陳潔如， 邱詩(shī)苑， 楊青青， 周 熠,2

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學(xué) 紡織纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430200)

現(xiàn)代柔性防彈衣大多是由多層織物通過(guò)吸收和耗散發(fā)射體的動(dòng)能來(lái)阻止高速射入的子彈。Bazhenov[1]認(rèn)為織物防彈性能與抽拔紗線的數(shù)量有關(guān)。Nilakantan等[2]研究了子彈射入期間織物的侵徹率發(fā)現(xiàn)，紗線抽拔對(duì)子彈能量耗散起主要作用。

紗線抽拔是指單根紗線在外力作用下從織物結(jié)構(gòu)中被抽出。抽拔力的大小與織物的結(jié)構(gòu)形狀、紗線交織交叉點(diǎn)的摩擦性能相關(guān)[3]。交織阻力是指織物在組織點(diǎn)處經(jīng)緯紗之間的摩擦力，即紗線在組織結(jié)構(gòu)中因?yàn)槟Σ梁托巫冏饔茫钟榘蔚哪芰?。在紗線抽拔過(guò)程中所需的作用力與織物間紗線摩擦阻力值是對(duì)等的，如同作用力和反作用力一樣。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，紗線抽拔是經(jīng)緯紗之間的相互摩擦作用。雖然纖維之間的摩擦因數(shù)可通過(guò)測(cè)試獲得，但即便所用纖維完全相同，織物內(nèi)紗線間的交織阻力也會(huì)因織物的緯向?qū)挾?、織物的?jīng)向?qū)挾?、?duì)織物施加的橫向預(yù)加張力的差異而不同。

織物在受到彈道沖擊時(shí),織物中紗線的抽拔滑移是一種重要的吸能方式[4]。研究高性能織物在紗線抽拔過(guò)程中的準(zhǔn)靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)，有利于為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)防彈服提供新的理論指導(dǎo)。盡管國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)在此領(lǐng)域做出突破[5]，但是多數(shù)實(shí)驗(yàn)沒(méi)能處理好子彈射入時(shí)對(duì)紗線產(chǎn)生的預(yù)加張力。對(duì)于具體預(yù)加張力數(shù)值的調(diào)節(jié)與穩(wěn)定成為研究紗線抽拔過(guò)程與防彈衣分析建模難以突破的障礙。研究者Zhu等[6]所做的412 N和208 N的預(yù)加張力實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將預(yù)加張力調(diào)到特定數(shù)值并使其穩(wěn)定的困難性。

織物是一種柔性體,在抽拔中既要保證受到抽拔的紗線能夠順利抽出,又要整個(gè)織物保持平整且被握持的狀態(tài),才能真實(shí)模擬織物在受到?jīng)_擊過(guò)程中的狀態(tài)。目前的織物拉伸夾具都是針對(duì)整個(gè)織物一端進(jìn)行整體夾持,沒(méi)有既能有效握持織物又能順利抽拔出單根紗線的抽拔裝置[7]。

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題,本文將使用一種自主設(shè)計(jì)的可調(diào)預(yù)加張力的紗線抽拔裝置,通過(guò)YG028萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)得出抽拔實(shí)驗(yàn)中紗線的交織阻力-位移曲線，研究芳綸織物紗線在不同規(guī)格尺寸、不同預(yù)加張力條件下對(duì)交織阻力的影響。同時(shí)構(gòu)建一個(gè)模型公式，用以預(yù)測(cè)對(duì)于不同規(guī)格尺寸、不同預(yù)加張力情況下紗線抽拔所產(chǎn)生的交織阻力值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：Kevlar-29芳綸平紋織物，經(jīng)緯向密度均為70根/(10 cm)，經(jīng)緯紗線密度均為1 667 dtex，美國(guó)杜邦公司。

儀器：YG028型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)；可調(diào)橫向預(yù)加張力裝置(自主研發(fā))。圖1示出可調(diào)橫向預(yù)加張力的織物夾具。包括底座、安裝框(含光滑槽口)、左右?jiàn)A鉗、壓力傳感器、螺栓以及彈簧。其中,左夾鉗為固定夾鉗，用來(lái)固定織物的一端。右?jiàn)A鉗則為活動(dòng)夾鉗，可以沿橫向平行移動(dòng)。主框架上下兩側(cè)都開(kāi)有可供右鉗平移的光滑槽口。

①—左夾鉗；②—安裝框；③—紗尾；④—右?jiàn)A鉗；⑤—傳感器；⑥—帶彈簧的螺栓；⑦—光滑槽口；⑧—夾具底座。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

參照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)》,使用萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣緯紗的抽拔實(shí)驗(yàn)，上夾頭的拉伸速度設(shè)定為100 mm/min，拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)隔距為200 mm。

將織物試樣分別裁剪成8 cm×8cm、13 cm×8 cm,18 cm×8 cm(此3種試樣緯向?qū)挾染鶠? cm，僅改變經(jīng)向?qū)挾戎?，以及13 cm×4 cm,13 cm×8 cm,13 cm×12 cm(此3種試樣徑向?qū)挾染鶠?3 cm，僅改變緯向?qū)挾戎?。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將織物兩側(cè)固定在左右?jiàn)A鉗，通過(guò)控制調(diào)整螺栓對(duì)傳感器的壓力來(lái)改變織物的橫向張力(僅用螺栓頂住傳感器，織物會(huì)很快產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象[8]，而在螺栓處添加一個(gè)彈簧能使織物張力在短時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定)。

通過(guò)圖1所示夾具給予試樣不同的預(yù)加張力，測(cè)試織物交織阻力以及橫向張力變化情況。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)選取4個(gè)平行樣品進(jìn)行測(cè)試。本文實(shí)驗(yàn)在測(cè)試之前需從織物的頂部邊緣手動(dòng)移除經(jīng)紗以露出40 mm的縱向緯紗紗尾。

2 結(jié)果與討論

2.1 抽拔曲線特性分析

圖2示出了織物交織阻力以及橫向張力與被抽拔紗線縱向位移關(guān)系圖。其中交織阻力曲線記錄了拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上夾頭傳感器所受長(zhǎng)絲束交織阻力的變化狀態(tài)，橫向張力曲線記錄了橫向傳感器所受橫向張力的變化狀態(tài)。(在大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，因不同的預(yù)加張力條件下得出的曲線圖變化趨勢(shì)基本一致，故在此僅選取出13 cm×12 cm織物在400 N預(yù)加張力下的實(shí)驗(yàn)曲線為分析對(duì)象)。

圖2 織物交織阻力以及橫向張力與被抽拔紗線縱向位移關(guān)系圖

交織阻力曲線示出，長(zhǎng)絲束所受交織阻力在初始階段達(dá)到峰值后，繼而呈現(xiàn)一種振蕩遞減的變化規(guī)律。橫向張力曲線和交織阻力曲線所體現(xiàn)的變化規(guī)律基本上一致。這種規(guī)律反映了平紋結(jié)構(gòu)在抽拔過(guò)程中的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)。長(zhǎng)絲束在被抽拔時(shí)，會(huì)給予橫向經(jīng)紗一個(gè)垂直方向的拉伸力，使得經(jīng)紗屈曲逐漸變大，進(jìn)而導(dǎo)致橫向張力有所增大。與此同時(shí)所需抽拔力也相應(yīng)增大，即長(zhǎng)絲束所受交織阻力增大。直至長(zhǎng)絲束移出一個(gè)交織點(diǎn)，經(jīng)紗受力點(diǎn)相應(yīng)減少，致使橫向張力又略有下降，緯向所需抽拔力也發(fā)生略微減少。在抽拔過(guò)程中反復(fù)經(jīng)過(guò)和移出一個(gè)又一個(gè)交織點(diǎn)，故交織阻力曲線和橫向張力曲線均出現(xiàn)振蕩遞減趨勢(shì)[5]。利用鉸鏈模型模擬交織點(diǎn)的受力狀態(tài)，科學(xué)分析了張力的這種振蕩變化趨勢(shì)。緯紗和經(jīng)紗處于嚙合態(tài)時(shí)，經(jīng)緯紗形變恢復(fù)，橫向張力也由此減小，紗線抽拔力處于谷值，反之亦反。這也解釋了圖2中橫向張力曲線與交織阻力曲線的波峰與波谷一一對(duì)應(yīng)的原因。當(dāng)長(zhǎng)絲束被徹底抽出后，緯向給予橫向經(jīng)紗的拉伸力消失，同時(shí)橫向經(jīng)紗和緯紗的交織點(diǎn)也處于最小點(diǎn)數(shù)，故如表1所示，最終橫向張力比較于初始預(yù)加張力發(fā)生減少。

表1 13 cm×12 cm織物在不同預(yù)加張力下交織阻力的最值

2.2 預(yù)加張力對(duì)抽拔曲線的影響

圖3示出試樣在不同的橫向預(yù)加張力下長(zhǎng)絲束所體現(xiàn)出的交織阻力-位移曲線。可知，不同預(yù)加張力作用下單紗抽拔實(shí)驗(yàn)的交織阻力變化規(guī)律基本一致，都存在退屈曲區(qū)和黏滑區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，最大交織阻力與橫向預(yù)加張力之間的變化呈正相關(guān)性，而且兩者之間的漲幅呈對(duì)數(shù)關(guān)系。100、200、300和400 N的預(yù)加張力下測(cè)得的最大交織阻力分別為6.45、9.1、11.08、12.41 N，相鄰階段張力增幅分別為41%、21.7%、12%?？梢?jiàn)最大交織阻力增幅越來(lái)越小。原因可能是增加橫向紗線的張力增加了紗線之間的法向力，進(jìn)而增加了紗線抽拔的摩擦阻力，故需要較大增量的抽拔力才能使長(zhǎng)絲束被抽拔出。織物受到的橫向張力越大，經(jīng)緯紗的屈曲交換則更加不容易實(shí)現(xiàn)，因此在達(dá)到最大交織阻力之前，曲線模量略有升高。再者根據(jù)絞盤方程T=T0eμθ(見(jiàn)圖4)，給定輸入張力T0,輸出張力T由紗線和圓柱面間的摩擦因數(shù)μ以及接觸角θ決定。在屈曲交換越艱難的情況下，被抽拔的長(zhǎng)絲束與橫向經(jīng)紗的接觸角θ越大，則輸出張力T增大，即長(zhǎng)絲束所受到的最大交織阻力增大[9]。

圖3 8 cm×8 cm平紋機(jī)織物抽拔實(shí)驗(yàn)交織阻力-位移曲線

圖4 絞盤方程的示意圖

2.3 織物經(jīng)向?qū)挾葘?duì)交織阻力曲線的影響

圖5示出在400 N預(yù)加張力下織物經(jīng)向?qū)挾鹊母淖儗?duì)交織阻力的影響?？芍?，織物經(jīng)向?qū)挾仍綄?，長(zhǎng)絲束被抽拔時(shí)所受的最大交織阻力越小，其抽拔曲線的初始模量也越小。在預(yù)加張力不變的情況下，隨著織物經(jīng)向?qū)挾鹊脑黾?，?jīng)紗屈曲部分的伸直以及自身伸長(zhǎng)變形的橫向空間均會(huì)增加，這將有利于經(jīng)紗屈曲變大，同時(shí)也有利于緯紗的伸直，使得紗線的屈曲交換變得更為容易，故曲線的初始模量變小。再者根據(jù)絞盤方程，在屈曲交換變得更為容易的情況下，被抽拔的長(zhǎng)絲束與橫向經(jīng)紗的接觸角θ減小，故輸出張力T減小，即長(zhǎng)絲束所受到的最大交織阻力減小。

圖5 400 N預(yù)加張力下不同經(jīng)向?qū)挾瓤椢锏慕豢椬枇η€

圖6示出預(yù)加張力分別為100、200、300、400時(shí)產(chǎn)生的最大交織阻力值。結(jié)果表明,寬度為8、13、18 cm試樣，預(yù)加張力從100 N增至400 N時(shí)，增幅分別為98.33%、78.28%、62.15%。當(dāng)預(yù)加張力逐漸增大時(shí)，織物經(jīng)向?qū)挾葘?duì)交織阻力的影響逐漸增強(qiáng)。因?yàn)橐罁?jù)前文分析，當(dāng)預(yù)加張力增大時(shí)，紗線屈曲交換變得更艱難，進(jìn)而紗線抽拔時(shí)的交織阻力變大。與此同時(shí)，預(yù)加張力不變時(shí)，經(jīng)向?qū)挾仍綄?，則紗線被拉伸時(shí)可伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度距離更大，越有利于屈曲交換。故而所需交織阻力越小。預(yù)加張力和經(jīng)向?qū)挾鹊脑黾訉?duì)于抽拔紗線張力的影響正好是相反的，而相比較于經(jīng)向?qū)挾鹊挠绊?，預(yù)加張力對(duì)于抽拔力的影響顯得更為突出，故呈現(xiàn)出此種情況。

圖6 不同預(yù)加張力下不同經(jīng)向?qū)挾瓤椢镒畲蠼豢椬枇?duì)比圖

2.4 織物緯向?qū)挾葘?duì)交織阻力曲線的影響

不同緯向?qū)挾瓤椢飳?duì)交織阻力影響的對(duì)比如圖7所示。可知，隨著織物緯向?qū)挾鹊脑龃?，長(zhǎng)絲束所受的交織阻力呈指數(shù)增長(zhǎng)。預(yù)加張力為100和200 N時(shí)，最大交織阻力產(chǎn)生時(shí)發(fā)生的位移隨著織物緯向?qū)挾鹊脑黾佣黾樱?dāng)預(yù)加張力為200、300和400 N時(shí)，最大交織阻力發(fā)生時(shí)的位移隨著織物長(zhǎng)度的增加呈非線性增加?？椢锞曄?qū)挾鹊脑黾訉?dǎo)致了接觸面積的增加，從而增加了紗線抽拔時(shí)的摩擦阻力，此外隨著織物緯向?qū)挾鹊脑黾?，交織點(diǎn)的數(shù)量也相應(yīng)增加，導(dǎo)致長(zhǎng)絲束路徑彎曲度增加，故長(zhǎng)絲束被抽拔時(shí)所消耗的能量也隨著織物緯向?qū)挾鹊脑黾佣手笖?shù)增長(zhǎng)。

圖7 300 N預(yù)加張力下不同緯向?qū)挾瓤椢锏慕豢椬枇η€

圖8示出預(yù)加張力分別為100、200、300、400 N時(shí)產(chǎn)生的最大交織阻力值?？芍?，當(dāng)預(yù)加張力為100 N時(shí)，對(duì)比緯向?qū)挾葹?和8 cm，以及8和12 cm，均是隨著緯向?qū)挾鹊脑黾樱渥畲蠼豢椬枇γ黠@增大，但增長(zhǎng)百分比卻大為不同。前者增長(zhǎng)百分比為104%，后者為36.6%；預(yù)加張力為200 N時(shí)，前者為119.6%，后者為44.9%；預(yù)加張力為300 N時(shí)，前者為140.9%，后者為50.43%；預(yù)加張力為400 N時(shí)，前者為157.27%，后者為47.17%。由此可見(jiàn)，預(yù)加張力一定時(shí)，織物緯向?qū)挾瘸时壤黾訒r(shí)，最大交織阻力逐漸增大，但增幅呈遞減趨勢(shì)。預(yù)加張力逐漸增大時(shí)，織物緯向?qū)挾葘?duì)交織阻力的影響逐漸增強(qiáng)。

圖8 不同預(yù)加張力下不同緯向?qū)挾瓤椢镒畲蠼豢椬枇?duì)比圖

3 交織阻力模型

3.1 模型公式構(gòu)建

預(yù)構(gòu)建一個(gè)模型公式，用以預(yù)測(cè)不同經(jīng)向?qū)挾取⒉煌曄驅(qū)挾?、不同預(yù)加張力情況下抽拔紗線所產(chǎn)生的交織阻力的數(shù)值。首先選用半經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)抽拔實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化設(shè)定。

3.1.1 退屈曲區(qū)模型

當(dāng)上夾頭對(duì)緯紗施加外力后，紗線張力迅速到達(dá)一個(gè)峰值，在交織阻力-位移曲線上，這一區(qū)域稱為“退屈曲區(qū)”[10]。

對(duì)于每一測(cè)試樣品，分別根據(jù)其測(cè)得的峰值抽拔力Fp和峰值位移Xp對(duì)退屈曲區(qū)的力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。該歸一化數(shù)據(jù)可以通過(guò)以下公式進(jìn)行建模。

(1)

式中：F為抽拔拉力，N；Fp為最大抽拔拉力，N；X為試樣被抽拔時(shí)移動(dòng)的位移，mm；Xp為抽拔力達(dá)到最大值時(shí)試樣產(chǎn)生的位移，mm；α為關(guān)系系數(shù)。

可以通過(guò)MatLab中非線性最小二乘法為數(shù)據(jù)集計(jì)算出最合適的α值為0.749。其擬合優(yōu)度(R2)值達(dá)到0.988。

然后將每個(gè)數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fp和Xp值與方程擬合。各自方程式分別為:

Fp=a1+a2L1+a3L2+a4T+a5L1T+a6L2T+a7L1L2+a8L1L2T

(2)

Xp=b1+b2L1+b3L2+b4T+b5L1T+b6L2T+b7L1L2+b8L1L2T

(3)

式中：L1為試樣經(jīng)向?qū)挾?，mm；L2為試樣緯向?qū)挾龋琺m；T為預(yù)加張力，N;常數(shù)a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8,以及b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8可以通過(guò)MatLab軟件編程并代入已測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用非線性最小二乘法求解得出。

3.1.2 黏滑區(qū)模型

在“黏滑區(qū)”內(nèi)，隨著位移的增大，交織阻力呈現(xiàn)出一種振蕩衰減趨勢(shì)。對(duì)于這個(gè)階段的每個(gè)數(shù)據(jù)集，同樣可分別通過(guò)測(cè)得的峰值抽拔力Fp和峰值位移Xp數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行歸一化。該歸一化數(shù)據(jù)可以通過(guò)下式進(jìn)行建模。

(4)

結(jié)合公式(2)、(3)，通過(guò)MatLab運(yùn)用非線性最小二乘法為數(shù)據(jù)集計(jì)算出最合適的λ1、λ2值，分別為8.822、0.658。其擬合優(yōu)度(R2)值為0.973，說(shuō)明擬合效果很好。

3.2 模型評(píng)估

通過(guò)交織阻力-位移曲線的完整模型公式，結(jié)合已得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出了一個(gè)完整的擬合曲線，見(jiàn)圖9所示。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，模型的擬合優(yōu)度(R2)值達(dá)到0.973。這一點(diǎn)從擬合圖中可得到的很好地印證，可看出擬合效果非常好，半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確地代表了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

本文研究了芳綸織物在不同規(guī)格尺寸、不同預(yù)加張力條件下進(jìn)行單紗抽拔對(duì)交織阻力的影響，得出以下主要結(jié)論。

1)織物所受預(yù)加張力越大，經(jīng)緯紗的屈曲交換越不容易實(shí)現(xiàn)，則輸出張力增大，長(zhǎng)絲束所受到的最大交織阻力增大。

2)織物經(jīng)向?qū)挾仍綄?，則紗線被拉伸時(shí)屈曲部分的伸直以及自身伸長(zhǎng)變形的橫向空間均會(huì)增加，越有利于屈曲交換，故而所產(chǎn)生的交織阻力越小。

3)織物緯向?qū)挾仍綄挘瑒t紗線被拉伸時(shí)接觸面積更大，交織點(diǎn)的數(shù)量也更多，從而增加了紗線抽拔時(shí)的摩擦阻力，即所產(chǎn)生的交織阻力越大。

織物所受交織阻力可評(píng)價(jià)織物的剪切變形性，在一定程度上可體現(xiàn)高性能纖維織物的防彈性能。同等條件下，織物交織阻力越大，越有利于織物的防彈性能的提高。通過(guò)研究芳綸織物的交織阻力影響因素，可為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)防彈服提供理論指導(dǎo)。交織阻力半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸娇墒箤?shí)驗(yàn)人員快速獲取織物在單紗抽拔時(shí)的交織阻力值，在很大程度上提高了實(shí)驗(yàn)效率。