張鶴譽，鄭振榮，2，趙曉明，2，孫曉軍

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387)

隨著科技的進(jìn)步和工作條件的改善，新型熱防護(hù)紡織材料的開發(fā)日益受到人們的重視［1－3］。隔熱材料的熱防護(hù)性能測試大多在高溫環(huán)境下進(jìn)行，試驗條件難以控制，同時增加了研發(fā)成本。從20世紀(jì)80年代后期開始，研究人員致力于熱防護(hù)材料傳熱數(shù)學(xué)模型的研究［4］。目前的模型研究主要是建立在平面直角坐標(biāo)系下，對織物模型進(jìn)行簡化［5－7］，一般是將織物單元模型簡化為簡單的均勻平板，這雖然降低了建模的難度，但也喪失了織物真實的組織結(jié)構(gòu)。Wang Moran等［8］研究認(rèn)為，纖維隨機分布的朝向角、纖維長度、纖維分散情況等對織物的有效熱導(dǎo)率有顯著影響;朱方龍［9］研究認(rèn)為織物組織結(jié)構(gòu)對熱量傳遞有影響，并采用有限差分法對火災(zāi)等高溫環(huán)境下熱防護(hù)織物的有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，因此織物幾何組織結(jié)構(gòu)在很大程度上會影響熱量在織物內(nèi)部的傳遞過程，建立三維織物模型是進(jìn)行織物內(nèi)熱傳遞過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。本文基于紗線的交織結(jié)構(gòu)建立了平紋織物的三維幾何模型，利用有限元方法研究了玻璃纖維織物內(nèi)的熱傳遞過程，用玻璃纖維平紋織物在火焰燒蝕下的熱傳遞試驗對數(shù)值模擬的有效性進(jìn)行了驗證。

1 數(shù)值模擬

以玻璃纖維平紋織物為研究對象，織物的紗線線密度為280 tex，纖維密度為2.34×106g/m3，纖維面積為6.36 ×10－11m2，纖維直徑為9 μm，纖維根數(shù)為1 800根，經(jīng)緯密為120根/10cm×100根/10 cm，織物厚度為0.97 mm。玻璃纖維平紋織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 平紋織物的紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Yarn structure parameters of plain fabric

1.1 模型建立

本文使用TexGen軟件建立平紋織物的三維幾何模型。TexGen軟件可以準(zhǔn)確模擬織物內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，并將創(chuàng)建的模型輸入外部分析軟件［10－12］。軟件中創(chuàng)建模型的方法有編織向?qū)Ш徒Ｆ?種。使用編織向?qū)Э梢苑奖憧旖莸貏?chuàng)建織物，但是幾何模型的靈活性和控制性會受到一定的限制［13］。本文使用建模器創(chuàng)建織物模型，在有限元分析中可以保證紗線單元的連續(xù)性。

根據(jù)表1中平紋織物的紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用建模器創(chuàng)建紗線，依據(jù)紗線的交織路徑，通過修改紗線上節(jié)點的坐標(biāo)，使紗線路徑符合貝塞爾(Bezier)樣條曲線函數(shù)。修改經(jīng)紗截面形狀為橢圓型，緯紗截面為凸透鏡型。圖1示出平紋織物的顯微照片和創(chuàng)建的模型圖。利用TexGen創(chuàng)建的織物模型與實際的三維織物結(jié)構(gòu)很相近，模型考慮了紗線的交織對紗線和織物形態(tài)的影響。模型建立后輸入玻璃纖維織物中紗線的性能參數(shù)，最后保存模型文件為IGES格式。

圖1 平紋織物Fig.1 Plain fabric.(a)Actual fabric microstructure picture;(b)Fabric geometry model;(c)Warp section;(d)Weft section;(e)Warp section model;(f)Weft section model

1.2 模型假定

為了簡化問題，創(chuàng)建理想模型，認(rèn)為織物內(nèi)部的傳熱過程是一維徑向傳遞，并做如下假設(shè):1)織物內(nèi)部經(jīng)緯向是各向同性;2)織物材料的熱物性是恒定;3)熱源的溫度恒定體，不隨時間變化;4)織物的邊界是絕熱體，即和環(huán)境沒有熱交換;忽略紗線間空氣的傳熱;5)對流換熱僅存在于織物表面，同時忽略輻射熱傳遞。

1.3 織物內(nèi)熱傳遞過程模擬

將創(chuàng)建的模型輸入有限元軟件ANSYS中，由于軟件的兼容性等原因，織物模型中的紗線會出現(xiàn)延伸，使用布爾運算對模型進(jìn)行修改［14］，得到平紋織物實體模型(見圖2(a))，然后對模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析［15］。

1.3.1 預(yù)處理階段

分析時選用的單元類型為SOLID87。SOLID87是三維十節(jié)點四面體單元，該單元能較好地適應(yīng)不規(guī)則模型的分網(wǎng)。單元有10個節(jié)點，每個節(jié)點有1個自由度，即節(jié)點溫度。該單元可適用于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。

在平紋織物實體模型中，對材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對于瞬態(tài)熱分析，需要輸入的材料熱性能參數(shù)有導(dǎo)熱 系 數(shù) (1.1 × 10－4W/(mm·℃))、比 熱 容(3.528 J/(g·℃))和密度(3.195 ×10－3g/mm3)。

圖2 ANSYS中的平紋織物模型Fig.2 Plain fabric model in ANSYS.(a)Fabric solid model;(b)Model after meshing

在網(wǎng)格劃分過程中，通常單元劃分的尺寸越小，模型中的單元數(shù)量越多，數(shù)值模擬的精確度越高，但同時也會增加計算機的運算負(fù)荷。采用映射網(wǎng)格劃分對織物模型進(jìn)行自由劃分(見圖2(b))，共得到136 992個單元、201 754個節(jié)點。

1.3.2 施加載荷與求解階段

在網(wǎng)格劃分結(jié)束后，要對織物模型施加載荷和約束條件。初始溫度和參考溫度設(shè)為20℃，對織物模型的下表面施加溫度載荷，載荷施加在節(jié)點上，溫度為900℃;對織物模型的外表面施加對流載荷，載荷值為8×10－6W/(mm2·℃)。設(shè)置載荷步選項，計算的終止時間為7 s，時間步長為0.2 s，保存文件后進(jìn)行求解。

1.3.3 后處理階段

使用POST1處理器可查看整個模型在某個時刻的結(jié)果。圖3示出織物模型的下表面和上表面在第7秒時的溫度分布圖。使用POST26處理器可查看模型中某個節(jié)點在載荷步歷程上的結(jié)果，并可繪制溫度隨時間的變化曲線。

2 試驗驗證

在熱傳遞試驗中將試樣固定在鐵架臺上，調(diào)整酒精噴燈，使其外焰燒蝕試樣下表面的中心位置。將數(shù)顯溫度表傳感器的觸點放置于試樣上表面的中心位置，記錄織物在燒蝕過程中的升溫過程。經(jīng)測試本文試驗條件下酒精噴燈的外焰溫度為900℃。使用POST26處理器查看織物上特定節(jié)點隨時間的溫度變化，選取節(jié)點的位置如圖4所示。圖5示出選取的節(jié)點溫度和測試溫度隨時間的變化曲線。

圖3 第7秒時模型表面的溫度分布Fig.3 Temperature distribution of model surface at the seventh second.(a)Lower surface;(b)Upper surface

圖4 節(jié)點選取的位置Fig.4 Selected position of node

圖5 溫度隨時間的變化曲線Fig.5 Variation of temperature with time

在織物模型的下表面施加穩(wěn)定的溫度載荷(見圖3)，由圖3(b)可知，織物的經(jīng)緯紗交織區(qū)域的溫度低于非交織區(qū)域，這是由于經(jīng)緯紗交織區(qū)域的厚度幾乎為非交織區(qū)域的2倍，熱量在交織區(qū)域的傳遞速率較低，溫度變化較慢。而非交織區(qū)域的厚度較低，可以使熱量較快傳遞至背面，故非交織區(qū)域的溫度變化較快。

由圖5可見，在前2 s中，平紋織物上表面的溫度升高較慢;在5～7 s，溫度快速升高，并于7 s時達(dá)到197℃。而在模擬結(jié)果中，在模型上表面選取節(jié)點的溫度變化趨勢與試驗數(shù)據(jù)非常接近，說明平紋織物模型的熱傳遞模擬結(jié)果與實際情況具有很好的吻合性。節(jié)點1和節(jié)點2在前7 s內(nèi)的模擬溫度與試驗測得溫度的平均相對誤差分別為8.67%和5.69%，這可能是由于織物紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)測量過程中存在誤差造成的，同時在數(shù)值模擬過程中進(jìn)行了條件假設(shè)，這雖然有利于模擬過程的順利進(jìn)行，但也會對模擬結(jié)果產(chǎn)生一些影響。

3 結(jié)論

建立織物的三維幾何模型并模擬織物內(nèi)部的熱量傳遞過程，考慮了紗線間交織結(jié)構(gòu)對熱量傳遞的影響，模擬值與試驗測試值比較吻合。本文為研究高溫環(huán)境下紗線交織結(jié)構(gòu)間的傳熱過程提供了新思路，今后應(yīng)就織物中所含的空氣和水分等因素對熱傳遞過程的影響進(jìn)行研究，從而使模擬結(jié)果更符合實際情況。利用數(shù)值模擬方法對纖維多孔材料的熱傳遞性能進(jìn)行模擬，可為各種纖維隔熱產(chǎn)品的設(shè)計、隔熱性能的評估和優(yōu)化等提供重要的理論參考。

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