基于ANSYS LS-DYNA的簇絨針刺底布動態響應

王龍龍， 戴惠良， 梁 慶

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

簇絨地毯對織造工藝的要求極為嚴格，紗線跟隨簇絨針在底布上往復穿梭，與成圈鉤或割刀執行機構按時序配合形成絨簇(又稱割絨或圏絨)。底布一端卷繞在導布軋輥上，另一端卷繞在地毯成卷機構上，中間由卷布刺輥調節張力[1]，極易出現底布受力不均現象，導致毯面絨簇高低不平，嚴重影響地毯平整度。簇絨成形原理圖如圖1所示。

簇絨針刺入與拔出底布為高速瞬間完成的響應過程，在此過程中底布會經歷彈性、塑性變形以及破壞失效等階段[2]。而簇絨針在刺入底布時，底布的響應情況作為簇絨工藝的重要部分，很難借助試驗進行分析。目前受限于理論及試驗條件，有關簇絨底布破壞失效等問題的文獻資料少有公開發表。隨著有限元仿真技術的不斷發展，借助于仿真技術研究底布的破壞失效規律開始具備條件。Xie等[3]結合RVE(representative volume element)提出一種基于虛擬纖維概念的數值分析方法，建立了二維斜紋無紡布模型，研究了織物層的針刺過程，但僅從工藝上研究了簇絨預制件的損傷影響。Martins等[4]研究了簇絨沖擊對碳纖維復合材料失效性能的影響，利用聲發射技術聚類識別沖擊信號來評估破壞區域，并借助DIC(digital image correlation)技術評估了紗線應變場對簇絨增強效應的敏感因子，但未涉及織物應力場的變化情況。Henao等[5]基于夾層簇絨織物的力學性能，結合三點彎曲試驗以及邊緣壓縮試驗，研究了不同簇絨密度對夾層結構分層纖維失效規律的影響程度，但未考慮到機織物的整體破壞變形。Liu等[6]研究了簇絨三維織物在沖壓過程中的預成型行為，并比較了簇絨參數對簇絨紗線簇入、層間滑動行為的影響，但也未涉及機織物的整體破壞情況。以上研究僅針對紗線纖維變形或簇絨工藝，并不適用于織物整體的破壞變形。

本文以材料失效與強度理論為基礎，借助ANSYS LS-DYNA/Explicit Dynamics非線性動力分析方法，模擬了簇絨針穿刺底布的響應過程，揭示底布的失效破壞機理，有助于優化簇絨針的設計，可為分析地毯底布組織的線彈性行為提供參考。

1 針布模型材料特性

為真實還原簇絨過程，選用GROZ-BECKERT公司生產的SAN?-S系列1/8″-5針排的簇絨針作為研究對象，利用UG軟件構建簇絨針模型，簇絨針力學特性參數如表1所示。為防止網格畸變，刪除針體倒角。

表1 簇絨針特性參數

選用底布類別為聚丙烯(polypropylene， PP)非織造布，中間層為經緯交錯而成，邊緣層為短纖維隨機排列加固而成。PP屬于熱塑性材料，其應力-應變關系除與本身特性相關外，還與時間歷程相關。為準確獲取底布材料參數，可選用彈塑性模型并借助Cowper-Symonds模型構建PP材料的力學模型本構關系，此應力-應變模型通過應變速率來確定材料屈服點，進而擬合出不同應變速率的應力-應變曲線。不同應變速率下的屈服應力計算如式(1)所示。

(1)

(2)

經式(1)和(2)聯立計算得到地毯底布特性參數，如表2所示?？紤]到需消除可能出現的有限元模型單元剛度矩陣的奇異性，進而保證計算收斂性，做出如下假設[7-8]：短纖維為各向同性材料；纖維隨機排列在一起，纖維之間的間隙忽略不計。

表2 地毯底布特性參數

簇絨針設置為剛體，穿刺前后不變形，底布設為柔性體。建立簇絨地毯針布耦合模型如圖2所示，其中，TS表示針布耦合有限元模型，TR表示針布耦合試驗模型。

2 有限元模型及失效理論

2.1 有限元模型

利用LS-DYNA軟件再現模擬針布耦合簇絨動態過程，并選取典型時刻求解工況進行呈現[9-10]。簇絨針穿刺底布失效破壞發生在非織造布經、緯紗交錯居中區域，根據對稱性，可以選取1/2有限元模型進行顯式動力學仿真[11]。劃分網格并施加邊界條件得到簇絨有限元模型如圖3所示。簇絨針選擇剛體并設置切面法向零位移標簽E，底布選擇柔性體并設置切面法向零位移標簽E及三面固定標簽A-C，簇絨針添加速度標簽D，簇絨針與底布之間的接觸類型設置為摩擦接觸且摩擦因數分別取0.2、0.3和0.4，簇絨針及底布的單元網格劃分方法選擇以六面體單元為主。將設置好邊界條件的有限元模型導出為K文件并提交LS-DYNA求解器。

2.2 失效理論

簇絨針在穿刺時，底布會經歷彈性變形、塑性變形直至失效破壞等階段。ANSYS/LS-DYNA定義的彈塑性材料的經典破壞失效理論有Johnson-Cook準則、塑性準則、剪切準則等，對應階段依次為無損階段、損傷開始、損傷擴展及失效消失。底布的破壞失效是由于有限元模型中節點的應力集中導致單元網格的斷裂以及局部剪切應力引起的纖維撕裂，因此底布破壞失效準則應包括塑性及剪切準則，一旦達到對應條件就會按照相應準則的演化規律出現損傷。

因簇絨針的穿刺而導致底布單元失效破壞的規律，反映出對應材料失效準則在有限元模型中演繹的網格退化規律。在ANSYS LS-DYNA顯式動力學環境當中，底布材料的網格失效模式遵循非線性累積損傷理論及材料強度理論，表達累積損傷如式(3)所示。

(3)

3 仿真結果分析

在LS-DYNA環境中設置簇絨針的穿刺速度為2 000 mm/s，仿真時間為180 ms，為保證收斂性，仿真迭代子步設置為6×10-5s。調用后處理器LS-PrePost讀取d3plot文件，可進行應力、應變、能量等曲線輸出。簇絨針穿刺過程中不同時刻對應的底布單元失效規律如圖4所示，根據右側Von Mises應力等級色條即可判斷底布各時刻的應力分布情況(LS-DYNA默認單位kPa)。

由圖4(a)可以看出，t=3 ms時，底布自穿刺點呈現出應力梯度衰減，中心區域等效最高應力約為167.8 MPa。由圖4(b)可以看出，t=20 ms時，與簇絨針接觸區域底布單元接近失效極限最高應力約為260.8 MPa。由圖4(c)可看出，t=25 ms時，簇絨針接觸區域的底布單元失效消失，底布整體輕微向上收縮，周圍單元繼續產生新應力梯度，應力極大值約為134.8 MPa。由圖4(d)可以看出，t=52 ms時，簇絨針針尖幾乎全部刺入，底布整體變形有恢復平面趨勢，應力梯度區域進一步擴大，等效應力約為71.52 MPa。由圖4(e)可以看出，t=100 ms時，斷面纖維開始與針形狀分界面接觸，等效應力增加至91.71 MPa。由圖4(f)可以看出，t=136 ms時，布受力情況開始隨著針截面形狀的變化而變化。綜上所述可知，有限元仿真結果與實際基本相符，說明有限元模型基本正確。

穿刺過程中，選取簇絨針與底布之間不同摩擦因數(μ=0.2～0.4)時，底布單元節點受力隨針刺深度的變化規律如圖5所示。

由圖5可知，底布單元節點的受力規律近似呈“M”形，出現2次節點峰值，第一次峰值出現是由針布接觸區域受壓、周圍受拉所致，第二次峰值出現是破壞區周圍纖維穿入針穿紗孔所致，且兩次峰值之間對應的針刺深度本質上等于針體截面形狀變化分界面的距離4.8 mm。比較圖4和圖5可知，單元節點的受力情況與底布的變形情況基本符合，說明仿真結果具有一致性。

由圖5可知，以底布受力平均值為例，底布的單元節點阻力隨針刺深度變化的規律可劃分為4個階段：(1)針穿刺底布，纖維由屈曲開始拉直，節點受力迅速增至峰值0.55 N；(2)底布單元達到斷裂強度極限，斷裂后單元網格失效消失而不再受力，此時受力僅為簇絨針與失效區域周圍底布單元的摩擦力，摩擦力約為0.35 N；(3)周圍纖維開始穿入穿紗孔，節點力增加至0.46 N左右；(4)簇絨針繼續下移，底布纖維受力基本保持在0.10 N左右，并隨簇絨針輪廓變化而浮動。在模擬穿刺時，簇絨針拔出時的單元節點受力比較小，可以推斷，穿刺過程中大部分節點受力主要為底布纖維變形拉伸、斷裂等產生，針和布之間的摩擦可忽略不計(較厚的底布穿刺摩擦力不應被忽略)。

結合圖5分析結果，考慮對針尖段及針尾段進行改進，具體為扁化針尖段和棱化針尾段，針尖段、針尾段與針體段一體化連接，經仿真驗證，簇絨針受力最大值減小為0.86 N。

圖6為不同條件下穿刺孔失效形態仿真對比圖，圖7為不同條件下穿刺孔失效試驗對比圖。TS 30或TR 30表示選取底布規格為30 mm×30 mm，TS 60或TR 60表示選取底布規格為60 mm×60 mm。為量化底布應力云紋圖結果，利用圖像處理軟件Photoshop和ImageJ統計像素并添加標尺。沿圖6(a)～6(d)中的對稱線分析隨著畫線距離(應力云譜像素)變化的熒光灰度值，如圖8所示，其中，黑色熒光灰度值為0，白色熒光灰度值為255。

由圖6可知：隨著底布規格的增加，等效應力層梯度趨于明顯，衰減加快；隨著簇絨速度的增加，底布失效區域趨于規則圓化。由圖7可知，實際失效區域形態分別與對應工況下仿真結果的吻合度較高。由圖8可知，隨著劃線距離逐漸增加，熒光灰度值呈階躍衰減，且與圖(6)所示的等效應力層梯度對應。

4 結 論

(1) 根據LS-DYNA顯式動力學求解結果，t=20 ms時簇絨地毯底布單元等效應力極大值約為260.8 MPa，各單元應力變化規律滿足材料特性曲線，超過其許用強度條件后失效消失。

(2) 提取不同摩擦因數條件下簇絨區域底布單元節點的阻力，得出其變化規律近似“M”形且出現2次峰值：第一次出現是由接觸區域中心受壓、周圍受拉所致，第二次出現是由斷裂纖維絨毛進入簇絨針穿紗孔所致。

(3) 同一速度下，隨著底布規格的增加，簇絨區域等效應力層出現明顯梯度變化；同一規格底布條件下，簇絨速度增加導致失效區域圓周化趨勢增強。經試驗驗證，失效區域形態與仿真結果基本吻合，說明有限元模型是正確的。