一種預測織物熱防護性能的方法

一種預測織物熱防護性能的方法
【專利摘要】本發明公開了一種預測織物熱防護性能的方法，該方法基于紗線的幾何結構和交織路徑建立起織物的三維幾何模型，在此基礎上研究熱在織物內的傳遞過程，預測織物熱防護性能。與現有技術相比，本發明方法是基于織物的三維幾何模型研究織物內的熱傳遞過程，與以往將織物看作勻質平板的預測相比起結果會更加準確；創造性的提出了織物域與空氣域兩個概念，充分地考慮了織物單元模型中空氣組分對傳熱的影響，使預測結果更加接近于實際情況。本發明織物熱防護性能預測方法的推廣將有助于熱防護織物的制備和評估，有利于縮短試驗流程和時間，同時有利于節能減排。
【專利說明】-種預測織物熱防護性能的方法

【技術領域】
[0001] 本發明設及紡織檢測【技術領域】，具體是一種預測織物熱防護性能的方法。

【背景技術】
[0002] 紡織材料由于具有質地柔軟，重量輕、強度高，很容易被加工成需要的形狀和尺寸 等優點，在人們的生產和生活中發揮著重要的作用。熱防護織物是紡織材料中非常重要的 一大類，它既可W保護人體免受高溫環境的損害，還廣泛用作工業領域的設施防護。例如： 航天、航空工業用的隔熱、保溫材料、制動摩擦襯墊；石油化工設備、容器、管道的高溫隔熱、 保溫；汽車發動機的隔熱罩、重油發動機排氣管的包裹、高速賽車的復合制動摩擦襯墊、滅 火毯等。因此，熱防護織物具有廣泛的應用前景。
[0003] 不同的使用場所對熱防護織物的性能要求不同，目前常應用試驗的方法來篩選纖 維材料、紗線細度、織物組織結構、孔隙率及厚度等參數，使織物具有一定的隔熱性能，每個 參數的確定都需要先在特定的工藝下制樣，再測試織物材料的熱傳遞性能。該方法獲得的 結果比較真實，但是需要先在特定工藝條件下制備試驗樣品，再對樣品進行性能測試，而 且許多實驗的測試都是W高溫作業環境為基礎，不僅試驗流程長，測試周期長，而且成本很 高、污染環境。
[0004] 為提高隔熱織物的設計與開發效率，人們嘗試W傳熱理論為基礎，應用數學模擬 的方法研究織物內部熱流的傳遞過程。目前研究織物內熱傳遞時，人們常將織物材料簡單 看作勻質平板，對求解區域進行剖分。該可使織物模型得到簡化，有利于應用傳熱理論求解 熱流在纖維材料內的分布；但由于該些模型沒有考慮織物的結構特性（織物的纖維特性、 組織結構、厚度、孔隙率等）對模型參數的影響，所模擬的織物幾何單元與織物的實際=維 立體結構相差很大，勢必影響到模型計算的準確性。目前加州大學潘寧教授研究認為纖維 朝向角及纖維長度均會影響織物的有效熱導率，東華大學研究認為單根纖維，加搶的紗線 和紗線束排列緊密程度都會對織物的傳熱性能有影響。
[0005] 既然織物組織結構對其熱傳遞性能有很大的影響，已經得到人們的關注，因此亟 需改進對織物幾何結構單元進行定義和模擬，在此基礎上來研究織物內的熱傳遞過程，該 將為熱防護織物的制備和性能評估提供重要的理論基礎。


【發明內容】

[0006] 針對相關技術中制備熱防護織物試驗流程長，測試耗能高及污染環境，目前國內 外利用數值方法研究織物熱傳遞較少，且往往將織物看作勻質平板，影響模擬結果的準確 性等問題，本發明的目的在于提供一種預測織物熱防護性能的方法，W解決上述問題中的 至少之一。
[0007] 為實現上述目的，本發明設計了一種預測織物熱防護性能的方法，其特征在于該 方法包括W下步驟：
[000引 （1)測試織物的組織結構、織物的紗線幾何結構參數和纖維的物理性能；其中，測 試織物的組織結構包括；測試織物組織、織物厚度；測試紗線的幾何結構參數包括；測試紗 線寬、高、間距及截面形狀，單根紗線內所含纖維根數、紗線線密度；測試纖維的物理性能包 括：測試纖維的直徑、密度、纖維表面積；
[0009] (2)根據步驟（1)中所測試出的織物的紗線幾何結構參數構建紗線模型，并將步 驟（1)中所測得的纖維物理性能參數賦予給紗線；根據步驟（1)中所測得的織物的組織結 構，建立紗線的交織路徑函數，構建織物的=維幾何模型，獲得織物域，并根據步驟（1)中 所得的織物厚度定義織物紗線周圍的空氣域；
[0010] 其中，根據紗線的幾何結構參數構建紗線模型具體為；基于現有紗線的電鏡照片， 根據紗線的高、寬及橫截面形狀構建出單根紗線；再根據相鄰紗線的間距和紗線的交織路 徑函數構建出織物S維幾何模型，紗線的交織路徑函數是指按照實測織物中單根紗線上下 屈曲的特點，建立該紗線的路徑函數；
[0011] (3)將步驟（2)中所得的織物=維幾何模型遞交給大型有限元分析軟件，分別將 織物域和空氣域的熱物理性能參數賦予給模型，對織物單元模型施加邊界條件和熱載荷， 利用熱傳遞方程和能量守恒方程求解織物中溫度場的分布，從而預測織物熱防護性能；
[0012] 其中，織物域和空氣域的熱物理性能參數包括；織物和空氣的密度、比熱容和導熱 系數；對于織物內溫度場的分布，根據熱載荷的不同，利用特定熱傳遞方程和能量守恒方程 確定該織物的溫度分布；上述特定熱傳遞方程包括W下至少之一；傅里葉定律、牛頓冷卻 方程或斯式潘-玻耳茲曼定律。
[0013] 本發明有益效果在于：本發明方法基于紗線的幾何結構和交織路徑建立起織物的 =維幾何模型，在此基礎上研究熱在織物內的傳遞過程，預測織物熱防護性能。與現有技術 相比，本發明方法是基于織物的=維幾何模型研究織物內的熱傳遞過程，與W往將織物看 作勻質平板的預測相比起結果會更加準確；創造性的提出了織物域與空氣域兩個概念，充 分地考慮了織物單元模型中空氣組分對傳熱的影響，使預測結果更加接近于實際情況。本 發明織物熱防護性能預測方法的推廣將有助于熱防護織物的制備和評估，有利于縮短試驗 流程和時間，同時有利于節能減排。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為織物與模型結構對比圖，其中圖1(a)為電鏡拍攝的玻璃纖維3/1斜紋織物 的照片，圖1(b)為本發明方法一種實施例所建立的該斜紋織物單元的幾何模型示意圖；
[0015] 圖2為織物與模型結構對比圖，其中圖2 (a)為電鏡拍攝的玻璃纖維3/1斜紋織物 經紗的橫截面照片，圖2(b)為該織物經紗橫截面的幾何模型；
[0016] 圖3為織物與模型結構對比圖，其中圖3 (a)為電鏡拍攝的玻璃纖維3/1斜紋織物 紳紗的橫截面照片，圖3(b)為該織物紳紗橫截面的幾何模型；
[0017] 圖4為本發明方法一種實施例的斜紋織物的織物域和空氣域單元幾何模型；
[0018] 圖5為本發明方法一種實施例的斜紋織物內節點上數值模擬溫度與實測值對照 圖。

【具體實施方式】
[0019] 本發明設計的預測織物熱防護性能的方法（簡稱方法，參見圖1-5)，考慮到相關 技術中制備熱防護織物試驗流程長，測試耗能高及污染環境，目前國內外利用數值方法研 究織物熱傳遞較少，且往往將織物看作勻質平板，影響模擬結果的準確性等問題，創造性地 提出根據紗線結構參數和交織路徑函數建立織物的=維幾何結構單元，并分別定義織物單 元模型中的織物域和空氣域，在此基礎上通過對織物幾何模型施加邊界條件和溫度載荷， 利用有限元方法模擬織物內的傳熱過程，為熱防護織物的制備和評估提供理論基礎和技術 支持，縮短熱防護織物制備的流程和時間，并且達到節能減排的目的。
[0020] 下面將結合附圖，詳細描述本發明的實施例。
[0021] 本發明預測織物熱防護性能的方法，其特征在于該方法包括W下步驟：
[0022] (1)測試織物的組織結構、織物的紗線幾何結構參數和纖維的物理性能。
[0023] 其中，測試織物的組織結構包括；測試織物組織、織物厚度；測試紗線的幾何結構 參數包括；測試紗線寬、高、間距及截面形狀，單根紗線內所含纖維根數、紗線線密度；測試 纖維的物理性能包括：測試纖維的直徑、密度、纖維表面積。
[0024] (2)根據步驟（1)中所測試出的織物的紗線幾何結構參數構建紗線模型，并將步 驟（1)中所得的纖維物理性能參數賦予紗線；根據步驟（1)中所得的織物的組織結構，建立 紗線的交織路徑函數，構建織物的=維幾何模型，獲得織物域，即由紗線組成的織物單元。 根據步驟（1)中所得的織物厚度定義織物紗線周圍的空氣域，即織物單元周邊所存在的空 氣組分。
[0025] 其中，根據紗線的幾何結構參數構建紗線模型包括；基于現有紗線的電鏡照片，根 據紗線的高、寬及橫截面形狀構建出單根紗線；再根據相鄰紗線的間距和紗線的交織路徑 函數構建出織物的S維幾何模型，紗線的交織路徑函數是指按照實測織物中單根紗線上下 屈曲的特點，建立該紗線的路徑函數。
[0026] (4)將步驟（2)中所得的織物的=維幾何模型遞交給大型有限元分析軟件，分別 將織物域和空氣域的熱物理性能參數賦予給模型，對織物單元模型施加邊界條件和熱載 荷，利用熱傳遞方程和能量守恒方程求解織物中溫度場的分布，從而預測織物熱防護性能。
[0027] 其中，織物域和空氣域的熱物理性能參數包括；織物和空氣的密度、比熱容和導熱 系數；對于織物內溫度場的分布，根據熱載荷的不同，利用特定熱傳遞方程和能量守恒方程 確定該織物的溫度分布。上述特定熱傳遞方程包括W下至少之一；傅里葉定律、牛頓冷卻方 程或斯式潘-玻耳茲曼定律。
[002引傳熱的基本方式有熱傳導、對流和福射=種。在熱傳導存在的情況下使用傅里葉 定律來描述傳熱過程；在對流熱存在時使用牛頓冷卻方程描述；在福射熱存在時使用斯式 潘-玻耳茲曼定律方程描述熱傳遞。在多數實際熱場環境中，往往同時存在W上兩種或= 種不同的傳熱方式，此時應根據具體傳熱方式來選擇對應的傳熱方程。
[0029] 實施例1
[0030] 本實施例提供了一種預測玻璃纖維斜紋織物的方法。
[0031] 1.測試待測斜紋織物中纖維、紗線和織物的幾何結構參數及物理性能。
[0032] 根據公知的國家標準測試該織物纖維的直徑為9 y m、密度為2. 34X 103kg/m3、表 面積6. 3585 XlO^m2;利用光學電鏡測試獲得經紗寬0. 678mm、高0. 402mm、間距0. 717mm及 截面形狀為楠圓形，紳紗寬0. 716mm、高0. 413mm、間距0. 704mm及截面形狀為楠圓形（參見 圖1 (a))，紗線線密度2. 8 X l(T4kg/m，單根紗線內所含纖維根數1. 8 X 103根；根據紗線的交 織路徑特征確定織物組織為3/1斜紋，測試獲得織物厚度為0. 906mm。
[0033] 2.利用織物建模軟件TexGen(texgen-bundle-64bit-3. 6. 0版本）根據紗線的幾 何結構參數構建紗線模型，并將所測纖維物理性能參數賦予紗線；根據斜紋織物的組織結 構，建立紗線的交織路徑函數，構建斜紋織物的=維幾何模型，獲得織物域；根據織物厚度 定義織物紗線周圍的空氣域。
[0034] 其中，根據紗線的寬、高、間距、截面形狀等參數構建紗線=維幾何模型；然后將纖 維的物理性能參數如直徑、密度、表面積等賦予紗線；根據斜紋織物=上一下的紗線交織路 徑函數構建斜紋織物S維幾何模型，構建出的織物S維幾何模型與織物電鏡照片一致（參 見圖1-3)。如圖1化）所示，圖1化）中紗線的的交織規律與圖1 (a)織物電鏡照片一致。圖 2和圖3分別是玻璃纖維斜紋織物經紗和紳紗橫截面的電鏡照片和幾何模型，可知參照織 物電鏡照片中的紗線形狀可W模擬出紗線的橫截面形狀。
[0035] 3.將織物的S維幾何模型W iges文件格式遞交給大型有限元分析軟件ANSYS 14. 0中的Wor化ench模塊，分別將織物域和空氣域的熱物理性能參數賦予模型，對織物施 加邊界條件和熱載荷，利用熱傳遞方程和能量守恒方程求解織物中溫度場的分布。
[0036] 其中，分別定義織物域A和空氣域B(參見圖4,其中C為大氣環境），選取織 物域的熱物理性能參數包括：導熱系數0. 1443W/ (m ? K)、密度679. 36kg/m3及比熱容 0. 576J ? (g ? °C rS選取空氣域的熱物理性能參數包括：導熱系數0. 023W/(m ? K)、密度 1. 29kg/m3及比熱容 1. 0X 10 3j/化g. °C )。
[0037] 本實施例模擬了玻璃纖維斜紋織物在熱防護性能儀（TP巧測試中織物內的傳 熱情況。設置初始溫度和參考溫度均為22°C，對織物單元模型的下表面施加84KW/m 2的 熱流密度載荷；施加強制排風下的空氣對流載荷50W- (m2 - °Cri。利用傅里葉定律 = -早(A^)，式中P為隔熱織物的密度，C為隔熱織物的比熱，k為隔熱織物的 01 CX CX 當量導熱系數）和牛頓冷卻方程（q = ，式中q為對流熱通量，h為對流換熱系 數，t，為固體表面，tm為流體的溫度）求解織物內的溫度場分布。考察了模型中斜紋織物 上一點Node 1點處在受熱7s中的升溫情況，并將待測織物置于熱防護性能儀中W相同的 外界條件來測試該織物Nodel'點（Node 1與Nodel'兩點處的織物物理結構相同）處的升 溫情況，比較模型與織物的升溫曲線。溫升曲線模擬結果見圖5,結果顯示織物背面的溫度 在前2s緩慢升高，2s后快速升高，在2s時織物背面溫度為36°C，在4s時織物背面溫度為 39. 2°C，在7s時織物背面溫度為48. 2°C。實測試驗中，織物背面的溫升趨勢與模擬結果相 吻合，在織物上位置Node 1'處遇熱載荷后的前2s，織物背面的溫度緩慢爬升至36.3°C， 然后隨著受熱時間的延長，織物背面溫度快速升高，在4s時織物背面溫度為39. 7°C，在7s 時織物背面溫度為48°C，試驗測試過程中各對應時間點上的溫度與數值模擬結果也極為接 近。此外，為驗證空氣域對織物傳熱過程影響的意義，增設對照組實驗，該組實驗的實驗步 驟及待測組織與前同，只是未考慮空氣組分的導熱影響，其所預測的織物溫度與實測溫度 相差較大，在7秒的升溫過程中，預測溫度值與實測溫度值平均相對偏差為6. 5 %，而考慮 了空氣組分對織物傳熱過程影響的實驗組所預測的溫度值與實測溫度值平均相對偏差僅 為1% (經計算，Node 1處各時間節點上溫度模擬值與Node 1'處實測值的平均相對偏差 僅為1% )，證實了該方法能夠很好地反映玻璃纖維斜紋織物的傳熱過程，能夠準確的預測 玻璃纖維斜紋織物的熱防護性能。
[003引 實施例2
[0039] 本實施例提供了一種預測玻璃纖維平紋織物的方法。
[0040] 1.測試平紋織物中纖維、紗線和織物的幾何結構參數及物理性能。
[0041] 根據公知的國家標準測試該織物纖維的直徑9 y m、密度2. 34X 103kg/m3、表面積 6. 3585 X l〇-iim2;利用光學電鏡測試獲得經紗寬0. 37mm、高0. 29mm、間距0. 44mm及截面形 狀為凸透鏡形，紳紗寬0. 39mm、高0. 27mm、間距0. 52mm及截面形狀為楠圓形（見圖1 (a))， 紗線線密度2. 8X l(T4kg/m，單根紗線內所含纖維根數1. 8X 103根；根據紗線的交織路徑特 征確定織物組織為平紋，測試織物厚度0. 74mm。
[0042] 2.根據紗線的幾何結構參數構利用TexGen(texgen-bundle-64bit-3. 6. 0版本） 軟件建紗線模型，并將所測纖維物理性能參數賦予紗線；根據平紋織物的組織結構，建立紗 線的交織路徑函數，構建平紋織物的=維幾何模型，獲得織物域；根據織物厚度定義織物紗 線周圍的空氣域。
[0043] 其中，根據紗線的寬、高、間距、截面形狀等參數構建紗線=維幾何模型；然后將纖 維的物理性能參數如直徑、密度、表面積等賦予紗線；根據平紋織物一上一下的紗線交織路 徑函數構建平紋織物=維幾何模型；根據平紋織物電鏡照片，可W模擬出紗線的橫截面形 狀。
[0044] 3.將平紋織物模型Wiges文件格式遞交給有限元分析軟件ANSYS 14.0中的 WoriAench模塊，分別將織物域和空氣域的熱物理性能參數賦予模型，對織物施加邊界條件 和熱載荷，利用熱傳遞方程和能量守恒方程求解平紋織物中溫度場的分布。
[0045] 其中，分別定義織物域和空氣域，織物域和空氣域的熱物理性能參數包括；選取織 物的熱物理性能參數包括；導熱系數1. 1 X 1(T4W ? (mm ? °C r\比熱容3. 528J ? (g ? °C r和 密度319.化g/m3;選取空氣的熱物理性能參數包括；導熱系數0. 023W/(m 'K)、密度1. 29kg/ m3及比熱容1. OX 103J/化g. °C );本實施例模擬了玻璃纖維平紋織物在900°C火焰燒蝕下織 物內的傳熱情況。初始溫度和參考溫度設為20°C，對織物模型的下表面施加溫度載荷，載荷 施加在節點上，溫度為90(TC;對織物模型的外表面施加對流載荷，載荷值取8W ? (m2 ? °C r。 利用傅里葉定律（パ：'^ = -^(/(^)，式中P為隔熱織物的密度，C為隔熱織物的比熱，k a I cix ax 為隔熱織物的當量導熱系數）和牛頓冷卻方程（q = h* ，式中q為對流熱通量，h為 對流換熱系數，t，為固體表面，t m為流體的溫度）求解織物內的溫度場分布，可獲得任何時 間點時織物內的溫度分布圖，進一步考察了模型中平紋織物上Node 2和Node 3兩點在受 熱7s中的升溫情況，為了驗證數值模擬結果的準確性，利用平紋織物的實測試驗值與模擬 結果進行對比，Node2和Node 3兩點溫度模擬值在各時間點上的溫升趨勢與實測值非常接 近，經計算Node2和Node 3兩點處溫度模擬值與實測值的平均相對偏差為2. 2 %和1. 7 %， 該方法能夠很好地反映玻璃纖維平紋織物的傳熱過程，能夠準確的預測玻璃纖維平紋織物 的熱防護性能。
[0046] 本發明方法，充分的考慮到了織物組織結構中含有大量空氣的現實情況，將織物 結構劃分為織物域和空氣域，并根據兩者自身的熱傳導特性進行傳熱過程分析，結合=維 模擬仿真與有限元分析技術，準確的預測出了玻璃纖維斜紋織物與玻璃纖維平紋織物的熱 防護性能。由于該預測織物熱防護性能的方法充分、全面的采取了織物組分本身特定的物 理性能參數，采用的紗線交織路徑函數適用于所有的機織織物，故該方法適用于平紋、斜 紋、鍛紋、雙層等所有由紗線交織而成的機織物，且其模擬的熱傳導環境跟現實狀況非常接 近，所W該方法的準確度較高，且具備較廣的適用性，具有較好的應用前景。
[0047] 本發明未述及之處適用于現有技術。
【權利要求】
1. 一種預測織物熱防護性能的方法，其特征在于該方法包括以下步驟： (1) 測試織物的組織結構、織物的紗線幾何結構參數和纖維的物理性能；其中，測試 織物的組織結構包括：測試織物組織、織物厚度；測試紗線的幾何結構參數包括：測試紗線 寬、高、間距及截面形狀，單根紗線內所含纖維根數、紗線線密度；測試纖維的物理性能包 括：測試纖維的直徑、密度、纖維表面積； (2) 根據步驟（1)中所測試出的織物的紗線幾何結構參數構建紗線模型，并將步驟（1) 中所測得的纖維物理性能參數賦予紗線；根據步驟（1)中所測得的織物組織結構，建立紗 線的交織路徑函數，構建織物的三維幾何模型，獲得織物域，并根據步驟（1)中所得的織物 厚度定義織物紗線周圍的空氣域； 其中，根據紗線的幾何結構參數構建紗線模型具體為：基于現有紗線的電鏡照片，根據 紗線的高、寬及橫截面形狀構建出單根紗線；再根據相鄰紗線的間距和紗線的交織路徑函 數構建出織物三維幾何模型，紗線的交織路徑函數是指按照實測織物中單根紗線上下屈曲 的特點，建立該紗線的路徑函數； (3) 將步驟（2)中所得的織物三維幾何模型遞交給大型有限元分析軟件，分別將織物域 和空氣域的熱物理性能參數賦予給模型，對織物單元模型施加邊界條件和熱載荷，利用熱 傳遞方程和能量守恒方程求解織物中溫度場的分布，從而預測織物熱防護性能； 其中，織物域和空氣域的熱物理性能參數包括：織物與空氣的密度、織物與空氣的比熱 容和織物與空氣的導熱系數；對于織物內溫度場的分布，根據熱載荷的不同，利用特定熱傳 遞方程和能量守恒方程確定該織物的溫度分布；上述特定熱傳遞方程為：傅里葉定律、牛 頓冷卻方程或斯忒潘-玻耳茲曼定律。
2. 根據權利要求1所述的預測織物熱防護性能的方法，其特征在于：該方法用于平紋、 斜紋、鍛紋、雙層等所有由紗線交織而成的機織物。
3. 根據權利要求1所述的預測織物熱防護性能的方法，其特征在于：該方法用于玻璃 纖維斜紋織物或玻璃纖維平紋織物。
【文檔編號】G06F17/50GK104504212SQ201510001026
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月4日 優先權日:2015年1月4日
【發明者】鄭振榮, 趙曉明, 韓昌, 張玉雙 申請人:天津工業大學