應用ABAQUS的織物熱傳遞有限元分析

吳佳佳， 唐 虹

(南通大學 紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019)

應用ABAQUS的織物熱傳遞有限元分析

吳佳佳， 唐 虹

(南通大學 紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019)

為拓展機織物熱舒適性設計、評估和優化的思路，提供一種有效預測織物熱阻的方法，基于織物的三維模型及傳熱學理論，對織物系統進行一維熱傳遞的數值模擬，得到織物傳熱過程中的溫度分布特征。利用顯微圖像及切片技術獲取織物幾何結構參數，建立平紋織物的幾何模型，并與紗線周圍靜止空氣裝配，構成織物系統的三維模型，借助有限元分析軟件ABAQUS，根據模擬環境設置邊界條件與相互作用，計算模型的數值解。最后通過模擬皮膚散熱的恒溫平板實驗，對數值模擬結果進行驗證，結果顯示：織物外表面溫度的模擬值與實驗值隨時間變化的一致性較好，理論熱阻值與實驗熱阻值相對誤差為3.9%，二者吻合度較高。

織物； 幾何模型； 熱傳遞； 數值模擬； 熱阻

織物作為人體與環境熱交換平衡的媒介，其熱傳遞性能直接影響人體生理的舒適性。近年來，研究人員對織物傳熱模型的理論與計算進行了深入的研究。Bhattacharjee等[1]根據pierce橢圓模型描述織物的微觀結構形態，由材料的熱物性參數與織物幾何結構參數建立了織物總熱阻的預測方程。范堅等[2]建立了織物單元結構一維、二維傳熱的數值模型，得到織物結構，包括紗線位置與彎曲方向及織物纖維對織物內部溫度分布的影響規律，這類研究主要基于織物材料特性與結構特征，并結合具體情況做出進一步的假設，給出邊界條件以求解數學模型[3-4]。

由于熱量通過紡織品傳遞時的動態性及影響因素的非線性，導致復雜傳熱模型的求解非常困難，往往需要借助計算軟件編程運算[5]。隨著計算機技術的發展，織物三維建模軟件的應用突破了需將織物簡化為勻質平板進行傳熱分析的局限，使織物的幾何表達更符合實際情況，同時有限元軟件的引入，實現了模型求解的準確性與高效率[6-8]。

本文通過實測平紋織物的組織結構與交織規律，構建織物的三維幾何模型，利用有限元分析軟件ABAQUS對織物系統模型的傳熱過程進行模擬，預測織物系統的總熱阻以及織物外表面的溫度變化，并通過實驗測試對模擬結果進行驗證。

1 織物幾何模型建立

1.1 幾何模型參數的獲取

麻纖維織物具有優良的吸濕、透濕、散熱性以及天然的抗菌、抑菌等功能，引入棉纖維混紡可改善麻纖維成紗質量與織物手感，因而麻/棉混紡織物在夏季面料中較為常見，本文以經緯紗均為麻/棉(70/30)混紡紗的平紋織物為研究對象，織物面密度為130 g/m2，經紗線密度為18 tex，緯紗線密度為35 tex，經緯密為250根/10 cm×210根/10 cm。

通過切片及顯微圖像技術[9]獲取織物的幾何結構參數和紗線截面形態，切片前用火棉膠對織物進行包埋處理，固定織物的結構狀態，防止紗線松散，沿著同一根紗線的直徑進行切片，以保證切片能呈現紗線真實的截面形態及屈曲狀態。在織物不同部位的顯微照片上多次測量取平均值，表1示出實測織物幾何結構參數。

表1 織物幾何結構參數

考慮織物表面毛羽的影響，機織物的厚度包括含毛羽的厚度以及織物結構相厚度，二者關系[10]為

式中：△TH為毛羽的平均高度；TS為織物中支持面紗線的屈曲波高與該紗直徑之和，由織物截面切片測量而得；Tmax為低負荷(2 g/cm2)下織物的平均厚度。本文中織物模型厚度由TS確定，空氣模型厚度由Tmax確定，分別為0.285 mm和0.295 mm。

1.2 織物模型的建立

利用TexGen軟件建立平紋織物的三維幾何模型，輸入織物厚度、紗線根數、紗線寬度、高度及間距，構建經緯組織點自動生成平紋組織。調整織物模型，在 Peirce 模型的基礎上，采用B樣條曲線描述紗線屈曲形態，用橢圓形描述截面形狀，紗線交織接觸，避免紗線彎曲處出現尖角和交叉，實現參數化控制，構建平紋機織物紗線空間的曲面模型，最后選擇以stp格式導出模型[11-12]。圖1示出織物平面和截面切片的顯微圖與模型圖。

圖1 平紋織物

2 有限元傳熱分析

2.1 假設條件

由傳熱學理論[13]可知，當織物的縱向厚度遠小于橫向的長度和寬度時，可認為它的導熱只沿厚度方向進行。為了簡化問題，本文將模型內部的傳熱視為沿織物平面法向的一維傳熱，其他方向的邊界絕熱，且纖維材料為各向同性。由于模擬的是常規情況下的熱量傳遞過程，織物系統內部之間的溫差及織物與環境間的溫差都較小，因此忽略熱輻射的作用，只考慮紗線與周圍靜止空氣的熱傳導，以及織物系統外表面與環境對流換熱，忽略紗線中纖維孔隙與水分的傳熱。

2.2 前處理

在軟件ABAQUS/CAE中導入織物部件后，創建紗線周圍的空氣部件，通過定位將二者裝配為包含靜止空氣的織物系統模型，并賦予紗線與空氣截面相應的材料屬性[14]。假設紗線為麻、棉的勻質實體，忽略紗線內纖維間的空氣，且熱通道為棉、麻纖維并聯，紗線的導熱系數K按下式[13]計算：

式中：ε為棉纖維含量；kc為棉纖維導熱系數；kl為麻纖維導熱系數。表2示出棉、麻纖維與空氣的熱物理性質參數。

表2 材料的物理性質

在ABAQUS中統一以mm為單位。采用自由網格劃分技術將整個模型分為61 034個DC3D4單元，圖2示出劃分網格的織物與空氣模型。

圖2 網格模型

2.3 分析計算

創建初始分析步，定義預定義場。假設環境為夏季舒適的空調室內環境，將整個模型的初始溫度設定為24.5 ℃。創建后續分析步，編輯相互作用，設置紗線表面與周圍靜止空氣間的接觸熱傳導，熱傳導率為2.34×10-5W/(mm·℃)；按第1類邊界條件給定邊界溫度，織物內表面貼近皮膚，溫度逐漸上升，以皮膚溫度確定模型內表面的最終溫度為32 ℃，設置溫度幅值，T0為逐步增大的溫度載荷；設置模型外表面與外界環境的對流換熱，對流換熱系數為5 W/(m2·℃)。設定分析步的總長為540 s，固定步長即間隔時間為20 s。

在關鍵詞編輯器中輸入*CONTACT PRINT命令，添加關鍵詞SOH與SOAREA，分別輸出通過模型的熱流量(10-3W)與垂直熱流方向的面積(mm2)；輸入*Node Print命令，添加關鍵詞NT11，輸出模型外表面節點上的溫度，所有設置完成后提交作業進行運算。

2.4 后處理

在可視化模塊中可查看不同時間進程下模型的溫度云紋圖，在DAT文件中查詢每個分析步下模型熱流量φ與外表面上所有節點溫度，并求出外表面的平均溫度TL。圖3示出540 s時模型的溫度場分布，織物的溫度沿著熱量傳遞方向逐漸遞減，紗線交織區域的外表面溫度低于其他區域。

圖3 540 s時模型的溫度場分布

3 實驗驗證

3.1 外表面溫度

控溫室環境溫度設定為24.5℃，用恒溫加熱板模擬皮膚散熱，將溫度傳感器的觸點置于織物的外表面，織物平鋪在(32±0.2)℃的恒溫板上，取外表面上6個觸點的溫度平均值TL，內表面溫度平均值T0。每隔20 s記錄織物的升溫過程，實驗示意圖如圖4所示。

圖4 恒溫平板散熱實驗示意圖

圖 5示出織物外表面平均溫度隨時間變化的曲線。可以看出模擬溫度曲線與實驗測試溫度曲線有較好的一致性，模型能較好地反映織物系統的動態傳熱過程。織物外表面與周圍環境存在對流換熱，最終達到傳熱平衡，傳熱平衡時織物外表面溫度為30.90 ℃，模擬值為30.33 ℃，二者結果較吻合。織物系統的溫度分布由內表面沿厚度方向逐步降低，模擬值表示的是織物系統外表面的平均溫度，實際測量時溫度探針與織物表面接觸，表面毛羽被擠壓，厚度減小，導致測量值略高于模擬值。

圖5 織物外表面平均溫度變化

3.2 織物系統總熱阻

根據傅里葉定律計算織物系統的總熱阻。

式中：q為熱流密度，10-3W/mm2；λ為材料導熱系數，10-3W/(mm·℃)；A為垂直熱流方向的面積，mm2；△T=TL-T0。

數值模擬結果顯示，傳熱平衡時織物的內外表面溫度差為1.67 ℃，熱流密度為0.059 2×10-3W/mm2，計算得織物系統的總熱阻為0.028 19 m2·℃/W。利用YG606平板式保溫儀測得織物的熱阻為0.027 13 m2·℃/W，實驗值與模擬值的相對誤差為3.9%，二者較吻合。

4 結 語

本文模擬熱量通過織物系統傳到室內環境的一維散熱過程，建立織物系統的三維模型，考慮了織物幾何結構的影響與紗線周圍靜止空氣的熱傳遞，以溫度-時間曲線記錄了織物的熱響應過程。在穩態傳熱過程中，計算得到織物系統的總熱阻，通過實驗驗證，模擬值與實驗值的相對誤差為3.9%。今后還應建立人體皮膚-織物-外界環境系統的傳熱模型，以直觀反映體表皮膚的散熱速率與冷熱刺激感。

FZXB

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ABAQUS based finite element analysis of heat transfer through woven fabrics

WU Jiajia, TANG Hong

(SchoolofTextileandClothing,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

In order to expand the research approaches of woven fabric design, evaluation and optimization of thermal comfort, an effective method to predict the thermal resistance of fabric was provided.The numerical simulation of heat transfer through fabric in one direction was investigated according to heat transfer theory and fabric 3-D models, and the temperature distribution in dynamic heat transfer process was described. A geometric model of plain weave fabric was established based on geometrical structure parameters using microscopic image and slicing techniques . The fabric system was assembled by fabric model and still air model around the yarn. The boundary conditions and the interaction were set according to simulation condition and the numerical solution was calculated by the finite element analysis software ABAQUS.The constant temperature flat test simulating the skin heat lose was conducted to verify the validity of the heat transfer model, the results show that the outside surface temperature from simulations and experiments had a good consistency over the time, the error range between the theoretical thermal resistance and the experimental one is 3.9%, and the two results coincided very well.

fabric; geometric model; heat transfer; numerical simulation; thermal resistance

10.13475/j.fzxb.20150802405

2015-08-13

2016-05-20

江蘇省科技廳產學研聯合創新基金—前瞻性聯合研究項目(BY2014081- 04)

吳佳佳(1991—)，女，碩士生。研究方向為功能性紡織品與服裝舒適性。 唐虹，通信作者，E-mail:tang.h@ntu.edu.cn。

TS 101.8

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