变化.随着摩擦因数的增大，移动荷载全域范围内呈现增加趋势，峰值抽出荷载稳步提高.

(2) 由于经向、纬向纱线机织的几何差异，经纱抽出荷载及固定端荷载在位移全域内明显高于纬纱，其中经向峰值抽出荷载较纬向增加近40%.材料长度尺寸与经纬纱线交叉点数目、摩擦力及束缚效应直接相关，纱线抽出荷载及峰值抽出荷载均随尺寸增加增幅明显.而预应力水平改变将改变经纬纱线卷曲度与交叉状态，并造成纱线截面扁平化，增加经纬向纱线间接触面积，增强移动过程中的相互束缚效应，可明显提升抽出峰值抽出荷载.

放翁除了与方外琴人的交往较为密切外，他还将古琴作为其修道的一种方式。如其淳熙十年九月作于山阴的《道室即事》一诗：“一簪残雪寄林亭，手把黄庭两卷经。琴调养心安澹泊，炉香挽梦上青冥”[3]282，因琴调具有“养心安澹泊”的功能，所以陆游修道时不仅阅《黄庭经》，而且借琴调修道。嘉泰元年秋作于山阴的《道室书事》一诗开头即言：“榻上一琴横，中函太古声。丹砂烧已死，芝草种初生”[3]718，陆游认为琴音中有太古之声，所以将弹琴与炼丹都视为修道的方式。

(3) 该平纹机织织物纱线抽断强度受预应力水平及摩擦因数影响显著，与二者明显呈正相关.摩擦因数从0.1升至0.2时，抽断强度增幅达16%.机织织物纱线的抽断长度与实际所处应力状态紧密联系，受荷载工况干扰显著，而应力均匀化是纱线抽断长度增加的关键因素.