机织物拉伸断裂过程模拟及强度预测

论文摘要

拉伸性能是机织物最主要的机械性能之一。然而，在实际产品设计的过程中往往不是通过预测织物的强度，而是根据经验来进行设计，即对设计样品进行破坏性测试，获得数据并以此来指导生产。这种设计模式费时费力并受到试样制作精度的影响。因此建立机织物拉伸性能的预测模型，直接以纱线的拉伸性能来预测织物的拉伸性能，从而更有效地提高产品性能，提高生产率并降低成本，是一项十分有意义的课题。本课题的研究目标是，建立能模拟机织物拉伸断裂过程并预测机织物拉伸断裂强力的一维束链模型和二维束链模型。为此，首先通过对纱线强度的测试结果进行统计分析，确定其强度分布概率函数并建立试样长度与测试强度的转换关系；然后根据机织物的结构类型和纱线的结构类型提出机织物临界长度的定义，并建立计算模型，在此基础上建立机织物拉伸断裂束链模型。该模型与Monte Carlo方法相结合，借助计算机模拟织物的断裂过程，进而预测机织物的断裂强度。本课题首先从纱线的强度离散性入手，对机织物组分纱线的强力进行测试，利用Weibull分布函数对其进行统计分析，确定其强力概率分布函数及其参数值。分析表明，所测试12种机织物组分纱线的强度均符合二参数Weibull分布。通过对不同测试夹距下纱线强度结果的统计分析，提出了不同试样长度下强力测试结果之间的转换关系。研究发现，该转换关系除了与试样长度有关外，还与Weibull分布的形状参数有关。另外，试样长度对纱线测试强度的影响程度也与该形状参数有关，形状参数越大，试样长度对测试强度的影响程度越低，即试样强度离散越小，试样长度对测试结果的影响就越小。在对机织物组分纱线的强度进行分析以后，提出了机织物临界长度的概念，并据此分析研究了机织物拉伸断裂过程中几何结构的变化，建立了机织物临界长度的几何模型和力学模型。定量地分析研究了织物及其组分纱线的参数对临界长度的影响。研究表明，影响机织物临界长度的因素有：织物中纱线参数(包括纱线细度、捻度、强度及模量等)、织物参数(织物的密度、织物交织点处两组纱线间的摩擦系数)等。机织物临界长度决定了机织物纵向(拉伸方向)的应力分配，而负荷分配法则用于解决机织物横向(截面)的应力集中问题。根据计算所得到的临界长度和确定的负荷分配法则(局部分配法则或剪滞法则)，建立了旨在对机织物拉伸断裂过程进行模拟以及对机织物强度进行预测的机织物束链模型。应用该模型可以进行一维和二维断裂过程模拟和强度预测。两种模型的根本区别在于，在一维模型中假设承力纱线的断裂发生在织物中某一特定截面上，而二维模型中纱线的断裂位置可以在织物长度范围内跨越不同的临界长度。因而，二维模拟更接近实际的织物断裂特征。在机织物束链模型建立的基础上，用Monte Carlo方法进行断裂过程的模拟和强度预测。模拟和预测结果表明，由于局部负荷分配法则过分强调了拉伸过程中的应力集中现象，所以其预测的结果与实际测试结果差异较大；而采用剪滞负荷分配法则得到的机织物拉伸断裂过程和强力预测结果(强力概率分布及强力值)均与实际测试结果接近。两种模拟方法(一维和二维束链模型)使用剪滞法则均能得到较好的模拟效果，其模拟数据与实际测试数据均比较接近，但是二维模拟得到的机织物拉伸断裂过程与实际状况更为接近。通过对机织物临界长度对预测结果影响的分析可知，机织物临界长度反映了机织物强力与组分纱线强力总和的比值的大小，即织物强力较纱线强力的增强程度。临界长度越短，同样强力的纱线组成的织物的强力就越高，这就是临界长度的实际意义。本课题建立的机织物强度预测新模型为机织物强度预报提供了理论基础，本课题的成果对其它类型的纺织品(如针织物，非织造布等)的强度预测有借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 研究目标
• 1.4 研究内容及研究方法
• 1.5 研究的创新点
• 1.6 论文章节安排
• 第二章 文献综述
• 2.1 以 Pierce模型为基础的分析预测方法
• 2.2 经验模型法
• 2.3 纱线强度概率分布
• 2.4 束链模型
• 2.4.1 束链模型的应用
• 2.4.2 临界长度的计算
• 2.4.3 负荷分配法则
• 2.5 Monte Carlo模拟
• 2.6 本章小结
• 第三章 纱线强度的 Weibull分布拟合
• 3.1 纱线强度的 Weibull分布拟合
• 3.1.1 Weibull分布的拟合原理
• 3.1.2 纱线强力的测试及分布拟合
• 3.2 试样长度对拟合结果的影响
• 3.2.1 不同试样长度的强度分布规律
• 3.2.2 不同试样长度下强度的测试结果
• 3.3 本章小结
• 第四章 机织物的临界长度
• 4.1 机织物的临界长度
• 4.1.1 机织物拉伸过程中纱线几何形状的变化
• 4.1.2 机织物拉伸过程中摩擦力的形成
• 4.1.3 临界长度的计算模型
• 4.2 机织物临界长度的测试
• 4.3 机织物临界长度的计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 机织物拉伸断裂过程建模
• 5.1 机织物中的纱线负荷分配法则
• 5.1.1 负荷分配的局部法则
• 5.1.2 负荷分配的剪滞法则
• 5.2 机织物的束链模型
• 5.2.1 机织物束链模型的建立
• 5.2.2 纱线的名义强力、名义拉伸力以及实际拉伸力
• 5.2.3 机织物一维束链模型
• 5.2.4 机织物二维束链模型
• 5.3 本章小结
• 第六章 机织物拉伸断裂过程模拟及强度预测
• 6.1 模拟系统基本流程
• 6.1.1 试验数据预备
• 6.1.2 模拟过程
• 6.2 计算机模拟的流程框图
• 6.3 机织物断裂过程的 Monte Carlo模拟
• 6.3.1 一维模拟的步骤
• 6.3.2 二维模拟的步骤
• 6.4 织物断裂过程模拟及强力预测结果分析
• 6.4.1 试验
• 6.4.2 一维模拟的结果
• 6.4.2 二维模拟的结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与结论
• 参考文献
• 附录1 纤维强度概率分布模拟
• F1.1 模拟原理
• F1.2 Weibull分布的拟合原理
• F1.3 纤维强力的测试及分布拟合
• F1.4 试样长度对纤维强力的影响
• 附录2 拉伸前后织物结构的变化
• 攻读博士学位期间发表论文情况
• 致谢