应用ABAQUS的织物热传递有限元分析

为拓展机织物热舒适性设计、评估和优化的思路,提供一种有效预测织物热阻的方法,基于织物的三维模型及传热学理论,对织物系统进行一维热传递的数值模拟,得到织物传热过程中的温度分布特征。利用显微图像及切片技术获取织物几何结构参数,建立平纹织物的几何模型,并与纱线周围静止空气装配,构成织物系统的三维模型,借助有限元分析软件ABAQUS,根据模拟环境设置边界条件与相互作用,计算模型的数值解。最后通过模拟皮肤散热的恒温平板实验,对数值模拟结果进行验证,结果显示：织物外表面温度的模拟值与实验值随时间变化的一致性较好,理论热阻值与实验热阻值相对误差为3.9％,二者吻合度较高。     

基于ABAQUS的筒状纬编针织物拉伸力学性能模拟

为更好地了解筒状纬编针织物抵抗拉伸变形的能力,基于对织物试样尺寸测量得到的几何结构参数,借助Rhino 3D建模软件建立了纬编针织物线圈模型和筒状纬编针织物模型;同时利用有限元分析软件ABAQUS在单位线圈和筒状织物2个方面研究了筒状纬编针织物的纵向拉伸性能;对织物拉伸过程进行有限元模拟和实验验证,并对针织物拉伸过程中纱线形变和应力分布进行探讨,将有限元仿真结果和拉伸实验结果进行对比分析。结果表明:筒状针织物纵向拉伸时,发生线圈转移和纱线伸长现象,其形变和应力变化的有限元分析结果描述准确,应力-应变数值计算结果与实验结果的差异在8%以内,证明有限元仿真的可行性。     

仿真丝织物与真丝织物的热传递有限元仿真

为在织物设计时评估、优化织物的热舒适性,提出一种有效预测克罗值和织物表面温度变化的方法。文章采用规格相近的仿真丝和真丝织物,通过VHX-5000显微镜测量织物试样,得到纱线的几何结构参数,并考虑织物周围的空气,借助Auto CAD软件建立织物系统的三维有限元模型;借助有限元软件ANSYS,设置载荷和边界条件,求解仿真数值;并将有限元仿真结果与实验结果对比。结果表明:织物仿真克罗值与实验克罗值相对误差在5%以下,证明有限元仿真的可行性,为改善仿真丝织物的热传递提供了理论方法;相近的织物规格下,粘胶仿真丝与真丝织物克罗值相差不大,并远大于涤纶仿真丝织物。     

真丝和涤纶仿真丝织物的拉伸性能有限元仿真

为了在织物设计时可以依据织造原料的纱线性能来估算织物的拉伸性能,以预测、优化织物的拉伸性能,对织物的整个拉伸过程做了有限元仿真和试验验证。选用规格相近的涤纶仿真丝和真丝织物,借助超景深数码显微镜VHX-5000测量织物试样,获得纱线的几何结构参数,运用AutoCAD软件构建织物三维系统的有限元模型;并运用有限元软件Ansys,设置载荷和边界条件,求解拉伸载荷的仿真数值结果;最后将有限元模拟结果与试验结果相对比。结果表明:织物拉伸模拟曲线与实验曲线基本相同,证明有限元仿真的可行性;涤纶仿真丝和真丝织物的拉伸曲线在拉伸初始阶段和断裂阶段有明显差异。     

纬编针织物导热性能的有限元仿真

为了提出一种用于优化、评估、预测针织物导热性能的方法,文章探索了纬编针织物热量传递的有限元仿真模拟,尤其是夏季汗衫面料,因为其导热性能与人体舒适性密切相关。首先使用织物厚度仪和超景深显微镜获取织物结构参数,通过插入三次B样条曲线建立纬平针织物的三维几何模型。然后将单元线圈模型导入有限元分析软件STAR-CCM+中,通过网格划分、边界设置、迭代计算步骤进行数值计算,并和实验值进行了比较分析,误差在4%以内。表明此方法具有一定的实用性,可用于预测纬编针织物的导热性能。     

基于TexGen的筒状纬编针织物的三维仿真

为建立筒状纬编针织物三维几何模型,突出其立体感,以传统的二维Pierce线圈模型作为织物在其厚度方向上的投影,利用几何关系得到能描述纬编针织物纱线形态的15个节点及其二维坐标值的计算方法,再将织物厚度方向扩展为节点坐标的第三维度,根据节点位置的不同得到其三维坐标值,基于这些节点在TexGen软件中使用Bezier样条曲线建立织物的纱线轨迹,再以指定的纱线横截面形状扫掠轨迹,建立通用的筒状纬编针织物三维模型。模拟结果较好地表现了线圈的相互串套关系和织物的空间形态,且能为后续的有限元分析提供前处理工作。     

采用ABAQUS的粘胶机织物拉伸力学性能仿真

为预测织物拉伸性能,采用有限元方法对织物拉伸力学进行数值模拟分析。在实测织物几何结构参数的基础上,借助纺织建模软件Texgen建立了织物模型;利用有限元软件ABAQUS模拟织物拉伸环境,设置材料属性、相互作用和边界条件,得到织物拉伸变形后应力分布云图以及拉伸时应力—应变曲线图等数值模拟结果;最后通过织物拉伸强力测试实验对数值模拟结果进行了验证。结果显示：模拟所得应力—应变曲线和实验所得拉力—伸长曲线上升趋势大致相同;模拟所得最大拉伸应力与实验所得拉伸应力平均误差为3.03%,证明了采用ABAQUS有限元软件模拟粘胶织物拉伸力学性能的是可行的。     

三原组织织物拉伸力学性能有限元仿真

为使织物在设计前就可预估其拉伸性能,对织物拉伸过程进行了有限元模拟和试验验证。通过超景深数码显微镜对织物试样的细观照片进行尺寸测量,得到纱线的几何结构参数,借助AutoCAD绘图软件建立了三原织物单胞物理模型;基于纱线拉伸试验和织物周期边界条件理论,利用有限元分析软件ANSYS研究了三原织物的拉伸性能;并将有限元仿真结果与拉伸试验结果进行对比。结果表明：织物经向拉伸时,经向平均应力、经向平均应变、纬向平均应变和泊松比的有限元模拟结果与试验结果的差异均在5%左右;经向弹性模量的有限元模拟结果与试验结果的差异也在10%以内;证明有限元仿真的可行性。     

羽绒制品热传递的有限元仿真

针对现有羽绒制品保暖性测试方法的测试时间较长、成本较高等不足,提出一种数值模拟测试方法。采用ANSYS有限元软件建立“羽绒-织物-皮肤”的三维几何模型,模拟分析不同织物、不同填充密度、不同绗缝数量条件下模型内部与外表面的温度分布特征,探究不同条件对热量沿厚度方向和宽度方向传递的影响,计算其保暖性,并进行实验验证。结果表明：羽绒填充密度增加,热量沿模型厚度方向的传递距离增大,外表面温度及热流密度减小;绗缝数量增加,热量沿模型厚度方向的传递增大,沿模型宽度方向的传递距离减小,外表面温度及热流密度逐渐增大;织物对羽绒制品保暖性的影响较小;模拟结果与实验结果的最大相对误差为4.79%,二者吻合度较好。     

多轴向经编织物增强复合材料有限元建模

以地组织为开口编链的±45°多轴向织物增强复合材料为例,基于NURBS曲线和曲面方法结合单胞思路,借助于三维绘图软件CATIA建立多轴向经编针织物的三维实体细观结构模型。把建好的多轴向经编织物和树脂基体导入有限元软件ABAQUS进行前处理网格划分。通过检测复合材料细观结构模型的网格质量,发现该模型没有错误网格,质量偏低的网格只存在于基体且只占网格总数的1.16%。结合ABAQUS求解器计算得到复合材料各部分的应力场云图。结果表明,该有限元几何模型既能有效地实现多轴向经编织物的三维形态仿真,又可以满足有限元数值分析对模型建立的要求,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供一种有效的分析方法。     

织物接触冷暖感的模拟分析

为了探究织物接触冷暖感,针对织物与皮肤接触瞬间热量传导情况及其影响因素,采用有限元方法构建三维织物传热仿真模型分析织物接触冷暖感的影响因素。通过Texgen建模软件建立织物三维几何模型,结合等效热导率的串并联模型,用Ansys workbench软件进行仿真模拟。提取最大热通量值与KES-F7型织物冷暖感测试仪的测试结果进行对比验证,结果显示模拟值与测试值误差均在6%以内,且吻合度较好。研究结果表明:织物毛羽层厚度增大时,织物与人体皮肤接触面热通量会随之变小;当织物内部加入高热导率纱线时,织物与人体皮肤接触面热通量值随之增加,且热导率增大时,织物与人体皮肤接触面热通量增幅趋缓;当高热导率纱线数量增多时,织物与人体皮肤接触面热通量值也会明显增大。     

聚四氟乙烯／芳纶破斜纹织物衬垫拉伸性能数值仿真

为了解自润滑关节轴承织物衬垫的拉伸性能,对其拉伸性能进行了数值仿真与试验验证。通过进行切片试验,利用激光共聚焦显微镜观测纤维截面形态,对截面形貌轮廓尺寸进行测量计算,得到了纤维束的几何参数,利用ANSYS有限元软件建立了织物衬垫增强相单胞模型;基于复合材料细观力学方法和周期性边界条件,研究了织物衬垫拉伸性能,利用ANSYS得出了聚四氟乙烯（ PTFE）／芳纶（ Kevlar）混织破斜纹衬垫的拉伸弹性常数;并将数值仿真分析结果与拉伸试验结果对比,结果相差约20％,在误差允许范围内。     

基于TexGen的经编针织物的三维仿真

针对经编针织物复杂的三维仿真问题,采用TexGen软件对经编针织物进行三维仿真。基于TexGen的建模原理,先确定最小重复单元线圈上的数个节点,通过样条插值的方法获得纱线长度方向的三维中心线,然后通过扫掠二维的横截面,再经过重复最小单元的方法获得经编针织物中纱线的三维几何模型。结果表明,由TexGen对经编针织物进行三维模拟的方法简单可行,模拟得到的效果图中线圈过渡平滑,线圈间的连接较平滑,可达到比较理想的仿真效果。     

自热米饭传热过程的仿真研究

为提高自热米饭的热加工效率,运用三维数值仿真与试验相结合的方法,设计搭建了试验装置,对自热米饭的传热过程进行研究。采用传热学的相关理论和方法,应用CFD软件FLUENT,对米饭、水蒸气、热源及米饭包装材料进行仿真建模。由于米饭的包装材料较薄、热阻较大,对自热米饭的热吸收率有着重要影响,因此对外包装材料瓦楞纸进行建模研究,得到合理的瓦楞纸模型。应用建立的自热米饭三维数值模型,研究不同类型瓦楞纸对自热米饭热吸收率的影响,结合试验结果,得到自热米饭最优的瓦楞纸包装类型。研究结果为自热食品传热过程的研究提供了理论和数据依据。     

玻璃纤维交织织物的热传递数值模拟

实测织物的组织结构参数和纱线的交织规律,建立了玻璃纤维平纹织物几何模型,利用有限元方法对玻璃纤维织物的热传递性能进行数值模拟。与显微镜图像对比表明,织物模型很好地反映了其几何结构特点。数值模拟结果可直观显示不同时间点织物上的温度分布情况。对织物进行烧蚀试验,将所测织物上的温度随时间变化曲线与数值模拟结果进行比较,结果显示二者同一时刻温度的平均相对误差在10%以内,模拟结果能直观反映织物组织结构对热量传递的影响。     

电加热服装中加热片与织物组合体的稳态热传递模拟

为优化冬季电加热服装设计,采用ANSYS 建立加热片、空气层与织物组合体的三维有限元模型,模拟分析不同织物、不同加热片和不同空气层厚度等条件下模型内部与外表面的温度分布特征。同时探索增加空气层等效导热系数对加热片热量沿平面方向和厚度方向传递的影响。结果表明：织物热阻或空气层厚度增加,沿厚度方向的热量传递逐渐下降,且下降梯度逐渐变小,而沿织物平面方向的热量传递距离变大;通过分散发热区域可提高模型平面内的热量传递;增加空气层等效导热系数,模型中平面方向和厚度方向的热量传递均有增大。通过实验对热传递模拟结果进行验证,结果显示,织物外表面温度的模拟值与实验值最大相对误差为9.7%,二者吻合度较好。     

机织物热传递有限元仿真及其分类模型

为了研究纤维原料对机织物热传递性能的贡献,对织物进行虚拟建模,利用有限元软件仿真对织物的传热进行数值模拟,得到传热过程中织物中的温度分布和热阻。结果表明:织物的模拟热阻与实测热阻具有很好的一致性,温度分布云图可视地展示了织物在稳定热流场中的温度分布与流场状态,热流主要沿纱线轴线方向传递,能够清晰反映出不同纤维材料织物具有不同的热阻。认为:常规纤维平纹织物热阻主要集中在0.17×10~(-2)m~2·℃/W、0.46×10~(-2)m~2·℃/W和0.66×10~(-2)m~2·℃/W三个区域。     

有机硅树脂涂层碳纤维织物传热过程的数值模拟

为探究有机硅树脂涂层碳纤维织物在高温热流烧蚀下的传热过程,文章根据涂层织物结构参数和碳纤维的交织规律,建立涂层织物的三维几何模型;基于有机硅树脂和碳纤维纱线的烧蚀机制,创建了有机硅树脂涂层碳纤维织物烧蚀过程的数值模型,对涂层织物的热传递过程进行数值模拟。结果表明:与显微镜图像对比,涂层织物三维几何模型很好地反映了其几何结构特点;数值模拟结果可直观显示不同时间点涂层织物上的温度分布情况,利用石英灯烧蚀实验对该模型进行验证,在0～135 s,每隔1 s计算1次模拟背温与实验背温的相对误差,最后计算相对误差平均值为9.47%,说明在高温下涂层碳纤维织物传热数值模型能反映其传热过程。     

超高分子量聚乙烯平纹织物的穿刺冲击模拟与响应分析

运用有限元方法对带刃刀具刺穿超高分子量聚乙烯平纹织物的冲击过程进行数值模拟,并通过准静态实验验证有限元模型的有效性。通过给出布面刺破效果的数值仿真模拟,对织物刺穿过程中的纱线的应力应变分布进行分析,得到冲击系统的能量变化规律。数值模拟结果指出:刀刺织物过程中,刀具的能量主要转化为织物的弹性应变能,其余为塑性耗散能和摩擦耗散能;纱线破坏以剪切断裂为主;平纹织物的弹性回复性能有助于抵抗刀具的冲击,增强其抗剪切性能是提高防刺性能的关键。     

基于足部有限元模型的跑鞋中底结构设计分析

为从足部生物力学角度分析跑鞋中底结构的性能,建立了3种基于有限元模拟的足部接触仿真模型,模拟和预测不同跑鞋中底结构带来的足底软组织和足骨的应力分布情况。对受试者的右脚进行薄层CT扫描,将所得Dicom格式数据导入三维重建软件Mimics 21.0和逆向工程软件Geomagic Design X中进行优化处理,得到完整清晰的足部几何模型。通过网格划分软件Hypermesh对得到的足部几何模型进行网格划分,并导入有限元软件Marc进行静态数值分析。对比分析手性结构实验结果、模拟的仿真结果结果和物理实验结果,证明了有限元模型的有效性。由提取的仿真结果可知,在手性结构中,部分足底压力从足跟转移到足弓,从而释放足跟区域的压力,为足弓提供支撑,使体重分布更均匀。验证的有限元模型可用于预测跑鞋中底结构带来的足部变形和接触压力,进一步为足部疾病的临床研究提供模型支持。