纬平针织物的力学性能有限元分析

王旭辉 江文斌 王金凤

DOI： 10.19398j.att.202309019

摘  要：针对用纱线进行纬平织物打样试织来预测织物力学性能和外观效果费时费力的问题，通过有限元分析对5种纬平针织物进行力学模拟测试实验。首先拍摄织物图像，选取19个特征点并获取坐标，用3次NURBS曲线对特征点进行拟合，构建微观单线圈中心曲线3D模型；根据该模型建立细观线圈单元模型，并通过衔接嵌套得到宏观织物模型。然后依次利用ABAQUS软件对单根纱线进行拉伸模拟实验，验证其在ABAQUS中赋予的材料属性正确性；对织物模型进行纵向拉伸和顶破实验，将材料属性在ABAQUS中赋予宏观织物模型，根据国家标准赋予分析步并提交分析。结果发现，模拟结果与实验结果基本一致。该分析方法的应用可降低企业的打样成本。

关键词：有限元分析；ABAQUS；力学；图像处理；3D建模

中图分类号：TS195.644

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2024）06-0080-09

收稿日期：20230918

网络出版日期：20240126

基金项目：纺织工程国家级教学示范中心项目（2020FZ03）

作者简介：王旭辉（1998—），男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事针织物开发方面的研究。

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

随着计算机的发展，纺织CAD技术在纺织行业尤其织物模拟中迅速发展。研究者们倾向使用计算机技术对织物的力学性能预测［1-2］。这种预测方式不仅可以快速得出结果，还可以减少工作时间和成本［3］。当前的技术主要围绕传统的Peirce模型对线圈模型进行改进［4-5］，将线圈模型衔接成织物模型导入ABAQUS进行力学模拟预测［6］。然而，由于织物中的纱线相互交织结构复杂，模拟计算过于庞大，因而须简化模型，但模拟结果与实际试验现象存在一定的偏差。有限元的模拟分析可以将复杂的工程结构问题拆分成有限个简单单元来进行数值分析。孙亚博等［7］通过对筒状纬编针织物的力学性能有限元分析模拟，其模拟值与实验值最小误差保证在1.3%以内。刘倩楠等［8］利用ABAQUS软件对三元组织的机织物拉伸状态下能量变化进行有限元分析模拟，验证了有限元分析的可行性。石若星等［9］通过对玄武岩长丝芳纶间隔纱织物复合板进行压力有限元分析模拟，得出结果与实验值相符。以上研究都表明，在织物力学性能上可使用有限元分析。

本文使用选取特征点的方式，利用Rhion软件建立线圈的中心曲线，建立与真实织物1∶10的细观模型进行力学有限元分析，通过对5种织物的纵向拉伸和顶破的对比分析，验证对纬平织物力学性能使用有限元分析的可行性，期望通过该方法减少企业打样的次数从而降低生产成本。

1  实验部分

1.1  实验原料

本文选用了5种纬平结构组织的针织平纹布，具体参数见表1。其中1#、2#、3#、4#为相同成分不同支数的布料，5#为纯棉成份且克重与4#相近的布料。涤棉织物购买于绍兴柯桥松璨针纺有限公司，纯棉织物购买于闽鸿泰纺织品公司。织物基本参数如表1所示。

1.2  力学性能测试方法

根据GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长的测定（CRE法）》，使用YG（B）021DL电子单纱强力机对纱线进行拉伸测试。

根据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）》、GB/T 19976—2005《纺织品 破强力的测定 钢球法》使用YG026T-Ⅱ电子织物强力机对织物分别进行拉伸和顶破测试。

2  力学性能测试分析

利用ABAQUS软件对所建立针织纬平模型进行力学模拟，材料属性由单根纱线的拉伸性能所决

定。纱线由织物脱散而来，纱线应力应变曲线如图1所示。纱线材料具有柔软、耐疲劳等特点，因此可将其视为非线性弹塑性材料。根据材料特点得出纱线性能参数，如表2所示。织物应力应变曲线如图2所示。

3  织物建模与有限元分析

3.1  织物建模

本文以织物1#为例，根据上述国家标准中的测试参数赋予织物模型进行有限元分析。为了保证所建模型与实际织物的一致性，使用Axio Cam Erc 5S蔡司偏光显微镜对织物进行拍摄，并提取其特征点，对几何参数进行测量。首先在标准光源下使用Axio Cam Erc 5S蔡司偏光显微镜对织物1#进行30倍和50倍变焦下拍摄，并在50倍变焦下对织物图片参数进行测量，拍摄照片如图3所示。在30倍变焦下寻找能代表大部分线圈形状的线圈，并放大至50倍对其参数进行测量。线圈纱线直径的测量结果如图3（b）所示，寻找5个线圈进行测量其范围为0.30～0.35 mm，直径取值为平均值0.32 mm。

对选取的线圈图像建立直角坐标系，在线圈的纱线中心处选取合适的特征点，左边第一个点编号为1，从左依次排序。1-4、16-19表示沉降弧，5-7、13-15表示圈柱，8-12表示针编弧，特征点如图4所示。选取适当个数的特征点可以保证模型的精确度和运算数据量在合理范围，本文选取19个点。

获取特征点的坐标，以测量每个特征点到X轴和Y轴的距离得到特征点的XY坐标值。在60倍变焦下拍摄织物的横截面测量获取Z坐标值，如图5所示。获取Z坐标值需要测量特征点到XOY平

面的距离，因为线圈的对称性，只需要测量特征点1-10到XOY平面的距离即可。对所有的点测量完毕后，获得每个特征点的XYZ坐标，如表3所示。

将所得坐标点导入Rhino软件中，对各个特征点进行3次NURBS曲线［10］拟合，生成线圈中心曲线，NURBS曲线较为灵活，可以通过改变点和权因子来改变曲线形状，函数表达式为：

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

式中：t∈［tmin，tmax］；Ci为特征多边形控制点的位置矢量；ωi是控制点Ci处的权因子；k为曲线次数Ni，k（t）为k次样条基函数。微观单线圈中心曲线模型如图6所示。

在完成线圈中心曲线的建模后，以中线曲线为中心赋予实际测量半径值来建立细观单个线圈实体模型，如图7所示。

为满足对织物有限元分析，需要对线圈进行衔接和嵌套处理形成布料。首先对单个线圈中心曲线衔接到所需长度，然后以中心曲线上点为圆心，赋予实际测量值为半径生成细观单横向线圈模型；后对细观单横向线圈进行纵向嵌套，得到所需布料宏观模型实体，如图8所示。

3.2  纱线及织物力学性能有限元分析

织物有限元分析具体步骤如图9所示，为了保证计算的效率和准确性有限元分析模型与国标测试尺寸为1∶10。

3.2.1  纱线力学性能有限元分析

建立单根纱线模型并导入ABAQUS中，材料属

性按照表2赋予，使用延性金属损伤中的柔性损失作为破坏准则，分析步设定为动态显示模式，边界载荷设定与国标测试一致。根据表4中所得种子（Mesh）为0.1时，在应变为2%、4%、6%时差异率均最小，所以选用Mesh=0.1。差异率由实验值与模拟值的绝对值差除以模拟值得出。网格划分使用C3D8R六面体单元类型，C3D8R六面体单元具有较高的准确性和灵活性，适用于线性和非线性的应力分析，可以在保证准确率的同时兼顾效率。纱线有限元分析图，如图10所示。结果对比如图11所示。

图11（a）为纱线的有限元分析拉伸应力应变曲线，图11（b）为纱线实验结果与有限元分析结果的对比图，可以看出有限元分析结果基本与实验结果一致，详细比较如表5所示。表5表示应变在2%、4%、6%时实验值与模拟值应力差异情况，其中差异率最大为4.3%，最小差异率为0.5%，该有限元模型模拟值与实验值差异率均小于5%，表明了纱线材料属性的有效性和有限元分析的可行性。

3.2.2  织物力学性能有限元分析

在经过对纱线的有限元模拟分析后，现对织物进行拉伸、顶破性能有限元分析，本文以织物1#为例展示。

根据国标测试标准使用Rhino建立1∶10有限元分析模型并导入ABAQUS部件中并进行装配，按照表2纱线属性进行材料属性设定，根据国标测试标准进行边界载荷设定；在接触模块中，因为纱线之间会有接触和摩擦，根据表6、表7中数据得出，当Mesh尺寸为0.1且摩擦系数为0.25时差异率均最小。本文选用通用接触并且摩擦系数为0.25；网格划分继续使用C3D8R六面体单元类型，种子尺寸为0.1，这种算法使用结构化划分网格，单元形状规则

且均匀。图12为织物1#纵向拉伸与顶破性能有限元分析图和实验图，从图中可以看出：在纵向拉伸过程中主要受力为圈柱，线圈中的纱线因受力由曲变直并承受拉力，圈柱受力伸直与拉伸的方向夹角变小且圈高变长，整个线圈逐渐变长直到纱线断裂；在顶破的过程中，主要的受力也为圈柱，线圈受力拉长伸直，圈柱与钢球运动方向夹角逐渐变小，受力也变大直至断裂。

图13为有限元分析拉伸应力应变曲线和顶破位移载荷曲线与实验值和模拟值的对比图，拉伸与顶破的模拟值总体都比实验值偏高。这是因为实际织物的纱线相互作用复杂，在有限元分析中网格划分种子的大小影响准确度。有限元分析结果与实验结果的上升趋势基本一致，吻合度高。支数越大，应力应变曲线的斜率提高，与实验结果一致。

表8和表9分别为织物纵向拉伸实验和顶破实验与有限元分析结果。织物纵向拉伸有限元分析过程中，在应变10%、20%时实验值与模拟值之间的差异率均小于5%，顶破有限元分析过程中最大位移量和最大位移量对应的最大载荷模拟值与实验值之间的差异率均小于5%。证明了有限元分析模拟预测织物拉伸性能和顶破性能的结果具有参考价值。

4  结论

本文选用了5种相同结构组织的针织平纹布，通过5块布料的对比更直观得出有限元分析的可行性。使用 Axio Cam Erc 5S 蔡司偏光显微镜对织物进行拍摄并选取19个特征点，测量其xyz坐标值并将特征点的坐标导入Rhino软件中，使用3次NURBS曲线生成线圈中心曲线，通过中心曲线建立细观单横向织物模型，将细观单横向织物模型嵌套后得到宏观织物模型，这种方法可以使织物模型达到比较理想的相似度，保证有限元分析结果的准确性。

先对纱线进行拉伸实和模拟实验，5种织物的纱线差异率均小于5%，最小差异率低至0.5%，验证了在ABAQUS中赋予纱线模型材料属性的可行性；后对织物进行纵向拉伸和顶破实验及有限元模拟实验，5种织物差异率均小于5%且曲线的趋势基本一致，验证了纬平织物使用有限元分析预测力学性能的可行性与有效性。

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喜讯：《现代纺织技术》入选RCCSE中国核心学术期刊

近日，由中国科教评价研究院、武汉大学中国科学评价研究中心（RCCSE）、武汉大学图书馆、中国科教评价网等单位联合研制的《中国学术期刊评价研究报告》发布，《现代纺织技术》入选“RCCSE中国核心学术期刊”，并首次进入A-等级。

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