緯平針織物的力學(xué)性能有限元分析

王旭輝 江文斌 王金鳳

DOI： 10.19398j.att.202309019

摘? 要：針對(duì)用紗線進(jìn)行緯平織物打樣試織來(lái)預(yù)測(cè)織物力學(xué)性能和外觀效果費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，通過(guò)有限元分析對(duì)5種緯平針織物進(jìn)行力學(xué)模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先拍攝織物圖像，選取19個(gè)特征點(diǎn)并獲取坐標(biāo)，用3次NURBS曲線對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行擬合，構(gòu)建微觀單線圈中心曲線3D模型；根據(jù)該模型建立細(xì)觀線圈單元模型，并通過(guò)銜接嵌套得到宏觀織物模型。然后依次利用ABAQUS軟件對(duì)單根紗線進(jìn)行拉伸模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其在ABAQUS中賦予的材料屬性正確性；對(duì)織物模型進(jìn)行縱向拉伸和頂破實(shí)驗(yàn)，將材料屬性在ABAQUS中賦予宏觀織物模型，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)賦予分析步并提交分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。該分析方法的應(yīng)用可降低企業(yè)的打樣成本。

關(guān)鍵詞：有限元分析；ABAQUS；力學(xué)；圖像處理；3D建模

中圖分類號(hào)：TS195.644

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）06-0080-09

收稿日期：20230918

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20240126

基金項(xiàng)目：紡織工程國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心項(xiàng)目（2020FZ03）

作者簡(jiǎn)介：王旭輝（1998—），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事針織物開發(fā)方面的研究。

通信作者：王金鳳，E-mail：wangjinfengwjs@163.com

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，紡織CAD技術(shù)在紡織行業(yè)尤其織物模擬中迅速發(fā)展。研究者們傾向使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)織物的力學(xué)性能預(yù)測(cè)［1-2］。這種預(yù)測(cè)方式不僅可以快速得出結(jié)果，還可以減少工作時(shí)間和成本［3］。當(dāng)前的技術(shù)主要圍繞傳統(tǒng)的Peirce模型對(duì)線圈模型進(jìn)行改進(jìn)［4-5］，將線圈模型銜接成織物模型導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行力學(xué)模擬預(yù)測(cè)［6］。然而，由于織物中的紗線相互交織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬計(jì)算過(guò)于龐大，因而須簡(jiǎn)化模型，但模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)現(xiàn)象存在一定的偏差。有限元的模擬分析可以將復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題拆分成有限個(gè)簡(jiǎn)單單元來(lái)進(jìn)行數(shù)值分析。孫亞博等［7］通過(guò)對(duì)筒狀緯編針織物的力學(xué)性能有限元分析模擬，其模擬值與實(shí)驗(yàn)值最小誤差保證在1.3%以內(nèi)。劉倩楠等［8］利用ABAQUS軟件對(duì)三元組織的機(jī)織物拉伸狀態(tài)下能量變化進(jìn)行有限元分析模擬，驗(yàn)證了有限元分析的可行性。石若星等［9］通過(guò)對(duì)玄武巖長(zhǎng)絲芳綸間隔紗織物復(fù)合板進(jìn)行壓力有限元分析模擬，得出結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相符。以上研究都表明，在織物力學(xué)性能上可使用有限元分析。

本文使用選取特征點(diǎn)的方式，利用Rhion軟件建立線圈的中心曲線，建立與真實(shí)織物1∶10的細(xì)觀模型進(jìn)行力學(xué)有限元分析，通過(guò)對(duì)5種織物的縱向拉伸和頂破的對(duì)比分析，驗(yàn)證對(duì)緯平織物力學(xué)性能使用有限元分析的可行性，期望通過(guò)該方法減少企業(yè)打樣的次數(shù)從而降低生產(chǎn)成本。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)原料

本文選用了5種緯平結(jié)構(gòu)組織的針織平紋布，具體參數(shù)見表1。其中1#、2#、3#、4#為相同成分不同支數(shù)的布料，5#為純棉成份且克重與4#相近的布料。滌棉織物購(gòu)買于紹興柯橋松璨針紡有限公司，純棉織物購(gòu)買于閩鴻泰紡織品公司?？椢锘緟?shù)如表1所示。

1.2? 力學(xué)性能測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定（CRE法）》，使用YG（B）021DL電子單紗強(qiáng)力機(jī)對(duì)紗線進(jìn)行拉伸測(cè)試。

根據(jù)GB/T 3923.1—2013 《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》、GB/T 19976—2005《紡織品 破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》使用YG026T-Ⅱ電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)織物分別進(jìn)行拉伸和頂破測(cè)試。

2? 力學(xué)性能測(cè)試分析

利用ABAQUS軟件對(duì)所建立針織緯平模型進(jìn)行力學(xué)模擬，材料屬性由單根紗線的拉伸性能所決

定。紗線由織物脫散而來(lái)，紗線應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。紗線材料具有柔軟、耐疲勞等特點(diǎn)，因此可將其視為非線性彈塑性材料。根據(jù)材料特點(diǎn)得出紗線性能參數(shù)，如表2所示。織物應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

3? 織物建模與有限元分析

3.1? 織物建模

本文以織物1#為例，根據(jù)上述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試參數(shù)賦予織物模型進(jìn)行有限元分析。為了保證所建模型與實(shí)際織物的一致性，使用Axio Cam Erc 5S蔡司偏光顯微鏡對(duì)織物進(jìn)行拍攝，并提取其特征點(diǎn)，對(duì)幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。首先在標(biāo)準(zhǔn)光源下使用Axio Cam Erc 5S蔡司偏光顯微鏡對(duì)織物1#進(jìn)行30倍和50倍變焦下拍攝，并在50倍變焦下對(duì)織物圖片參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，拍攝照片如圖3所示。在30倍變焦下尋找能代表大部分線圈形狀的線圈，并放大至50倍對(duì)其參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。線圈紗線直徑的測(cè)量結(jié)果如圖3（b）所示，尋找5個(gè)線圈進(jìn)行測(cè)量其范圍為0.30～0.35 mm，直徑取值為平均值0.32 mm。

對(duì)選取的線圈圖像建立直角坐標(biāo)系，在線圈的紗線中心處選取合適的特征點(diǎn)，左邊第一個(gè)點(diǎn)編號(hào)為1，從左依次排序。1-4、16-19表示沉降弧，5-7、13-15表示圈柱，8-12表示針編弧，特征點(diǎn)如圖4所示。選取適當(dāng)個(gè)數(shù)的特征點(diǎn)可以保證模型的精確度和運(yùn)算數(shù)據(jù)量在合理范圍，本文選取19個(gè)點(diǎn)。

獲取特征點(diǎn)的坐標(biāo)，以測(cè)量每個(gè)特征點(diǎn)到X軸和Y軸的距離得到特征點(diǎn)的XY坐標(biāo)值。在60倍變焦下拍攝織物的橫截面測(cè)量獲取Z坐標(biāo)值，如圖5所示。獲取Z坐標(biāo)值需要測(cè)量特征點(diǎn)到XOY平

面的距離，因?yàn)榫€圈的對(duì)稱性，只需要測(cè)量特征點(diǎn)1-10到XOY平面的距離即可。對(duì)所有的點(diǎn)測(cè)量完畢后，獲得每個(gè)特征點(diǎn)的XYZ坐標(biāo)，如表3所示。

將所得坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入Rhino軟件中，對(duì)各個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行3次NURBS曲線［10］擬合，生成線圈中心曲線，NURBS曲線較為靈活，可以通過(guò)改變點(diǎn)和權(quán)因子來(lái)改變曲線形狀，函數(shù)表達(dá)式為：

Q（t）=∑ni=0ωiCiNi，k（t）∑ni=0ωiNi，k（t）（1）

式中：t∈［tmin，tmax］；Ci為特征多邊形控制點(diǎn)的位置矢量；ωi是控制點(diǎn)Ci處的權(quán)因子；k為曲線次數(shù)Ni，k（t）為k次樣條基函數(shù)。微觀單線圈中心曲線模型如圖6所示。

在完成線圈中心曲線的建模后，以中線曲線為中心賦予實(shí)際測(cè)量半徑值來(lái)建立細(xì)觀單個(gè)線圈實(shí)體模型，如圖7所示。

為滿足對(duì)織物有限元分析，需要對(duì)線圈進(jìn)行銜接和嵌套處理形成布料。首先對(duì)單個(gè)線圈中心曲線銜接到所需長(zhǎng)度，然后以中心曲線上點(diǎn)為圓心，賦予實(shí)際測(cè)量值為半徑生成細(xì)觀單橫向線圈模型；后對(duì)細(xì)觀單橫向線圈進(jìn)行縱向嵌套，得到所需布料宏觀模型實(shí)體，如圖8所示。

3.2? 紗線及織物力學(xué)性能有限元分析

織物有限元分析具體步驟如圖9所示，為了保證計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性有限元分析模型與國(guó)標(biāo)測(cè)試尺寸為1∶10。

3.2.1? 紗線力學(xué)性能有限元分析

建立單根紗線模型并導(dǎo)入ABAQUS中，材料屬

性按照表2賦予，使用延性金屬損傷中的柔性損失作為破壞準(zhǔn)則，分析步設(shè)定為動(dòng)態(tài)顯示模式，邊界載荷設(shè)定與國(guó)標(biāo)測(cè)試一致。根據(jù)表4中所得種子（Mesh）為0.1時(shí)，在應(yīng)變?yōu)?%、4%、6%時(shí)差異率均最小，所以選用Mesh=0.1。差異率由實(shí)驗(yàn)值與模擬值的絕對(duì)值差除以模擬值得出。網(wǎng)格劃分使用C3D8R六面體單元類型，C3D8R六面體單元具有較高的準(zhǔn)確性和靈活性，適用于線性和非線性的應(yīng)力分析，可以在保證準(zhǔn)確率的同時(shí)兼顧效率。紗線有限元分析圖，如圖10所示。結(jié)果對(duì)比如圖11所示。

圖11（a）為紗線的有限元分析拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖11（b）為紗線實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果的對(duì)比圖，可以看出有限元分析結(jié)果基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，詳細(xì)比較如表5所示。表5表示應(yīng)變?cè)?%、4%、6%時(shí)實(shí)驗(yàn)值與模擬值應(yīng)力差異情況，其中差異率最大為4.3%，最小差異率為0.5%，該有限元模型模擬值與實(shí)驗(yàn)值差異率均小于5%，表明了紗線材料屬性的有效性和有限元分析的可行性。

3.2.2? 織物力學(xué)性能有限元分析

在經(jīng)過(guò)對(duì)紗線的有限元模擬分析后，現(xiàn)對(duì)織物進(jìn)行拉伸、頂破性能有限元分析，本文以織物1#為例展示。

根據(jù)國(guó)標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)使用Rhino建立1∶10有限元分析模型并導(dǎo)入ABAQUS部件中并進(jìn)行裝配，按照表2紗線屬性進(jìn)行材料屬性設(shè)定，根據(jù)國(guó)標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邊界載荷設(shè)定；在接觸模塊中，因?yàn)榧喚€之間會(huì)有接觸和摩擦，根據(jù)表6、表7中數(shù)據(jù)得出，當(dāng)Mesh尺寸為0.1且摩擦系數(shù)為0.25時(shí)差異率均最小。本文選用通用接觸并且摩擦系數(shù)為0.25；網(wǎng)格劃分繼續(xù)使用C3D8R六面體單元類型，種子尺寸為0.1，這種算法使用結(jié)構(gòu)化劃分網(wǎng)格，單元形狀規(guī)則

且均勻。圖12為織物1#縱向拉伸與頂破性能有限元分析圖和實(shí)驗(yàn)圖，從圖中可以看出：在縱向拉伸過(guò)程中主要受力為圈柱，線圈中的紗線因受力由曲變直并承受拉力，圈柱受力伸直與拉伸的方向夾角變小且圈高變長(zhǎng)，整個(gè)線圈逐漸變長(zhǎng)直到紗線斷裂；在頂破的過(guò)程中，主要的受力也為圈柱，線圈受力拉長(zhǎng)伸直，圈柱與鋼球運(yùn)動(dòng)方向夾角逐漸變小，受力也變大直至斷裂。

圖13為有限元分析拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線和頂破位移載荷曲線與實(shí)驗(yàn)值和模擬值的對(duì)比圖，拉伸與頂破的模擬值總體都比實(shí)驗(yàn)值偏高。這是因?yàn)閷?shí)際織物的紗線相互作用復(fù)雜，在有限元分析中網(wǎng)格劃分種子的大小影響準(zhǔn)確度。有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的上升趨勢(shì)基本一致，吻合度高。支數(shù)越大，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率提高，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

表8和表9分別為織物縱向拉伸實(shí)驗(yàn)和頂破實(shí)驗(yàn)與有限元分析結(jié)果?？椢锟v向拉伸有限元分析過(guò)程中，在應(yīng)變10%、20%時(shí)實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的差異率均小于5%，頂破有限元分析過(guò)程中最大位移量和最大位移量對(duì)應(yīng)的最大載荷模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的差異率均小于5%。證明了有限元分析模擬預(yù)測(cè)織物拉伸性能和頂破性能的結(jié)果具有參考價(jià)值。

4? 結(jié)論

本文選用了5種相同結(jié)構(gòu)組織的針織平紋布，通過(guò)5塊布料的對(duì)比更直觀得出有限元分析的可行性。使用 Axio Cam Erc 5S 蔡司偏光顯微鏡對(duì)織物進(jìn)行拍攝并選取19個(gè)特征點(diǎn)，測(cè)量其xyz坐標(biāo)值并將特征點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入Rhino軟件中，使用3次NURBS曲線生成線圈中心曲線，通過(guò)中心曲線建立細(xì)觀單橫向織物模型，將細(xì)觀單橫向織物模型嵌套后得到宏觀織物模型，這種方法可以使織物模型達(dá)到比較理想的相似度，保證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

先對(duì)紗線進(jìn)行拉伸實(shí)和模擬實(shí)驗(yàn)，5種織物的紗線差異率均小于5%，最小差異率低至0.5%，驗(yàn)證了在ABAQUS中賦予紗線模型材料屬性的可行性；后對(duì)織物進(jìn)行縱向拉伸和頂破實(shí)驗(yàn)及有限元模擬實(shí)驗(yàn)，5種織物差異率均小于5%且曲線的趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了緯平織物使用有限元分析預(yù)測(cè)力學(xué)性能的可行性與有效性。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳鳳琴. 紡織CAD/CAM在服裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 紡織報(bào)告， 2015（4）： 63-65.

CHEN Fengqin. Textile CAD/CAM applications in fashion design［J］. Textile Reports， 2015（4）： 63-65.

［2］瞿暢， 王君澤， 李波. 緯編針織物三維仿真系統(tǒng)的開發(fā)［J］. 紡織學(xué)報(bào)， 2011， 32（4）： 57-61.

QU Chang， WANG Junze， LI Bo. Development of 3-D simulation system of weft knitted fabric ［J］. Journal of Textile Research， 2011， 32（4）： 57-61.

［3］吳周鏡， 宋暉， 李柏巖， 等. 緯編針織物在計(jì)算機(jī)中的三維仿真［J］. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2011， 37（2）： 210-214.

WU Zhoujing， SONG Hui， LI Baiyan， et al. 3D simulation of weft knitted fabric in computer ［J］. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2011， 37（2）： 210-214.

［4］劉夙， 龍海如. 緯平針織物的計(jì)算機(jī)三維模擬［J］. 紡織學(xué)報(bào)， 2007，28（12）： 41-44.

LIU Su， LONG Hairu. Three-dimensional computer simulation of weft plain knitted fabric ［J］. Journal of Textile Research， 2007， 28（12）： 41-44.

［5］LEAF G A V， GLASKIN A. The geometry of a plain knitted loop［J］. Journal of the Textile Institute Transactions， 1955， 46（9）： T587-T605.

［6］WADEKAR P， PERUMAL V， DION G， et al. An optimized yarn-level geometric model for Finite Element Analysis of weft-knitted fabrics［J］. Computer Aided Geometric Design， 2020， 80： 101883.

［7］孫亞博， 李立軍， 馬崇啟， 等. 基于ABAQUS的筒狀緯編針織物拉伸力學(xué)性能模擬［J］. 紡織學(xué)報(bào)， 2021，42（2）： 107-112.

SUN Yabo， LI Lijun， MA Chongqi， et al. Simulation of tensile mechanical properties of tubular weft knitted fabrics based on ABAQUS ［J］. Journal of Textile Research， 2021， 42（2）： 107-112.

［8］劉倩楠，張涵，劉新金， 等.基于ABAQUS的三原組織機(jī)織物拉伸力學(xué)性能模擬［J］.紡織學(xué)報(bào)，2019， 40（4）： 44-50.

LIU Qiannan， ZHANG Han， LIU Xinjin， et al. Simulation of tensile mechanical properties of three primary woven fabrics based on ABAQUS［J］. Journal of Textile Research， 2019， 40（4）： 44-50.

［9］石若星，鐘智麗，萬(wàn)佳.玄武巖長(zhǎng)絲/芳綸間隔紗織物復(fù)合板材平壓性能的有限元模擬［J］.輕紡工業(yè)與技術(shù)，2018，47（11）：15-16.

SHI Ruoxing， ZHONG Zhili， WAN Jia. Finite element simulation of flat compression performance of basalt filament/aramid spacer fabric composite plate［J］. Light and Textile Industry and Technology， 2018， 47（11）： 15-16.

［10］ZHANG L， LU J， MA J Y， et al. 2D NURBS Curve discretization method with double constraints of area and chord error and contour accuracy prediction modeling［J］. Simulation Modelling Practice and Theory， 2023， 122.

喜訊：《現(xiàn)代紡織技術(shù)》入選RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊

近日，由中國(guó)科教評(píng)價(jià)研究院、武漢大學(xué)中國(guó)科學(xué)評(píng)價(jià)研究中心（RCCSE）、武漢大學(xué)圖書館、中國(guó)科教評(píng)價(jià)網(wǎng)等單位聯(lián)合研制的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊評(píng)價(jià)研究報(bào)告》發(fā)布，《現(xiàn)代紡織技術(shù)》入選“RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊”，并首次進(jìn)入A-等級(jí)。

Finite element analysis of mechanical properties of weft plain knitted fabrics

WANG? Xuhuia，? JIANG? Wenbina，? WANG? Jinfenga，b

（a.College of Textile Science and Engineering（International Silk College）；

b.Key Laboratory of Industrial Textile Materials and Manufacturing Technology of Zhejiang Province，

Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

To solve the problem of time-consuming and labor-intensive prediction of the mechanical properties and appearance effects of fabrics by enterprises through weft knitted plain weave and sampling， a method using ABAQUS finite element analysis to predict the mechanical properties of fabrics was proposed. Firstly， the yarn and fabric were photographed by using the Axio Cam Erc 5S Zeiss polarizing microscope at different zoom angles to obtain the geometric parameters of the fabric coil. 19 feature points of the coil for three times of NURBS curve fitting were selected， the coil center curve was obtained， and the obtained geometric parameters were used to establish a fabric model. According to GB/T 3916—2013 Textiles-Yarns from Packages-Determination of Single-end Breaking Force and Elongation at Break Using Constant Rate of Extension（CRE） Tester， GB/T 3923.1—2013 Textiles-Tensile Properties of Fabrics-Part 1： Determination of Maximum Force and Elongation at Maximum Force Using the Strip Method， and GB/T 19976—2005 Textiles-Determination of Bursting Strength-Steel Ball Method， tensile and breaking tests were conducted on fabrics. Then， ABAQUS was used to perform finite element analysis and simulation on the constructed fabric model.

The accuracy of the model is a prerequisite for the ideal results of finite element analysis. The similarity between the model and the fabric was measured by measuring the coordinates of 19 feature points. Firstly， the ABAQUS finite element analysis simulation results and experimental results of a single yarn were compared to analyze whether the material properties of the yarn are accurate. The comparison in figure proves the correctness of yarn material properties. Yarns are defined as a nonlinear elastic-plastic material， and material properties are determined by the tensile properties of the yarn. Under the premise of national testing standards， finite element models with different seed sizes and friction coefficients were analyzed and simulated. It was found that when the seed size was 0.1 and the friction coefficient was 0.25， the difference rate between the simulated and experimental values was the smallest. In the finite element analysis， a seed size of 0.1 and a friction coefficient of 0.25 were selected to simulate longitudinal stretching and bursting of the fabric. By comparing the experimental values with the simulated values， it is found that the maximum difference rate is 4.76%， the minimum difference rate is 0.29%， and the difference rates are all less than 5%. This indicates the feasibility of ABAQUS finite element analysis of fabrics'mechanical properties.

After comparing the finite element analysis simulation and actual experimental results of five different fabrics， it has been proven that finite element analysis is not only applicable to engineering structural problems， but also to complex interwoven fabrics. The use of ABAQUS finite element analysis simulation can provide some auxiliary functions for enterprise sampling and weaving， which can further reduce the cost and time of enterprises.

Keywords：

finite element analysis; ABAQUS; mechanics; image processing; 3D modeling