熱軋非織造材料力學性能有限元分析*

(東華大學，上海，201620)

熱軋非織造工藝是利用一對或兩對鋼輥或包有其他材料的鋼輥對纖網進行加熱加壓，導致纖網中部分纖維熔融、流動、擴散而產生黏結，冷卻后，纖網得到加固而成為熱軋非織造材料［1］。20世紀80年代初，美國將聚丙烯熱軋非織造材料用作用即棄尿布面料代替了原來以聚酯纖維、黏膠纖維為主體材料的化學黏合非織造材料。熱軋黏合特別適合于加固薄型非織造材料，因而發展迅速。熱軋非織造材料應用廣泛，如用于手術衣帽、口罩、婦女衛生巾、嬰兒尿褲、成人失禁墊及各種工作服和防護服等，熱軋非織造材料還大量應用于服裝襯布，電纜、電機絕緣材料，電池隔膜，箱包襯里，包裝材料和涂層基布等［2］。

近年來，熱軋非織造材料的物理模擬和數值模擬一直是研究熱點，國外對非織造材料微觀結構和拉伸機理進行了深入研究［3-8］，并將其運用到數值模擬中。研究主要集中在運用專業有限元軟件模擬熱軋非織造材料。目前模型分為三種:第一種模型是用shell單元模擬熱軋非織造材料，該模型可用來模擬熱軋非織造材料的宏觀拉伸性能，不能體現熱軋非織造材料微觀結構上的縫隙對材料力學性能的影響［9］;第二種模型運用shell單元模擬熱黏合點，運用truss單元模擬纖維，但沒有考慮材料取向對熱軋非織造材料力學性能的影響［10］;第三種模型是在第二種模型的基礎上考慮了纖維取向分布對熱軋非織造材料力學性能的影響［11］，但該模型是在纖維取向分布函數基礎上模擬的材料取向，由于熱黏合點的存在，纖維的取向不能代替整體材料的取向。

本文提出一種建立熱軋非織造材料的有限元模型的新思路:利用同軸反射光顯微鏡結合多聚焦圖像融合技術，得到熱軋非織造材料的清晰圖像，取得纖維的位置信息;再利用python語言編寫非線性有限元軟件ABAQUS可讀子程序，利用子程序構建熱軋非織造材料幾何結構有限元模型。

1 熱軋非織造材料纖維性能參數

本文所用材料為聚丙烯短纖熱軋非織造材料，面密度為17.89 g/m2，黏合面積比是11.83%。材料中聚丙烯纖維的直徑為2.2 dtex，長度44 mm，斷裂伸長率≥300%。圖1是纖維在三種拉伸速度下的應力—應變曲線。

圖1 材料樣品中聚丙烯纖維的應力—應變曲線

力學拉伸實驗可得到名義力學拉伸曲線，真實力學拉伸曲線需經計算獲得，計算公式為:

式中:εnom，σnom——分別為名義應變和應力，由實驗直接測得;

εtrue，σtrue——分別為計算所得的真實應變和應力;

ΔL，L——分別為纖維的變化長度和原始長度;

F——纖維所受的力;

A——纖維的原始直徑。

拉伸速度不同對纖維的力學拉伸性能有一定的影響，但初始模量不變，通過公式(1)和公式(2)可計算得到建模過程中需要的初始模量參數，其值為760 MPa。

2 構建熱軋非織造材料有限元模擬

2.1 非織造材料融合圖像的獲取

要得到熱軋非織造材料有限元模型，需要獲取熱軋非織造材料的清晰圖像和纖維位置信息。運用普通光學顯微鏡拍攝熱軋非織造材料時，由于光學顯微鏡景深的限制，不能在同一個聚焦平面上獲得所有纖維的清晰成像。為此，本文使用同軸反射光顯微鏡，運用課題組前期研究的多層聚焦圖像融合技術［12］，在熱軋非織造材料厚度方向上采集多層圖像，實現貫穿纖網的多層圖像數據融合，如圖2所示。

圖2 非織造材料多層圖像融合算法

2.2 模型建立

由于加工工藝等原因，熱軋非織造材料很難形成規整的邊界。本文在多層融合圖像基礎上，將熱黏合點簡化為矩形(見圖3)，并根據熱黏合點邊界和纖維的交點來確定纖維的端點位置信息，再通過python語言編寫ABAQUS程序，將彎曲纖維簡化為直線，即連接纖維兩個端點形成直線(見圖4)。

從樣品的清晰融合圖像中，在課題組前期研究的圖像融合軟件基礎上增添讀取纖維和熱黏合點端點坐標的代碼，讀取纖維和熱黏合點端點坐標數組，在Editplus文本編輯器中運用python編程語言編寫熱黏合點和纖維的重構代碼。

圖3 熱黏合點簡化

圖4 纖維位置信息

(1)熱黏合點重構中的部分代碼如下:

#!/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)纖維重構中的部分代碼如下:

#!/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］)

通過子程序建立的材料熱黏合點和纖維結構見圖5。

圖5 通過子程序建立的材料熱黏合點和纖維結構

實驗所用熱軋非織造材料樣品厚度為0.036 mm;材料中熱黏合點大小為0.7 mm×0.7 mm，上下、左右隔距為0.8 mm(見圖6)，熱黏合點初始模量參數設置為5 000 MPa;通過公式(1)和公式(2)可以計算出材料中纖維的初始模量為760 MPa。本文使用shell單元模擬熱黏合點，用truss單元模擬纖維。為了模擬真實的拉伸條件，模型的一端固定，使用“ENCASTRE”約束條件，將材料另一端拉伸速度設置為25 mm/min。基于上述參數條件的熱軋非織造材料有限元模型包含纖維和熱黏合點兩部分(見圖7)。

3 有限元分析

3.1 熱黏合點參數對材料性能的影響

圖6 材料的融合圖像

圖7 材料的有限元模型

在熱軋非織造材料的實際生產過程中，材料中纖維部分經熱軋設備的軋輥的加熱加壓及再冷卻形成熱黏合點。熱黏合點應是大尺度下的纖維集合體，并且是有損傷的和內部應力集中的大尺度纖維集合體，其力學性能應和纖維有一定的相似性，但實際上對熱黏合點進行具體的測試難度卻很大。國外有關的研究表明［9］，低密度熱軋非織造材料中熱黏合點可視為彈性體，并在模型中將彈性模量參數設置為纖維彈性模量的3倍，而該項研究對于這個設置并沒有給予解釋。本課題借鑒相關文獻［9-10，13］中參數設置的思路，通過建立的非織造材料的幾何結構有限元模型，對比不同參數條件下有限元模型模擬獲得的應力—應變曲線，確定熱黏合點的材料屬性參數。

在熱軋非織造材料生產加工中，由于軋輥的溫度、壓力和生產的線速度等其他因素對于材料的熱黏合點形成有非常重要的決定作用，參數的改變將使材料的熱黏合點力學性能隨之改變，因此該模型所得熱黏合點的材料屬性參數是否適合于因生產工藝不同所制得的材料，還需要進一步的驗證。雙組分纖維的性能與聚丙烯纖維完全不同，所以對于雙組分纖維紡粘熱軋點黏合非織造材料，模型所得參數是否可以使用還需進一步的研究。模型由于節點數目較多，同時目前ABAQUS軟件中沒有準確的失效模式，模型最多運行到應變值為0.47時，因收斂問題而不能繼續運行。

在圖8中:模型中纖維材料的屬性參數由公式(1)和公式(2)計算獲得;曲線1、曲線2、曲線3和曲線4為模型所得曲線，材料曲線為樣品拉伸實驗所得曲線。

圖8 不同熱黏合點參數條件下模型所得應力—應變曲線及樣品拉伸實驗應力—應變曲線

曲線1中熱黏合點的彈性模量參數為纖維彈性模量參數的3倍，塑性參數和纖維塑性參數相同，曲線近似線性函數，表明在此模型中，該參數不合理。

曲線2中熱黏合點的彈性模量參數為纖維彈性模量參數的5倍，塑性參數和纖維塑性參數相同，曲線為非線性曲線，并且和真實的應力—應變曲線變化趨勢一致。

曲線3中熱黏合點的彈性模量參數為纖維彈性模量參數的5倍，未設置塑性參數，曲線3和曲線2非常接近。為了比較兩者之間的差距，本課題引入差距比率:

式中:S3——曲線3中應力值;

S2——曲線2中應力值。

在0°模型中，當應變為0.38時，曲線2的應力是0.85 N/mm，曲線3的應力是0.89 N/mm，兩者之間的差距比率是4.5%。

在90°模型中，當應變為0.38時，曲線2的應力是1.31 N/mm，曲線3的應力是1.4 N/mm，兩者之間的差距比率是6.4%。

計算曲線2和曲線3中應力的差距比率平均值為5.4%。曲線2和曲線3中熱黏合點彈性參數相同，熱黏合點的塑性參數不同，表明熱黏合點中的塑性參數對整個材料的應力影響為5.4%，影響很小。

曲線4中熱黏合點的彈性模量參數為纖維彈性模量參數的20倍，未設置塑性參數。根據差距比率公式計算曲線3和曲線4之間差距比率，0°模型的差距比率數值為14.1%，90°模型的差距比率數值為10%，兩者的平均值為12.05%，即當熱黏合點的彈性模量從5倍纖維彈性模量增大到20倍纖維彈性模量時，兩者之間的差距比率是12.05%。結合曲線2和曲線3的差距比率5.4%，表明相對于黏彈性的纖維而言熱黏合點可被視為彈性體。

3.2 纖維參數對材料性能的影響

在圖9中:曲線1和曲線2為模型所得曲線，材料曲線為樣品拉伸實驗所得曲線。

曲線1中纖維的參數為纖維原始參數，也即是從纖維的單纖拉伸實驗中得到的參數。曲線2中纖維的參數為纖維原始參數的5倍。從材料曲線、曲線1和曲線2的變化過程可以發現，纖維的性能對樣品的力學性能有一定的影響。

在0°模型中，應變值為0.38時，曲線1的應力是0.85 N/mm，曲線2的應力是1.275 N/mm，曲線2的應力是曲線1應力的1.5倍(1.275/0.85=1.5)。假設其他因素不變，纖維的材料屬性參數是原來的5倍時，其應力是原來的1.5倍，即纖維對整個材料應力的影響為30%(1.5/5=0.3)。

圖9 不同纖維參數條件下模型所得應力—應變曲線及樣品拉伸實驗應力—應變曲線

在90°模型中，應變為0.38時，曲線1的應力是1.21 N/mm，曲線2的應力是1.84 N/mm，曲線2的應力是曲線1應力的1.52倍(1.84/1.21=1.52)。假設其他因素不變，纖維性能對整個材料應力的影響為30.4%(1.52/5=0.304)。

0°模型和90°模型表明:在材料的應變值為0.38時，纖維性能對整體材料應力的影響分別為30%和30.4%，而其他如熱軋黏合形式、熱軋輥溫度、熱軋輥壓力、生產速度、纖網面密度及冷卻條件等因素對整體材料的影響為70%。

4 結論

本文利用多聚焦圖像融合技術，結合python語言編程構建了熱軋非織造材料的有限元模型。通過有限元模型模擬所得應力—應變曲線與樣品拉伸實驗的應力—應變曲線的對比，研究了材料中熱黏合點和纖維性能對整個材料的力學性能的影響。對比不同參數條件下的有限元模型所得應力—應變曲線發現:材料中熱黏合點可以視為彈性體，其塑性參數對整個材料的力學性能影響為5.4%;在應變為0.38時，纖維性能對整體材料應力的影響為30%，而熱軋輥溫度、生產速度、纖網面密度及冷卻條件等因素對整體材料應力的影響為70%。

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