原 蕊， 徐 洋， 黄 双

(东华大学 机械工程学院，上海 201620)

基于ABAQUS的地毯簇绒过程底布动态响应

原 蕊， 徐 洋， 黄 双

(东华大学 机械工程学院，上海 201620)

为精确分析地毯簇绒过程中底布受力的动态变化及变形情况，利用ABAQUS有限元分析软件，仿真模拟织针刺入聚丙烯编织底布的全过程．首先建立了簇绒织针和聚丙烯编织布的细观三维模型，并通过试验测得底布的材料规格参数．然后，在ABAQUS有限元分析软件中创建系统有限元模型，对织针穿刺底布过程进行仿真模拟．模拟结果得到了底布与织针的受力曲线，并分析了底布的变形及破坏特性，为底布张力控制系统的设计及高端地毯簇绒机的设计提供理论依据．

簇绒地毯； 有限元方法； 织针受力； 底布破坏

地毯簇绒过程是一种复杂的织造过程，其具有较高的工艺要求．簇绒织针带着纱线在底布往复穿梭，将纱线植入底布，配合勾刀形成圈割绒[1]．在簇绒地毯织造过程中，底布的受力不均会导致地毯绒圈高低不平，影响毯面的平整度及图案效果．简化的地毯簇绒示意图如图1所示．

图1 地毯簇绒过程示意图Fig．1 Simplified carpet tufting process

簇绒织针刺入底布是高速动态过程，底布在穿刺作用下会发生弹、塑性变形及破坏．织针与底布的相互作用很难通过试验进行检测，而织针刺入底布时底布的受力情况是簇绒工艺分析中的重要部分．截至目前，受限于理论水平及试验条件，簇绒过程中底布的变形破坏、受力等问题还没有相应的文献报道．随着有限元仿真技术的不断完善，通过建模仿真来研究织针刺入底布过程中底布的变形及破坏特性成为可能．文献[2]在宏观上建立了织针穿刺非织造布的有限元模型，然而只是得到织针所受穿刺力而没有涉及到底布的受力情况．文献[3]用数值模拟方法研究了受穿刺力时纱线的变形，但并不适用于织物的变形破坏．

本文结合织物受穿刺力时损伤失效原理，利用ABAQUS/Explicit显式动力学有限元分析算法，模拟簇绒织针穿刺底布过程，分析了底布的变形及破坏，为高端地毯簇绒机的设计及底布张力控制系统设计提供依据．

1 三维建模及材料参数

本文所研究簇绒过程涉及到两个部件，即织针与底布，利用SolidWorks软件分别创建两者的三维模型．

1．1 织针

选用德国格罗茨公司1/10针排的地毯簇绒织针为研究对象，按照实物尺寸建立簇绒织针的三维模型，如图2所示．织针长度为36 mm，总宽度为3 mm，其材料为钢，密度为7．8×1012kg/m3，弹性模量为200 GPa，泊松比为0．28．假设织针为刚体，其穿刺底布前后不发生变形．

图2 织针三维模型示意图

Fig．2 3D model of tufting needle

1．2 底布

本文所研究的簇绒地毯底布为聚丙烯编织布，是一种由经纱和纬纱交织而成的平纹织物．为方便建模，在不影响结果的情况下对纱线做出以下假设[4-6]：(1)纱线为各方向上同性的弹塑性材料；(2)纱线为均匀的实体，忽略不同纱线间的差异；(3)经线交织排列时无间隙．基于以上假设，分别按实物尺寸与形状精确地建立经纱和纬纱，然后紧密交织形成织物模型[7]，如图3所示．纱线规格参数如表1所示．

图3 底布三维模型示意图Fig．3 3D model of tufting backing

规格材料厚度/mm线密度/tex经纱聚丙烯0.0798.436纬纱聚丙烯0.1052.871

为得到ABAQUS仿真中的底布材料参数，参照GB/T 3923．1—1997《纺织品织物拉伸性能断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》[8]，在恒温(温度为(20±3)℃)、恒湿(相对湿度为(65±3)%)试验环境下，利用WDW -20型万能材料试验机分别做经纱和纬纱的拉伸试验．试验中，设定隔距为500 mm，拉伸速度为500 mm/min，得到经纱和纬纱的载荷-位移曲线如图4所示，两者的力学性质如表2所示．

图4 纱线载荷-位移曲线Fig．4 Load-displacement curve of yarns

纱线载荷/N伸长/mm应力/MPa应变塑性应变断裂功/mJ经纱临界塑性应变点18.00113.00214.00.0480140000.00应变后20.96140.00249.50.0560.005140000.00纬纱临界塑性应变点29.6165.00227.00.07501291.31应变后31.6675.19243.00.0810.0051291.31

由伸长试验可得到经、纬纱的弹性模量．在比例极限内，抗拉弹性模量可用纱线拉伸过程中弹性变形阶段的应力与应变之比得到．本文利用割线模量法，根据式(1)，在纬纱的载荷-位移曲线的近似直线段内，取较远距离的A、B两点间载荷增量与伸长增量，计算得出纬纱抗拉弹性模量(E)．同理可得经纱抗拉弹性模量．在简单的压缩情况下，压缩弹性模量和泊松比与拉伸时相同．

(1)

式中：ΔP为载荷的增量(N)； ΔL为位移增量(mm)；S0为纱线拉伸截面积(mm2)；L0为试样拉伸初始夹持距离(mm)．

2 有限元模型及分析方法

2．1 有限元模型

在有限元仿真中，织针的穿刺行为发生在经、纬纱交织的区域．根据对称性取1/2对称部分作有限元模型模拟底布刺破过程[9]．对底布施加对称及三边固定约束，对织针施加刚体及对称约束，边界条件施加在其参考点上．纱线间的接触定义为“通用接触”，底布与织针间接触定义为“面对面接触”．织针的有限元网格划分采用修正的10节点二次四面体单元C3D10M．纱线则使用8节点六面体线性减缩积分单元C3D8R．为提高计算精度，在织针与底布的接触部分及周边细划网格，模型网格划分如图5所示．

图5 织针及底布有限元网格划分Fig．5 Finite element mesh of needle and backing

2．2 分析方法

底布材料的损伤演化规律描述了当达到相应的损伤破坏准则时材料刚度的衰减速度．在ABAQUS/Explicit中，底布材料刚度的衰减可以用di(i∈Nact)来建模，其中，Nact表示一系列有效的失效机制[10-11]．在有限元分析过程中，材料的应力张量σ可以用标量损伤方程式(2)来表示

(2)

3 结果与讨论

在ABAQUS/Explicit中，设定织针以1 000 mm/s的速度刺向底布．刺穿过程中对应不同的时刻底布的变形形态如图6所示．

(a) t=1.50 ms

(b) t=2．25 ms

(c) t=3．00 ms

(d) t=8．25 ms

(e) t=11．25 ms

(f) t=15．00 ms

(g) t=15．00 ms

图6从剖面表现了织针刺入底布不同时刻的织物变形．由图6(a)可以看出，在织针与底布的接触t=1．50 ms的时刻，整块底布的受力由刺入点向周围扩散成梯度递减[8]，1/2纬纱在织针的作用下，外部受拉而内部受压，接触部分外部应力集中，最大的单元应力值达到157.6 MPa．由图6(b)可看出，在t=2．25 ms时，与织针直接接触的纱线受到挤压而发生单元变形，此时最大单元应力为250 MPa，接近断裂阈值，底布的受力区域近一步扩大．由6(c)可知，在t=3．00 ms时，纱线与织针接触位置的部分单元由于超过断裂应力阈值而失效，单元消除．失效周边的单元继续随着织针的下移产生应变，此时单元所受最大等效应力为130 MPa．此阶段的底布由于纱线瞬时断裂回弹而略微向上拱．由图6(d)可知，随着织针的下移，断裂的纬纱穿入织针针孔，形状发生回弹．此时底布中最大应力节点的等效应力约为6 MPa．由图6(e)可知，当底布到达针孔上边界时，断裂纬纱与织针接触，受力增大，此时最大节点等效应力增至7.8 MPa．由图6(f)可知，在织针继续下移的过程中，断裂的纬纱运动轨迹随着织针形状而变化，在t=15.00 ms时，织针完全贯穿底布．由图6(g)可知，整块底布被刺穿后，刺破点周围的纱线交织点向旁边滑移，图中断裂失效的纱线单元已经消除．综上可知，有限元模拟的结果与底布实际变形效果比较吻合，说明建立的织针穿刺底布的有限元模型基本正确．

穿刺过程中节点的受力如图7所示，其中，n01曲线为断裂失效节点的受力，n02曲线为与织针接触未失效节点受力．该过程与图6中各时刻底布变形过程对应．

图7 节点01与节点02受力Fig．7 Force-time curve of node 01 vs． node 02

由图7可知，织针刺穿底布时底布受力分为3个阶段：(1)织针接触底布开始穿刺时，底布中与织针接触的纱线由屈曲开始伸直，单元节点受力随着穿刺的进行迅速增大，受力增至0．5 N，节点受力达到峰值，纱线进入断裂阶段.(2)底布中受穿刺单元应力集中达到断裂强度发生断裂，断裂后单元因失效而消除，不再受力．此时与织针接触单元所受力为周围纱线的拉力与织针的摩擦力，受力骤减至0．1 N，与上一阶段受力方向相反.(3)随着织针下移，纱线受力基本保持在0．10～0．15 N之间，并随着接触织针轮廓的变化而略微变化．

刺穿过程中织针受力如图8所示．织针受力主要来自于底布的阻力和摩擦力．由图8可知，当织针接触底布开始穿刺时，织针受力迅速增大，在t=2．25 ms时织针受力达到最大值约为4 N．之后根据图6(c)知底布纱线断裂，织针受力迅速减小至0．34 N 左右，纱线被刺破瞬时织针受较大冲击．t=3.00 ms之后织针受力基本保持在0．5 N以内，主要受力来自于底布的摩擦．

图8 刺穿过程织针受力Fig．8 Force-time curve of weaving needle during piercing

4 结 语

通过对地毯簇绒过程中织针刺入聚丙烯编织底布的建模、仿真研究，得出下述结论．

(1) 在簇绒过程中，底布由拉伸到断裂过程中织针受力以10倍速度变化，织针受到较大冲击，影响其使用寿命．

(2) 在给定的织针运动速度下，聚丙烯类编织底布刺破所需穿刺力为4 N．

(3) 簇绒织针穿刺底布过程可分为3个阶段：首先，纱线由屈曲到伸直，应力剧增；接着纱线达到断裂强度而瞬时断裂；最后织针完全贯穿．这个过程中聚丙烯底布经历了弹、塑性变形及破坏．

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(责任编辑：刘园园)

Dynamic Response of Backing during Carpet Tufting Process Based on ABAQUS

YUANRui，XUYang，HUANGShuang

(College of Mechanical Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China)

In order to accurately analyze the dynamic force change and deformation of carpet backing， the process of weaving needle puncturing polypropylene backing was simulated by FEM (finite element method) software ABAQUS． First， the three dimensional (3D) model of the weaving needle and the backing was created according to actual objects． Then， the FEM model of the system was set up in ABAQUS． Finally， the force curve of the backing and needle could be gotten． The simulation provides the way to analyze backing’s deformation and failure characteristics， which can provide theoretical basis for the design of backing tension control system and the high-level carpet tufting machine．

tufting carpet； finite element method； needle force； backing damage

2015-11-19

国家自然科学基金资助项目(51175075)；上海市教育委员会科研创新资助项目(ZX201503000019)

原 蕊(1991—)，女，山西运城人，硕士研究生，研究方向为簇绒地毯装备中簇绒工艺的仿真分析. E-mail：ruiyuanlei@126.com 徐 洋(联系人)，女，教授，E-mail：xuyang@dhu.edu.cn

1671-0444(2017)01-0044-05

TS 101．2

A