仿真技術在服裝智能制造中對不同纖維復材的取向與性能研究

賀良凱

摘要：為了提升服裝智能制造質量與效率，基于虛擬仿真技術對不同纖維取向的碳纖維復合材料進行了有效性能預測，并采用試驗驗證的方法進行了對比。結果表明，隨著碳纖維復合材料中碳纖維的長徑比從10增加至60，碳纖維復合材料的有效模量E1呈現逐漸增加的趨勢，而碳纖維復合材料的有效模量E2、E3和G12變化不大。采用模型可以對未處理碳纖維和上漿碳纖維復合材料的拉伸模量進行預測，且誤差在10%以內；上漿處理碳纖維復合材料的縱向拉伸模量測試結果明顯高于未處理碳纖維復合材料，即上漿處理有助于提升碳纖維復合材料的縱向拉伸模量。

關鍵詞：虛擬仿真；服裝；碳纖維復合材料；試驗驗證

中圖分類號：TP391.9;TQ342+74

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0143-04

Research on the orientation and performance of different fiber composites using simulation technology in intelligent clothing manufacturing

HE Liangkai

（Poya Digital Technology （Hangzhou） Co.，Ltd.，Hangzhou 311121，China）

Abstract：In order to improve the quality and efficiency of garment intelligent manufacturing，the effective performance of carbon fiber composites with different fiber orientations was predicted based on virtual simulation technology，and the comparison was made by means of experimental verification.The results showed that the effective modulus E1 of carbon fiber composites increased gradually with the increase of the length-diameter ratio of carbon fiber from 10 to 60，while the effective modulus E2，E3 and G12 of carbon fiber composites changed little.The model can was used to predict the tensile modulus of untreated carbon fiber and sizing carbon fiber composites，and the error was within 10%.The longitudinal tensile modulus of sizing treated carbon fiber composites was significantly higher than that of untreated carbon fiber composites，that was，sizing treatment was helpful to improve the longitudinal tensile modulus of carbon fiber composites.

Key words：virtual simulation;clothing;carbon fiber composite;test verification

碳纖維作為一種高強高彈性模量的纖維材料，由于具有質量輕、柔韌性好等特點而被廣泛應用于服裝設計與制造中。隨著智能制造水平的提升，將智能機器與人類操作結合的人機一體化智能系統在服裝加工中得到快速應用，這種系統能夠高度集成自動化，提高工作效率的同時降低了人為操作失誤等風險。然而碳纖維材料在注塑過程中會得到纖維分布不均的復合材料，因此，服裝在智能制造過程中會出現不同程度的收縮變形、褶皺或者翹曲等現象，如何有效解決這一問題成為了生產企業普遍面臨的問題。基于此，采用虛擬仿真技術對碳纖維復合材料智能制造過程中的纖維取向問題進行了研究。

1仿真模型與方法

1.1仿真對象

以服裝制造中常用的碳纖維和環氧樹脂基體為仿真對象，其中，碳纖維的彈性模量為236 GPa、泊松比為0.21、直徑為5 μm，環氧樹脂基體的彈性模量為3 GPa、泊松比為0.3；碳纖維復合材料中碳纖維的體積分數為28%、長徑比為10，假設仿真過程中碳纖維/環氧樹脂基體界面是完整的。

1.2建模

運用Moldflow軟件結合Folgar-Tucker、Tendon-Weng模型對碳纖維復合材料的注塑成型過程中模擬，采用3種模型對碳纖維復合材料進行了仿真，具體包括單向隨機分布模型（見圖1）、平面隨機分布模型（見圖2）和三維隨機分布模型（見圖3）。在模擬過程中，分別對3種模型施加周期性邊界條件，其中，基于單向短纖維隨機分布模型的工程常數E1=27 487 MPa、E2=6 668.29 MPa、E3=6 519.83 MPa，G12=2 296.78 MPa、G23=2 189.44 MPa、G13=2 372.61 MPa，v1=0.32、v2=0.32、v3=0.44，基于平面短纖維隨機分布模型的工程常數E1=10 721 MPa、E2=9? 918.28 MPa、E3=6 445.23 MPa，G12=3773.24 MPa、G23=1 973.76 MPa、G13=1 981.54 MPa，v1=0.33、v2=0.34、v3=0.35，基于三維短纖維隨機分布模型的工程常數E1=12 571 MPa、E2=12 760.4 MPa、E3=10 810.9 MPa，G12=4 336.93 MPa、G23=4 005.49 MPa、G13=4 072.39 MPa，v1=0.27、v2=0.32、v3=0.28。

1.3測試方法

根據GB/T 1447—2005標準在Instron5560型萬能材料試驗機上進行復合材料拉伸性能測試，試樣尺寸為250 mm×25 mm×4 mm、標距為100 mm，取5根平行試樣并取平均值作為測試結果；采用TESCAN VEGA3型鎢燈絲掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行觀察。

2結果與分析

2.1虛擬仿真結果

圖4為3種纖維分布方式下碳纖維復合材料的有效模量變化情況。

由圖4可知，有效模量E1從大至小順序依次為：單向隨機分布、三維隨機分布、平面隨機分布；有效模量E2從大至小順序依次為：三維隨機分布、平面隨機分布、單向隨機分布；有效模量E3從大至小順序依次為：三維隨機分布、單向隨機分布、平面隨機分布；有效模量G12從大至小順序依次為：三維隨機分布、平面隨機分布、單向隨機分布。由此可見，有效模量G12的變化趨勢與有效模量E2相同，即三維隨機分布模式下碳纖維復合材料的有效模量最大，單向隨機分布模式下最小。這主要是因為不同的纖維分布方式下，纖維在碳纖維復合材料中承受的應力和由此產生的剛度不同；平面隨機分布模型下碳纖維的面內存在各項異性，因此面內2個方向的模量相差不大；而三維隨機分布模型下碳纖維的各向趨于同性。

圖5為短切碳纖維長徑比對碳纖維復合材料E1的影響，模型為單向隨機分布模型。

由圖5可知，隨著碳纖維復合材料中碳纖維的長徑比從10增至60，碳纖維復合材料的有效模量E1呈現逐漸增加的趨勢，且碳纖維長徑比為20時碳纖維復合材料的有效模量E1明顯增加，在長徑比增加至50及以上時，繼續增加長徑比對有效模量E1影響變小。

圖6為短切碳纖維長徑比對碳纖維復合材料E2、E3和G12的影響情況，模型為單向隨機分布模型。

由圖6可知，隨著碳纖維復合材料中碳纖維的長徑比從10增加至60，碳纖維復合材料的有效模量E2、E3和G12變化不大。結合圖5的短切碳纖維長徑比對碳纖維復合材料E1的影響可知，碳纖維復合材料中長徑比的變化主要對縱向有效模量E1有顯著影響，而對E2、E3和G12影響較小。這也說明碳纖維復合材料的縱向模量會隨著纖維長度增加而增大。但當纖維長度增加至一定程度時，碳纖維復合材料的平均纖維應力與最大纖維應力接近，繼續增加纖維長度不會對有效模量產生明顯影響。

2.2試驗驗證

圖7為基于虛擬仿真的服裝智能制造過程中預浸料生產流程圖。試驗過程中將短切碳纖維隨機放置在涂有樹脂的聚乙烯薄膜上，然后與樹脂制成“三明治”結構的碳纖維復合材料。采用預浸料模壓成型的方法制備短切碳纖維復合材料，試驗所用碳纖維為T700碳纖維、樹脂為VE樹脂（固含量63%、黏度為2 250 MPa·s、密度為1 096 kg/m3），其中CF為未處理的碳纖維，SCF表示上漿碳纖維。

圖8為未處理碳纖維和上漿碳纖維復合材料的縱向拉伸模量試驗結果和模擬結果。對于未處理碳纖維復合材料（CF/VE），縱向拉伸模量E1較為接近，基本介于25～27 GPa；對于上漿處理的碳纖維復合材料（SCF/VE），縱向拉伸模量E1試驗值和模擬值都大于未處理碳纖維復合材料，且試驗值與仿真值較為接近。

由圖8可知，采用本文的模型可以對未處理碳纖維和上漿碳纖維復合材料的拉伸模量進行預測，且誤差在10%以內。此外，上漿處理碳纖維復合材料的縱向拉伸模量測試結果明顯高于未處理碳纖維復合材料，即上漿處理有助于提升碳纖維復合材料的縱向拉伸模量。

圖9為未處理碳纖維復合材料的斷口形貌。

由圖9可知，未處理的碳纖維較為光滑且碳纖維/樹脂基體間沒有化學鍵合，拉伸過程中二者的界面處會成為薄弱環節而使得拉伸模量較小。而經過上漿處理后（見圖10），碳纖維表面粗糙度增大，碳纖維/樹脂界面結合力上升，抑制裂紋擴展的能力增強，在較強界面作用下碳纖維/樹脂界面處發生了一定程度的偏轉，這樣有助于碳纖維與樹脂基發生協同作用而避免直接拔出。此外，上漿處理有助于碳纖維與樹脂基體之間形成化學鍵合作用而增加結合力，加上受外力作用下的溶脹作用會提升材料的界面韌性，多方面共同作用下會使得經過上漿處理的碳纖維復合材料的拉伸模量有所提升。

3結語

（1）服裝智能制造過程中，有效模量E1從大至小順序依次為：單向隨機分布、三維隨機分布、平面隨機分布；有效模量E2和有效模量G12從大至小順序依次為：三維隨機分布、平面隨機分布、單向隨機分布；有效模量E3從大至小順序為：三維隨機分布、單向隨機分布、平面隨機分布;

（2）服裝智能制造過程中，隨著碳纖維復合材料中碳纖維的長徑比從10增至60，碳纖維復合材料的有效模量E1呈現逐漸增加的趨勢，且碳纖維長徑比為20時碳纖維復合材料的有效模量E1明顯增加；由此可見，隨著碳纖維復合材料中碳纖維的長徑比從10增至60，碳纖維復合材料的有效模量E2、E3和G12變化不大;

（3）服裝智能制造過程中，采用模型可以對未處理碳纖維和上漿碳纖維復合材料的拉伸模量進行預測，且誤差在10%以內。上漿處理碳纖維復合材料的縱向拉伸模量測試結果明顯高于未處理碳纖維復合材料，即上漿處理有助于提升碳纖維復合材料的縱向拉伸模量。

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