玻璃纖維交織織物的熱傳遞數(shù)值模擬

張鶴譽(yù)，鄭振榮，2，趙曉明，2，孫曉軍

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

隨著科技的進(jìn)步和工作條件的改善，新型熱防護(hù)紡織材料的開(kāi)發(fā)日益受到人們的重視［1－3］。隔熱材料的熱防護(hù)性能測(cè)試大多在高溫環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)條件難以控制，同時(shí)增加了研發(fā)成本。從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，研究人員致力于熱防護(hù)材料傳熱數(shù)學(xué)模型的研究［4］。目前的模型研究主要是建立在平面直角坐標(biāo)系下，對(duì)織物模型進(jìn)行簡(jiǎn)化［5－7］，一般是將織物單元模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的均勻平板，這雖然降低了建模的難度，但也喪失了織物真實(shí)的組織結(jié)構(gòu)。Wang Moran等［8］研究認(rèn)為，纖維隨機(jī)分布的朝向角、纖維長(zhǎng)度、纖維分散情況等對(duì)織物的有效熱導(dǎo)率有顯著影響;朱方龍［9］研究認(rèn)為織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)熱量傳遞有影響，并采用有限差分法對(duì)火災(zāi)等高溫環(huán)境下熱防護(hù)織物的有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，因此織物幾何組織結(jié)構(gòu)在很大程度上會(huì)影響熱量在織物內(nèi)部的傳遞過(guò)程，建立三維織物模型是進(jìn)行織物內(nèi)熱傳遞過(guò)程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。本文基于紗線的交織結(jié)構(gòu)建立了平紋織物的三維幾何模型，利用有限元方法研究了玻璃纖維織物內(nèi)的熱傳遞過(guò)程，用玻璃纖維平紋織物在火焰燒蝕下的熱傳遞試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 數(shù)值模擬

以玻璃纖維平紋織物為研究對(duì)象，織物的紗線線密度為280 tex，纖維密度為2.34×106g/m3，纖維面積為6.36 ×10－11m2，纖維直徑為9 μm，纖維根數(shù)為1 800根，經(jīng)緯密為120根/10cm×100根/10 cm，織物厚度為0.97 mm。玻璃纖維平紋織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 平紋織物的紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Yarn structure parameters of plain fabric

1.1 模型建立

本文使用TexGen軟件建立平紋織物的三維幾何模型。TexGen軟件可以準(zhǔn)確模擬織物內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，并將創(chuàng)建的模型輸入外部分析軟件［10－12］。軟件中創(chuàng)建模型的方法有編織向?qū)Ш徒Ｆ?種。使用編織向?qū)Э梢苑奖憧旖莸貏?chuàng)建織物，但是幾何模型的靈活性和控制性會(huì)受到一定的限制［13］。本文使用建模器創(chuàng)建織物模型，在有限元分析中可以保證紗線單元的連續(xù)性。

根據(jù)表1中平紋織物的紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用建模器創(chuàng)建紗線，依據(jù)紗線的交織路徑，通過(guò)修改紗線上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，使紗線路徑符合貝塞爾(Bezier)樣條曲線函數(shù)。修改經(jīng)紗截面形狀為橢圓型，緯紗截面為凸透鏡型。圖1示出平紋織物的顯微照片和創(chuàng)建的模型圖。利用TexGen創(chuàng)建的織物模型與實(shí)際的三維織物結(jié)構(gòu)很相近，模型考慮了紗線的交織對(duì)紗線和織物形態(tài)的影響。模型建立后輸入玻璃纖維織物中紗線的性能參數(shù)，最后保存模型文件為IGES格式。

圖1 平紋織物Fig.1 Plain fabric.(a)Actual fabric microstructure picture;(b)Fabric geometry model;(c)Warp section;(d)Weft section;(e)Warp section model;(f)Weft section model

1.2 模型假定

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，創(chuàng)建理想模型，認(rèn)為織物內(nèi)部的傳熱過(guò)程是一維徑向傳遞，并做如下假設(shè):1)織物內(nèi)部經(jīng)緯向是各向同性;2)織物材料的熱物性是恒定;3)熱源的溫度恒定體，不隨時(shí)間變化;4)織物的邊界是絕熱體，即和環(huán)境沒(méi)有熱交換;忽略紗線間空氣的傳熱;5)對(duì)流換熱僅存在于織物表面，同時(shí)忽略輻射熱傳遞。

1.3 織物內(nèi)熱傳遞過(guò)程模擬

將創(chuàng)建的模型輸入有限元軟件ANSYS中，由于軟件的兼容性等原因，織物模型中的紗線會(huì)出現(xiàn)延伸，使用布爾運(yùn)算對(duì)模型進(jìn)行修改［14］，得到平紋織物實(shí)體模型(見(jiàn)圖2(a))，然后對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析［15］。

1.3.1 預(yù)處理階段

分析時(shí)選用的單元類型為SOLID87。SOLID87是三維十節(jié)點(diǎn)四面體單元，該單元能較好地適應(yīng)不規(guī)則模型的分網(wǎng)。單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有1個(gè)自由度，即節(jié)點(diǎn)溫度。該單元可適用于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。

在平紋織物實(shí)體模型中，對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于瞬態(tài)熱分析，需要輸入的材料熱性能參數(shù)有導(dǎo)熱 系 數(shù) (1.1 × 10－4W/(mm·℃))、比 熱 容(3.528 J/(g·℃))和密度(3.195 ×10－3g/mm3)。

圖2 ANSYS中的平紋織物模型Fig.2 Plain fabric model in ANSYS.(a)Fabric solid model;(b)Model after meshing

在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，通常單元?jiǎng)澐值某叽缭叫。Ｐ椭械膯卧獢?shù)量越多，數(shù)值模擬的精確度越高，但同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷。采用映射網(wǎng)格劃分對(duì)織物模型進(jìn)行自由劃分(見(jiàn)圖2(b))，共得到136 992個(gè)單元、201 754個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3.2 施加載荷與求解階段

在網(wǎng)格劃分結(jié)束后，要對(duì)織物模型施加載荷和約束條件。初始溫度和參考溫度設(shè)為20℃，對(duì)織物模型的下表面施加溫度載荷，載荷施加在節(jié)點(diǎn)上，溫度為900℃;對(duì)織物模型的外表面施加對(duì)流載荷，載荷值為8×10－6W/(mm2·℃)。設(shè)置載荷步選項(xiàng)，計(jì)算的終止時(shí)間為7 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.2 s，保存文件后進(jìn)行求解。

1.3.3 后處理階段

使用POST1處理器可查看整個(gè)模型在某個(gè)時(shí)刻的結(jié)果。圖3示出織物模型的下表面和上表面在第7秒時(shí)的溫度分布圖。使用POST26處理器可查看模型中某個(gè)節(jié)點(diǎn)在載荷步歷程上的結(jié)果，并可繪制溫度隨時(shí)間的變化曲線。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在熱傳遞試驗(yàn)中將試樣固定在鐵架臺(tái)上，調(diào)整酒精噴燈，使其外焰燒蝕試樣下表面的中心位置。將數(shù)顯溫度表傳感器的觸點(diǎn)放置于試樣上表面的中心位置，記錄織物在燒蝕過(guò)程中的升溫過(guò)程。經(jīng)測(cè)試本文試驗(yàn)條件下酒精噴燈的外焰溫度為900℃。使用POST26處理器查看織物上特定節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化，選取節(jié)點(diǎn)的位置如圖4所示。圖5示出選取的節(jié)點(diǎn)溫度和測(cè)試溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖3 第7秒時(shí)模型表面的溫度分布Fig.3 Temperature distribution of model surface at the seventh second.(a)Lower surface;(b)Upper surface

圖4 節(jié)點(diǎn)選取的位置Fig.4 Selected position of node

圖5 溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Variation of temperature with time

在織物模型的下表面施加穩(wěn)定的溫度載荷(見(jiàn)圖3)，由圖3(b)可知，織物的經(jīng)緯紗交織區(qū)域的溫度低于非交織區(qū)域，這是由于經(jīng)緯紗交織區(qū)域的厚度幾乎為非交織區(qū)域的2倍，熱量在交織區(qū)域的傳遞速率較低，溫度變化較慢。而非交織區(qū)域的厚度較低，可以使熱量較快傳遞至背面，故非交織區(qū)域的溫度變化較快。

由圖5可見(jiàn)，在前2 s中，平紋織物上表面的溫度升高較慢;在5～7 s，溫度快速升高，并于7 s時(shí)達(dá)到197℃。而在模擬結(jié)果中，在模型上表面選取節(jié)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近，說(shuō)明平紋織物模型的熱傳遞模擬結(jié)果與實(shí)際情況具有很好的吻合性。節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2在前7 s內(nèi)的模擬溫度與試驗(yàn)測(cè)得溫度的平均相對(duì)誤差分別為8.67%和5.69%，這可能是由于織物紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量過(guò)程中存在誤差造成的，同時(shí)在數(shù)值模擬過(guò)程中進(jìn)行了條件假設(shè)，這雖然有利于模擬過(guò)程的順利進(jìn)行，但也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一些影響。

3 結(jié)論

建立織物的三維幾何模型并模擬織物內(nèi)部的熱量傳遞過(guò)程，考慮了紗線間交織結(jié)構(gòu)對(duì)熱量傳遞的影響，模擬值與試驗(yàn)測(cè)試值比較吻合。本文為研究高溫環(huán)境下紗線交織結(jié)構(gòu)間的傳熱過(guò)程提供了新思路，今后應(yīng)就織物中所含的空氣和水分等因素對(duì)熱傳遞過(guò)程的影響進(jìn)行研究，從而使模擬結(jié)果更符合實(shí)際情況。利用數(shù)值模擬方法對(duì)纖維多孔材料的熱傳遞性能進(jìn)行模擬，可為各種纖維隔熱產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、隔熱性能的評(píng)估和優(yōu)化等提供重要的理論參考。

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