高性能平紋織物紗線抽出力學行為及其移動機制

織物材料因具有柔韌性、設計靈活及高比強度等優異性能，在國防及民用領域中有廣泛的應用，包括防彈衣、裝甲板、織物增強頭盔等軍用領域以及安全帶、頭枕及空間可展開結構(氣囊、帆和降落傘等)等民用領域.在實際工程應用中，紗線間的相對滑移是一種重要變形或失效模式，在織物復合材料的面內外力學響應中發揮重要角色.紗線間彼此滑動因阻力作用一方面可增加織物的能量吸收率，另一方面改變了滑移部位織物紗線的排列位置，進而影響荷載在紗線間的傳遞方式.其中，在眾多能量消散機制中，紗線間摩擦在平紋Kevlar織物的彈道沖擊響應中起著直接和間接的重要作用.針對紗線移動機制的研究，可進一步揭示紗線滑移的客觀規律.此外，織物刺入破壞(含彈丸穿刺、膜面尖銳物偶然刺破、風致碎片刺破等)是織物材料的主要失效形式，而紗線移動是其破壞的關鍵機制之一，掌握紗線移動響應及機制是柔性膜材刺破力學性能及破壞機制研究的重要組成基礎，對于提高膜材抗刺破強度、降低刺破損傷程度具有重要指導意義.

紗線移動性能的研究早期主要集中于試驗手段.Sebastian等通過試驗探究了平紋棉織物紗線抽出性能，結果表明：針對低模量織物，紗線抽出響應很大程度上取決于拉伸紗線和交叉紗線中的彈性變形.Martínez等通過靜態重物加載方式完成了Kevlar織物試樣紗線抽出過程，并獲得了抽出荷載的最大值.Bazhenov等使用具有各種紗線支數和旦尼爾數的芳綸織物進行紗線拉出試驗，研究了膜材幾何尺寸對于紗線移動的影響.Nilakantan等研究了平紋芳綸織物的紗線拉出性能，考察了紗線尺寸和織物預應力等因素的影響.Bilisik等采用芳綸Kevlar?29和Kevlar?129織物進行拉拔試驗，分析了芳綸織物的黏滑性能，結果表明：黏滑力和累計收縮力取決于織物密度和紗線抽出的數量.

試驗的高成本和測試方法的不成熟等眾多因素致使研究者很難全面通過試驗得到材料的細致力學響應，尤其難以實現紗線移動細觀層面響應機制的研究.目前基于細觀層面的紗線移動機制研究仍有不足，尚缺乏紗線抽斷行為與機制的研究.而有限元數值仿真對于細觀層面紗線力學行為的研究和預測具有很重要參考價值，并已獲得相關學者的驗證，有必要采用數值分析方法對紗線抽出機制開展進一步的研究.

鑒于上述問題，本文針對典型平紋Kevlar織物建立細觀紗線數值模型，實現紗線移動過程及行為的數值模擬，系統分析摩擦因數、模型尺寸及預應力水平對于紗線移動響應的影響規律，進而探討紗線的抽斷長度及抽斷強度與紗線間摩擦因數以及基布所受預應力之間的耦合關系.所得結論可為織物復合材料相關應用提供有益參考.

1 材料對象及參數

1.1 織物材料幾何參數

為便于驗證，本文以某典型高性能平紋機織的Kevlar織物膜材為研究對象，該織物是用于彈道防護的高性能織物, 紗線為600 D Kevlar KM2，每根紗線由400根復絲組成.織物面密度為230 g/m，厚度為0.60 mm.織物膜材經，緯紗線的編織密度均為每米 1 339 根.經緯向紗線截面均呈現橢圓形，波動路徑近似三角函數.與緯向相比，經紗軌跡的波動程度略大(卷曲度更高)，截面較緯紗截面更薄、更寬.

為探究摩擦因數、模型尺寸、預應力水平等變量對紗線移動響應的影響機制，深入分析了紗線間摩擦因數和織物所受預應力對紗線斷裂長度及抽斷強度的影響規律，模型中摩擦因數滿足:

BDBO是一種切除椎間盤并同時去除椎間盤上下相鄰終板的截骨方式。這種截骨手術去除部分相對較多，一般可獲得35° ～ 60°的矯形效果。根據切除范圍的不同，BDBO可分為3種（圖1）。Domanic等［38］報道了32例重度僵硬性脊柱后凸畸形患者BDBO術后的療效，發現可獲得平均49°的矯形效果。Ozturk等［39］對12例脊柱后凸或側后凸畸形患者行BDBO治療，隨訪2年結果顯示，在矢狀位上可獲得平均38°的矯形效果，且沒有神經損傷及假關節形成。

為了深入研究紗線抽斷長度及抽斷強度與織物所受預應力及紗線間摩擦因數之間存在的復雜耦合關系，在原數值模型的基礎上，沿經紗方向模型加長一倍得到新模型.通過各摩擦因數及預應力因素下的仿真，實現摩擦因數及預應力對紗線移動斷裂機制的影響分析在各摩擦因數下，分別進行5種預應力水平下(=40，60，80，100，120 MPa)紗線抽斷的數值分析.以摩擦因數=0.2為研究對象，相應5種預應力水平下被抽出紗線的破壞形態如圖16所示.

根據和的尺寸建立有限元模型中經緯向紗線的幾何截面，的尺寸建立有限元模型中經緯向紗線路徑的最小重復單元，根據最小重復單元及紗線實際的幾何尺寸通過掃掠可以得到所需紗線的幾何模型.單根紗線路徑公式為

(1)

1.2 織物紗線力學參數

單根經紗和緯紗的中心軸線方程分別為

2 紗線移動數值模型構建

2.1 織物模型基本假定

平紋機織紗線間相互交疊且在織物實際成型過程中擠壓作用常有出現，加之紗線束張緊力的作用，紗線束的截面形狀及空間相對位置關系多變，為簡化模型，采用以下假定:

(1) 紗線為最小結構單元，忽略纖維組成，且為均勻同質材料.

由于漢江流域水資源開發利用任務重，涉及防洪、供水、發電、航運、生態各方用水權益和各部門利益，為完善流域管理和區域管理相結合的水資源管理體制，需要建立漢江流域由各省參加的流域水資源管理和保護聯席會議制度，建立跨區域、跨部門、跨行業的協作體制和信息共享機制，協商協調解決漢江流域水資源管理與保護的重大事宜。

織物有限元模型網格劃分采用部件依次劃分的方法來劃分網格，采用C3D8R六面體單元進行離散，紗線網格尺寸設置為0.25 mm，網格劃分結果如圖2所示.邊界條件參照文獻[24](見圖3)，有限元模型中設置情況如圖4所示.

模型固定端部荷載變化情況如圖11所示，由圖可知：固定端部荷載同樣表現出類似的變化趨勢，經紗端部荷載全域范圍內高于緯紗，主要原因是經紗抽出荷載及在交叉點處產生的束縛力較大，從而導致更大的端部荷載值.

(4) 經紗、緯紗線束在厚度方向上分別處于同一水平面，忽略交疊、擠壓引起的厚度效應.

當前網絡分為無線網絡和有線網絡兩種，無線網絡采用WAP架構上的無線數據報協議(WDP，Wireless Datagram Protocol)傳送WML語言，有線網絡采用超文本傳輸協議(HTTP)傳送HTML語言[9]。本研究設計基于有線網絡訪問，接入方式可選擇3G通信網絡(WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA)和無線局域網(WLAN)。實際選擇方式可根據采集現場網絡條件進行自主選擇。

2.2 模型構建及網格劃分

根據試驗所得的試樣拉伸測試結果確定紗線本構關系，采用基于損傷力學演化的失效準則，當應力達到極限應力時材料發生斷裂，選擇損傷演化建立材料的損傷演化準則，所采用紗線材料參數為彈性模量1.358×10MPa，強度2.522×10MPa，極限應變2.5%，泊松比0.12.

(2)

(3)

(2) 經紗、緯紗線束的截面形狀為橢圓形，橢圓截面的幾何尺寸參照截面電鏡掃描圖統計測得，長軸及短軸尺寸取測量平均值，經紗、緯紗線間距同樣取自觀測值.

2.3 分析工況

織物膜材細觀結構可簡化為圖1所示幾何模型.圖中：為單根紗線的路徑；為單根紗線路徑上的點距離起始點的距離；為單根紗線沿方向上的厚度，織物垂直厚度為2；為紗線沿方向上最小重復單元的周期長度；為單根紗線沿方向上的寬度.圖中紅色三角形區域表示相鄰經紗或者緯紗并不是緊密連接，而是存在一個微小間隙.織物膜材細觀紗線幾何參數詳如表1所示.

=+(-)e-||

(4)

式中:為動摩擦因數；為靜摩擦因數；為指數衰減系數；為界面相對速度.基于相關研究文獻，為有效分析摩擦因數影響規律，將設定為0.考慮到計算穩定性與效率，設定加載速率為650 mm/s.模型設置3類分析工況：I(摩擦因數分析)、II(預應力水平影響分析)、III(紗線斷裂分析)(見表2，表中為紗線移動距離).設置3組摩擦因數：0、0.1及0.2.針對預應力水平的影響研究，將基于實際工程膜面預應力范圍設置6組梯度張力：200、300、400、500、600及700 MPa.對于紗線斷裂分析，則針對紗線移動距離為15 mm，預應力梯度為40、60、80、100及120 MPa的工況開展研究.

3 結果與分析

3.1 數值模型的校核

通過與文獻[25]試驗結果進行對比分析來實現數值模型的校核.采用對比文獻中的材料幾何及力學因數，分析工況預應力水平分別為0、200 MPa；摩擦因數分別為0.1、0.2.

所建模型與相關文獻結果的抽出載荷-位移關系曲線對比如圖5所示，圖中為位移，為抽出載荷.

如圖5所示，本文模型結果整體曲線變化規律與文獻[25]結果一致，抽出載荷峰值數值相近，起伏節奏及特征一致.以摩擦因數=0.2為例，預應力水平=200 MPa，抽出載荷峰值二者結果的平均誤差6.78%，無預應力時二者的平均誤差為5.29%.可見，所建立數值模型可有效實現紗線移動過程及行為的模擬與影響因素分析.

3.2 應力分布及移動典型特征階段

通過仿真計算獲得了各摩擦因數下紗線移動過程中等效應力()云圖，如圖6所示，因各影響因素作用下紗線移動過程相似，取預應力水平為400 MPa進行機制分析.由圖可知，在整個移動過程中，膜材基布因受到移動紗線的影響，在經向、緯向紗線相互作用下整體產生向左的微側移.此外，紗線移動過程中應力波動區域主要集中在被抽經紗附近，最大等效應力值位于被抽經紗與緯紗的交叉點處.

對移動紗線荷載、位移等關鍵數據進行采集和處理，得到被抽經紗所受荷載隨位移的變化關系曲線如圖7所示，圖中為應力，紗線移動速度=750 mm/s.綜合分析可知，紗線移動過程可分為2個典型階段：靜摩擦階段(I段)和抽出移動階段(II 段).

靜摩擦階段(I段)：此階段是從被抽經紗開始承受荷載到荷載達到峰值為止，即下一時刻將由靜摩擦轉為滑動摩擦.紗線間無相對滑移，被抽經紗處于靜摩擦狀態.

我國外貿企業產品在國際市場銷售中，沒有獲得消費者的喜愛，從產品質量、品牌、企業服務等各方面都沒有擁有很好的競爭力。尤其在網絡技術日漸發展的當前時代，商場自建方面呈現不足，很多傳統外貿企業或者沒有自己的網站，或者有自己的網站，但是網站建設存在極大問題，其中的重要產品都沒有能夠很好予以展示，產品的質量、品牌都沒有讓客戶予以全面認識，很多對產品有所需要的客戶都無法從網站中獲得更好的產品選擇。部分外貿企業通過第三方平臺方式進行產品宣傳，但是極容易受到第三方平臺的控制和限制，對于跨境產品宣傳出售產生阻礙限制。

抽出移動階段(II 段)：被抽經紗由靜摩擦階段進入滑動摩擦階段，其荷載值由峰值快速下降，伴隨著與緯向紗線交叉點數逐漸減少，經紗端面荷載值也逐漸降低，曲線呈現階梯型變化特征.

全部的50患者在施診后創面未見出血，基本都在1～2天內成痂，3～7天內痂衣脫落，有23例患者的創面有明顯的黑色痕跡，有15例患者的創面由于扁平疣較大，留有疤痕印記，一個月后進行回訪，患者的疤痕與黑色的淺表遺留物已經消失，隱隱可見疤痕創面，已不明顯，有5例患者的黑色暗印久不消除，涂擦脫色劑后得到好轉，治療后已經囑咐患者復發需要重復就診，目前無患者復診。

3.3 摩擦因數影響分析

通過對移動紗線端面荷載及位移等關鍵數據的采集，獲得了各摩擦因數下紗線移動過程中荷載-位移關系曲線，如圖8所示.由圖8可知，隨著摩擦因數的增大，紗線移動過程中抽出荷載總體呈現增加的趨勢，曲線階梯衍變特征明顯.當=0時，曲線荷載呈現正反波動，且正反幅值較為接近，這與其他摩擦因數相差較大.其主要歸因于紗線移動過程中模型的震蕩，由于紗線在仿真過程中具有剛度(包括壓縮及拉伸)，震蕩使得被抽經紗端部受到壓縮及張拉的雙向作用，當摩擦因數增加后，模型的震蕩現象逐漸減弱，曲線正反波動現象不明顯.此外，對于紗線的峰值抽出載荷進行統計，如圖9所示，圖中為峰值載荷.可知，摩擦因數變化對于紗線移動性能的影響顯著，隨摩擦因數增加，峰值抽出載荷呈增加趨勢且增幅平穩，摩擦因數由0增至0.2， 峰值抽出載荷增幅達227.41%，增加明顯.

3.4 紗線截面及模型尺寸影響分析

在相同外載條件下(=0，=0.2)分別進行經向、緯向紗線抽出的數值模擬，可分析紗線截面尺寸變化對于紗線移動過程的影響，如圖10所示.可知：經向、緯向紗線的載荷-位移曲線衍變特征相似，均呈階梯型變化，且波峰轉變位置一致.經向紗線移動荷載在全域范圍內明顯高于緯向，其中峰值抽出荷載差異最為明顯，經向較緯向增加達36.34%.上述差異主要歸因于經緯向紗線機織的幾何差異.首先經紗截面較緯紗截面更薄、更寬，使得與緯向紗線交叉點處接觸面積增大，在移動過程中所受摩擦阻力也會相應增大.其次，經紗軌跡的波動程度略大(卷曲度高)，由卷曲到拉直過程中所產生的束縛效應增強，進而導致經紗移動過程中峰值荷載的增加.

(3) 紗線橫截面形狀沿著其路徑方向保持不變，忽略紗線束截面的扭轉變形.

對于基布尺寸影響分析，則將有限元模型沿經紗方向加長一倍建立新的數值模型.預應力為 300 MPa，摩擦因數0.2，紗線移動速率恒定，得到紗線移動過程的荷載-位移曲線，如圖12所示.可知，曲線呈現階梯型衍變特征，相較于原尺寸模型，紗線移動荷載值增加明顯，峰值抽出荷載明顯提高，可達2倍以上，主要歸因于經線、緯線交叉點數目增大，接觸面積增加，移動過程中紗線所受束縛作用增強.另外，在較高的紗線移動荷載作用下，固定端部緯紗抽出荷載相較于原始模型增幅明顯，其中初值增幅達7%，后續增幅擴大趨勢顯著，如圖13所示.

（3）管道敷設。給排水管道布置時應遵守“壓力管讓重力管，小管徑讓大管徑，支管讓干管”的原則。管線交叉時，優先設計重力管，然后再進行壓力管設計。本項目污水排水管為重力管，設計時先干管后支管，做到管線最短、管徑最小、埋深最小，充分發揮出重力的作用。優先設計主管道以及管徑較大的管道，盡量保證管線布置水平，避免出現交叉、打彎等情況，且主管道應盡量靠近最大用戶布置。本項目中回水供水管主管管徑DN1000，主要回水用水點為選礦廠房，因此優先在選礦廠房旁布置回水供水管道。

3.5 預應力影響分析

各預應力水平下抽出紗線沿移動方向的荷載-位移關系曲線如圖14所示.由圖可知，各預應力水平下的載荷-位移曲線表現出相同的階梯型變化規律，經紗端部荷載隨預應力的增加總體呈現出增大的趨勢.預應力由200 MPa增加至700 MPa，峰值抽出荷載提升34.49%.此外，根據峰值抽出荷載隨預應力變化關系(見圖15，圖中為峰值應力)可知，峰值抽出荷載隨預應力的增加逐漸增大且增幅平穩，主要由于紗線所受預應力增加，使得經緯向紗線之間卷曲度改變、紗線截面更加趨于扁平狀，經緯向紗線接觸面積增大，移動過程中相互束縛作用增強，進而曲線全域荷載及峰值抽出載荷逐漸增大.

3.6 紗線移動斷裂影響因素分析

預制裝配式混凝土建筑技術在沉寂20年之后重新再次興起是在20世紀90年代，但是由于當時在技術和人員上面都是非常匱乏的，且在短時間內不可能實現太大的發展。面對中國各地建筑業轉型升級的迫切需要，近幾年國家和建筑行業陸續出臺相關方針政策和發展目標大力發展預制裝配式結構，目前，已有多個省市自治區啟動了相應的扶持政策。從市場占有率的角度來看，中國目前的裝配式建筑在市場中還處于起步階段。從技術成熟度方面，我國裝配式結構技術還不夠成熟。從成本投資方面，代價投資比較高。但我相信隨著技術的進步和管理水平的提高，以及運營的成熟，預制裝配式建筑混凝土結構在我國未來20年內必將得到大力發展與推廣。

可以看出，在抽出荷載作用下被抽出經紗應力較大區域集中在經向紗線上，且沿著遠離加載端面方向的應力逐漸減弱.拉出過程中，被抽出紗線整體處于伸直狀態，紗線交叉接觸，其間的摩擦阻力及纏繞力平衡了端部移動荷載，當達到極限抽出載荷時被抽紗線發生斷裂，且斷裂區域主要集中在抽出端附近.另外，紗線移動過程中部分區段的應力呈現不均勻變化，相同截面處應力值也存在差異，表現為移動紗線中部分網格單元達到斷裂強度而預先失去承載能力(見圖16(a)、16(c)與16(d)).

不同預應力水平下抽出荷載-位移曲線變化特征相似(見圖17)，當抽出荷載接近紗線斷裂強度時，曲線呈現震蕩變化特征，主要原因在于紗線拉伸過程中紗線交叉點處的局部網格單元因應力集中逐漸達到斷裂強度值而失效缺失，抽出荷載表現出震蕩的平臺區段.在拉力作用下紗線界面最終完全斷裂，抽出荷載值迅速降低，整個過程并未出現階梯變化特征且移動紗線處于伸直狀態.

各摩擦因數下，隨著預應力的增加，紗線抽斷強度呈增加趨勢(見圖18，圖中為抽斷強度)，主要原因在于預應力的增加使得紗線間的連接更加緊密，抽出紗線與交織紗線的摩阻力增大，因此平衡摩阻力的抽出載荷逐漸增加.紗線移動過程中抽斷強度隨摩擦因數的變化關系列于圖19.各預應力水平下，抽斷強度隨摩擦因數的增加而快速增大，其中，摩擦因數從0.1增至0.2抽斷強度增幅達16.48%.此外，隨著預應力的增加曲線線性化程度明顯增強.

將5種預應力水平下的紗線抽斷形態進行對比分析，通過紗線斷裂端的網格數量計算出各工況下的紗線抽斷長度，進而獲得了紗線抽斷長度隨預應力的變化關系曲線，如圖20所示，圖中為抽斷長度.由圖可知，紗線抽斷長度隨預應力的變化無明顯特征規律，隨機性較強.摩擦因數為0.1時，較其它因數曲線變化趨勢有較大差異，曲線呈現先降低后增加的變化趨勢.預應力為40 MPa時，抽斷長度達到最大值，觀察其抽斷等效應力云圖(見圖21)可知，應力集中區域分布較為均勻(應力均勻化)，單元失效缺失現象呈現出“竹節”變化，斷裂截面距端部較遠，進而抽斷長度較大.當預應力為100 MPa， 摩擦因數為0.15時，破壞形態也呈現類似的竹節特征，抽斷長度較其它預應力情況偏大.因此，紗線的抽斷長度與實際所處應力環境有很大關系，應力均勻化是紗線抽斷長度增加的重要影響因素.

該工法工藝簡單，與其他形式的基礎相比沒有增加復雜的操作工序，施工速度顯著提高；且這種基礎形式傳力簡單明確，施工材料來源穩定，費用較低，施工快捷方便。

根據前人研究成果和區內地質災害發育現狀[26-27]，在充分考慮資料可獲得性、研究范圍大小、研究精度等因素的前提下，最終本區易發性評價體系選取地形地貌、地質構造、工程巖組、水系、降雨、植被覆蓋率和人類工程活動7個指標。其中，地形地貌、地質構造、工程巖組、水系4個指標是地質災害形成的內因，降雨、植被覆蓋率、人類工程活動3個指標是誘發地質災害的外因。在此基礎上，統計分析評價指標與地質災害發育的確切關系，制定符合本區易發性評價的分級標準，見表3。

4 結論

基于系列工況及參數下典型平紋機織織物膜材的紗線移動行為研究，得出如下主要結論：

(1) 該平紋機織織物紗線移動過程可分為兩個階段，分別為靜摩擦階段和抽出移動階段，不同工況下荷載-位移曲線衍變特征基本一致，均呈現階梯型變化.隨著摩擦因數的增大，移動荷載全域范圍內呈現增加趨勢，峰值抽出荷載穩步提高.

(2) 由于經向、緯向紗線機織的幾何差異，經紗抽出荷載及固定端荷載在位移全域內明顯高于緯紗，其中經向峰值抽出荷載較緯向增加近40%.材料長度尺寸與經緯紗線交叉點數目、摩擦力及束縛效應直接相關，紗線抽出荷載及峰值抽出荷載均隨尺寸增加增幅明顯.而預應力水平改變將改變經緯紗線卷曲度與交叉狀態，并造成紗線截面扁平化，增加經緯向紗線間接觸面積，增強移動過程中的相互束縛效應，可明顯提升抽出峰值抽出荷載.

放翁除了與方外琴人的交往較為密切外，他還將古琴作為其修道的一種方式。如其淳熙十年九月作于山陰的《道室即事》一詩：“一簪殘雪寄林亭，手把黃庭兩卷經。琴調養心安澹泊，爐香挽夢上青冥”[3]282，因琴調具有“養心安澹泊”的功能，所以陸游修道時不僅閱《黃庭經》，而且借琴調修道。嘉泰元年秋作于山陰的《道室書事》一詩開頭即言：“榻上一琴橫，中函太古聲。丹砂燒已死，芝草種初生”[3]718，陸游認為琴音中有太古之聲，所以將彈琴與煉丹都視為修道的方式。

(3) 該平紋機織織物紗線抽斷強度受預應力水平及摩擦因數影響顯著，與二者明顯呈正相關.摩擦因數從0.1升至0.2時，抽斷強度增幅達16%.機織織物紗線的抽斷長度與實際所處應力狀態緊密聯系，受荷載工況干擾顯著，而應力均勻化是紗線抽斷長度增加的關鍵因素.