防彈用經(jīng)編軸向織物的三維仿真

王 婷,蔣高明,楊美玲,李炳賢

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心,江蘇 無錫 214122)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭中防彈武器的更新以及適應(yīng)士兵在戰(zhàn)場上生存能力的需求,防彈材料需要具有更高的舒適性、保護性和靈活性。在確保身體護甲原始防護性能的基礎(chǔ)上,輕巧、柔軟成為防彈材料選擇的基礎(chǔ)。使用高性能纖維通過紡織技術(shù)制成的防彈材料屬于軟質(zhì)材料,采用紡織技術(shù)開發(fā)的防彈用紡織品材料國內(nèi)外已有研究[1-3],但大部分以機織和非織造布為主,以經(jīng)編制成的防彈織物研究較少。

經(jīng)編軸向織物具有優(yōu)良的力學(xué)性能,每行襯入紗線筆直且平行,只有捆綁紗存在微量屈曲,外力擊中后平行伸直的紗線可以同時承受載荷[4],所以紗線不容易產(chǎn)生斷裂,適用于防彈領(lǐng)域。金利民[5]針對雙軸向經(jīng)編針織復(fù)合材料建立細觀結(jié)構(gòu)模型,結(jié)合有限元分析了復(fù)合材料的彈道侵徹性能。竺鋁濤[6]研究雙軸向多層經(jīng)編針織復(fù)合材料中纖維的應(yīng)變率效應(yīng)并使用單胞尺度計算出彈道防護能力。

基于這種特點,本文介紹了一種特殊的防彈用經(jīng)編軸向織物,該織物由地組織和襯緯紗同向墊紗形成閃避墊紗,使得襯緯紗在受到紗線張力及延展線的作用后呈現(xiàn)伸直狀態(tài),形成襯經(jīng)的紋理效果與全幅襯緯呈90°襯入織物,形成類似機織物一樣的紋理效果。通過襯緯紗滿穿配置,閃避墊紗效應(yīng)增加織物的經(jīng)紗橫密,利用軸向織物內(nèi)部應(yīng)力較小,僅捆綁紗處存在輕微屈曲,提高織物防彈效果。在分析該防彈用經(jīng)編軸向織物的編織和結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上,采用JavaScript和C#作為計算機程序設(shè)計語言進行計算機編程,分別建立了織物的墊紗模型、穿經(jīng)模型和線圈模型,通過分析閃避墊紗位置和襯緯受力情況,實現(xiàn)織物的三維仿真,以深入對織物結(jié)構(gòu)的認識,方便導(dǎo)出三維圖形,為該類型防彈織物的力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。

1 經(jīng)編閃避墊紗原理

閃避墊紗[7]是一種紗線運動,又稱為躲避墊紗,表現(xiàn)為襯緯梳櫛(后梳)與地梳(前梳)的針背橫移針距數(shù)相等、方向相同時的“部分襯緯”墊紗,處于前梳線圈的主干和延展線之間的襯緯紗不受線圈延長線夾持,在橫列的轉(zhuǎn)折處襯緯發(fā)生滑移,滑移到前梳的延展線之上并被其阻隔,使后梳襯入的紗線呈直線狀浮于地組織的反面,如圖1所示。

圖1 襯緯滑移組織示例

2 防彈用經(jīng)編軸向織物結(jié)構(gòu)

防彈用經(jīng)編軸向織物一般有3個系統(tǒng)的紗線,即襯經(jīng)紗、全幅襯緯紗和編織紗。襯經(jīng)紗和全幅襯緯紗之間沒有交織,能夠平行伸直地形成2個紗線層相互垂直排列并由編織紗捆綁在一起。襯紗主要采用芳綸、高強聚乙烯纖維及玻璃纖維等高性能的無捻紗線,且襯紗的直徑要遠遠大于編織紗,從而使編織紗彎曲而襯紗呈現(xiàn)伸直狀態(tài),形成襯經(jīng)的表面紋理。為了獲得緊密的結(jié)構(gòu),采用多把滿穿的襯緯梳櫛,梳櫛配合構(gòu)成交替閃避墊紗,又因襯緯紗直徑較大,從而形成垂直襯入的襯經(jīng)紗效果。襯緯墊紗的梳櫛起襯經(jīng)墊紗的作用,增加襯經(jīng)的橫密。2把襯經(jīng)導(dǎo)紗梳前后配置,交替墊紗。采用德國KARL MAYER公司RS 3 EMS全幅襯緯機開發(fā)的KM19990128防彈用經(jīng)編軸向織物如圖2所示。

圖2 防彈用經(jīng)編軸向織物正反面

就理論而言,變化襯緯和經(jīng)平組織相結(jié)合,在襯緯延展線與經(jīng)平針背墊紗同向且長度相同的情況下,該部分的襯緯紗將會從工藝反面滑移到經(jīng)平的延展線上面,在不滿足此情況的狀態(tài)下,襯緯紗則會壓在前梳延展線下方,從而使襯緯紗交替出現(xiàn)在經(jīng)平延展線兩面,再采用1把全幅襯緯的組織,使織物表面呈現(xiàn)出機織物一樣的紋理。但與機織物相比,防彈用經(jīng)編軸向織物的橫向密度較大,織物緊密程度較好;減少了紗線因交織而產(chǎn)生的屈曲不直,只在捆綁紗中存在微量屈曲,在受到外力作用時,平行伸直的增強紗線同時承受載荷,減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象,保證纖維的強力利用率[8],同時可減少纖維用量和織物的質(zhì)量。Conzellman等[9]將傳統(tǒng)的機織物結(jié)構(gòu)與德國KARL MAYER公司開發(fā)的KM19990128防彈用經(jīng)編軸向防彈結(jié)構(gòu)(圖2)進行一系列的彈道測試,織物結(jié)構(gòu)類型和規(guī)格如表1所示,測試結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示,20層面密度0.584 0 g/cm2的新型芳綸組件織物性能遠遠優(yōu)于28層面密度0.618 8 g/cm2的機織物組件。

表1 機織與防彈用經(jīng)編軸向織物測試對比表

表2 機織與防彈用經(jīng)編軸向織物測試對比表

3 防彈用經(jīng)編軸向織物模型

影響防彈用經(jīng)編軸向織物外觀的因素主要有墊紗運動和穿經(jīng)規(guī)律[10]。為更好地對其進行研究,有必要建立墊紗數(shù)碼數(shù)學(xué)模型和穿經(jīng)數(shù)學(xué)模型。

防彈用經(jīng)編軸向織物線圈結(jié)構(gòu)包括2種,分別是成圈線圈結(jié)構(gòu)和襯緯線圈結(jié)構(gòu),因此根據(jù)各自的結(jié)構(gòu)特征,分別采用一定的控制點來確定線圈的形狀建立線圈仿真模型。

3.1 墊紗數(shù)碼數(shù)學(xué)模型

墊紗數(shù)碼模型一般采用單針床墊紗數(shù)碼的方式表示[11],墊紗數(shù)碼矩陣(Um)模型如式(1)所示,由此可以推斷出線圈的類型、開口閉口及梳櫛橫移情況。

(1)

式中:n=1,2,…,N;N表示橫列數(shù);m=1,2,…,M;M表示梳櫛數(shù);u(m,n,1)表示第m把梳櫛上第n橫列上的第1個數(shù)碼;u(m,n,2)表示第m把梳櫛上第n橫列上的第2個數(shù)碼。

對于線圈的類型,當u(m,n,2)-u(m,n,1)=0時,線圈類型為襯緯線圈;|u(m,n,2)-u(m,n,1)|=1時,線圈類型為普通成圈線圈;|u(m,n,2)-u(m,n,1)|=2時,線圈類型為重經(jīng)線圈。由于針前與針背作同向墊紗或有針前墊紗但針背橫移為0時形成的線圈為開口線圈,針前與針背做反向墊紗形成的線圈稱為閉口線圈[12],所以當[u(m,n,1)-u(m,n,2)]×[u(m,n,2)-u(m,n+1,2)]≥0時,為開口線圈;當[u(m,n,1)-u(m,n,2)]×[u(m,n,2)-u(m,n+1,2)]<0時,為閉口線圈。

關(guān)于梳櫛橫移情況,令Q(m,n)=u(m,n,2)-u(m,n+1,1),Q(m,n)表示第m把梳櫛上第n橫列的針背橫移方向和橫移數(shù)。當Q(m,n)>0時,表示第m把梳櫛在第n橫列從左向右進行針背墊紗;當Q(m,n)<0時,表示第m把梳櫛在第n橫列從右向左進行針背墊紗,當Q(m,n)=0時,不進行針背運動;|Q(m,n)|表示針背橫移距離。

3.2 穿經(jīng)數(shù)學(xué)模型

不同的穿經(jīng)會得到不同的織物效果,用矩陣數(shù)學(xué)模型(FMW)表示每把梳櫛的穿經(jīng)循環(huán)[13],如式(2)所示。

(2)

式中:j=1,2,…,W;W為完全組織的縱行數(shù);m=1,2,…,M;M為參加編織梳櫛的總數(shù);fmj的取值為*,A,B,…,其中*代表對應(yīng)的導(dǎo)紗針不穿紗,A,B等表示代表導(dǎo)紗針穿入的紗線顏色代號。

將建立的墊紗數(shù)學(xué)模型和穿經(jīng)數(shù)學(xué)模型進行組合,可以得到反映織物效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,如式(3)所示。進行編程后,即可得到反映防彈用經(jīng)編軸向織物的墊紗運動矩陣(ZNW)。

(3)

式中:n=1,2,…,N;N表示花型圖的橫列數(shù);j=1,2,…,W;W為花型圖的縱行數(shù)。

3.3 成圈模型

國內(nèi)外關(guān)于成圈模型的研究有很多,基本已趨向于最真實的結(jié)構(gòu)。本文采用Goktepe[14-15]的模型為理論基礎(chǔ),采用多次實驗實際測量線圈的各點位置,得出A1～A8共8個點來表示線圈主干的坐標,如圖3所示。c、c1、c2、c3為到中心軸的測量橫向距離,b、b1、b2為到中心點的縱向距離。開口和閉口線圈的差異可通過后續(xù)微調(diào)A1、A8的點坐標進行修正來達到預(yù)期的效果。

圖3 線圈8點模型及側(cè)面圖

3.4 襯緯模型

襯緯模型與成圈模型點的確定方式相同,通過2點來確定襯緯的點。以圖4左襯緯為例,b3為相鄰2行之間的縱向距離。全幅襯緯紗是在襯緯線圈的基礎(chǔ)上改變點的坐標位置實現(xiàn)的。

圖4 襯緯2點模型

4 襯緯滑移位置判斷及偏移量計算

對于防彈用經(jīng)編軸向織物,襯緯與經(jīng)平結(jié)合,梳櫛之間存在針背墊紗大小相同、方向相同的情況,對于這部分的襯緯紗,會滑移到經(jīng)平的延展線上面。通過設(shè)計的墊紗模型,對符合條件的襯緯梳進行設(shè)置,可以使襯緯梳符合實際偏移規(guī)律。

防彈用經(jīng)編軸向織物理論與實際形態(tài)的差異主要體現(xiàn)在襯緯組織的變形上。由于襯緯梳櫛無針前墊紗,只作針背墊紗,紗線被夾持在成圈組織線圈主干和延展線之間[16],所以襯緯紗處于成圈線圈根部時,襯緯線圈主要通過成圈線圈的移動而移動;而對于經(jīng)過閃避墊紗襯緯橫列,處于前梳線圈主干與延展線之間的襯緯紗不能被成功加持,襯緯紗從成圈線圈的根部脫落,滑移到成圈線圈的延展線上面[6]。發(fā)生閃避墊紗橫列的襯緯梳櫛形變的主要來自于襯緯紗上延展線的拉力和紗線摩擦力作用,所以需要分2種情況討論防彈用經(jīng)編軸向織物中襯緯紗的偏移規(guī)律,而在考慮線圈偏移時,襯緯線圈只在線圈橫列方向產(chǎn)生位移,所以僅考慮橫向偏移情況。

4.1 判斷閃避墊紗位置

由于防彈織物使用全幅襯緯,根據(jù)前文設(shè)置的墊紗數(shù)碼數(shù)學(xué)模型,首先在全幅襯緯中尋找符合閃避墊紗的組織。設(shè)定底梳為Mα,襯緯梳為Mβ,滿足閃避墊紗的條件為:

(4)

式(4)表示當織物中含有襯緯,襯緯梳與底梳在第nk橫列的針背橫移方向相同且橫移數(shù)相等,對符合條件的襯緯橫列進行賦值。因為式(4)中所述襯緯梳與底梳在第nk橫列的針背橫移方向相同且橫移數(shù)相等,所以滿足閃避墊紗條件。對于襯緯梳而言,當Q(Mα,nk)=Q(Mβ,nk)<0,且Q(Mα,nk+1)=Q(Mβ,nk+1)>0時,表示襯緯梳在第nk橫列從右向左進行針背墊紗,當襯緯梳在第nk+1橫列從左向右進行針背墊紗,完成滑移后線圈左側(cè)橫移到下一縱行前梳延展線上面,如圖5所示。若Q(Mα,nk)=Q(Mβ,nk)>0,且Q(Mα,nk+1)=Q(Mβ,nk+1)>0時,表示襯緯梳在第nk橫列從左向右進行針背墊紗,完成滑移后線圈右側(cè)橫移到下一縱行,與上述情況類似。

圖5 襯緯滑移情況舉例

4.2 襯緯橫向位移和形變分析

首先對發(fā)生閃避墊紗橫列的襯緯梳櫛進行受力分析如圖6所示,A點已從成圈線圈上脫落,主要受到2根延展線的拉力F1和F2的作用,則作用力FA為:

(5)

圖6 閃避墊紗橫列襯緯紗受力橫移分析

式中:k1、k2為紗線張力調(diào)節(jié)系數(shù);n1、n2為與A點相連的2根延展線所跨的針距數(shù);α、β為F1和F2的水平夾角。

根據(jù)分析,A點相連的延展線所跨的針距數(shù)相等。由式(5)求得襯緯線圈的偏移量DA=(F1cosα+F2cosβ)×k,其中k為線圈偏移數(shù),通過調(diào)節(jié)k值可以使偏移量DA達到最佳值。

對被成圈線圈穿套起來的襯緯線圈橫列進行分析,如圖7所示。以B點為例,B點不僅受到襯緯線圈上2根延展線的拉力F3和F4,還受到成圈線圈的延展線摩擦力F5和F6,所以作用力FB計算公式為:

(6)

圖7 被成圈線圈壓住的襯緯紗受力橫移分析

式中:k3、k4、k5、k6為紗線張力調(diào)節(jié)系數(shù);n3、n4為與B點相連的2根延展線所跨的針距數(shù);δ、λ、ε、γ分別為F3、F4、F5和F6的水平夾角。

B點線圈的偏移量DB為:

DB=(F3cosδ+F4cosλ+F5cosε+F6cosγ)k

(7)

圖8 非閃避墊紗的襯緯成圈織物的仿真圖

5 防彈用經(jīng)編軸向織物仿真理論模型實現(xiàn)

以防彈用經(jīng)編軸向織物的墊紗模型、穿經(jīng)模型、線圈結(jié)構(gòu)模型和閃避墊紗偏移規(guī)律及受力分析為基礎(chǔ),得出防彈用經(jīng)編軸向織物的仿真理論模型。在仿真過程中,除了要根據(jù)上述模型和規(guī)律進行仿真外,還要考慮到織物的原料、密度、紗線線密度等因素,可以使用不同的顏色、線密度的模型來表示織物的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

圖9為圖2對應(yīng)的防彈用經(jīng)編軸向織物仿真圖。該仿真主要考慮襯緯組織經(jīng)過閃避并受力形變后的狀態(tài),可以看出仿真圖與實際織物的襯緯梳櫛較為接近,符合經(jīng)編防彈軸向織物的理論模型狀態(tài)。

圖9 軸向閃避墊紗防彈織物仿真圖

6 結(jié)束語

本文在分析軸向閃避墊紗織物的編織和結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上,采用JavaScript和C#作為計算機程序設(shè)計語言進行計算機編程,對經(jīng)編防彈軸向織物的結(jié)構(gòu)特征進行描述,根據(jù)經(jīng)編防彈軸向織物的結(jié)構(gòu)分別建立了織物的墊紗模型、穿經(jīng)模型和線圈模型,通過分析閃避和襯緯受力情況,來實現(xiàn)織物的三維仿真,以便深入認識織物的結(jié)構(gòu),方便織物的建模,為后續(xù)有限元分析打下基礎(chǔ)。

本文經(jīng)編防彈軸向織物中含有閃避墊紗,需要對閃避墊紗的位置進行判斷,并分別對閃避墊紗和正常墊紗的襯緯紗進行受力分析,判斷襯緯紗的偏移量,通過進行多次調(diào)整,達到襯緯紗線仿真圖與實物圖相近的結(jié)果。本文模型進行的仿真均在前臺,可以提高仿真速度。