仿真絲織物與真絲織物的熱傳遞有限元仿真

李瑛慧 謝春萍 劉新金 蘇旭中

摘要： 為在織物設計時評估、優化織物的熱舒適性，提出一種有效預測克羅值和織物表面溫度變化的方法。文章采用規格相近的仿真絲和真絲織物，通過VHX-5000顯微鏡測量織物試樣，得到紗線的幾何結構參數，并考慮織物周圍的空氣，借助AutoCAD軟件建立織物系統的三維有限元模型；借助有限元軟件ANSYS，設置載荷和邊界條件，求解仿真數值；并將有限元仿真結果與實驗結果對比。結果表明：織物仿真克羅值與實驗克羅值相對誤差在5%以下，證明有限元仿真的可行性，為改善仿真絲織物的熱傳遞提供了理論方法；相近的織物規格下，粘膠仿真絲與真絲織物克羅值相差不大，并遠大于滌綸仿真絲織物。

關鍵詞： 熱傳遞；克羅值；真絲織物；仿真絲織物；有限元仿真

中圖分類號： TS101.8

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2017）12-0007-05

Abstract： In order to evaluate and optimize thermal comfort of fabrics， an effective method to predict clo value and the temperature change of fabrics was presented. Silk-like and real silk fabrics with similar specifications were adopted， and the geometrical parameters of the yarns were obtained by observing the morphology of the fabrics with the help of VHX-5000. Then， the 3D finite element model of the fabric was built by AutoCAD with the consideration of the air around the fabrics. The load and the boundary conditions were set by finite element software ANSYS to solve the simulation value. Besides， the results of finite element simulation and experimental results were compared. The results indicate that the relative error of clo values between numerical simulations and experiments is less than 5%， which verifies the feasibility of finite element simulation. It is a theoretical method to improve the heat transfer of silk-like fabrics. With similar specifications of fabrics， the clo value of real silk fabric is similar to that of viscose silk-like fabric， and much larger than that of polyester silk-like fabric.

Key words： heat transfer； clo value； real silk fabric； silk-like fabric； finite element simulation

真絲被譽為“纖維皇后”，其制成的織物手感柔軟、外觀華麗、光澤優雅、吸濕懸垂[1]。但真絲價格居高不下，從而使仿真絲織物得到發展和重視。其中，滌綸仿真絲織物是市面上流行廣泛的人造絲織物，粘膠仿真絲織物是國內近年來投入大量精力研究的高品質高仿真化的人造絲織物[2]。本文將這兩種仿真絲織物與真絲織物進行對比分析，揭示其熱舒適性的差異。

傳統的產品設計是依據設計人員的經驗和相關織物的相似性進行的。它存在的問題有周期長、工序復雜，具有未知性和不確定性，使產品的設計難度大[3]。通過有限元方法分析織物熱傳遞的過程，可以在織物設計時評估并優化織物的熱舒適性。目前，學者們已經對織物的熱傳遞進行了一定的研究。王青華等[4]研究了織物空間空氣層厚度、表面特征和纖維種類對熱阻的影響；王曉東等[5]分析了織物與皮膚接觸后皮膚溫度變化規律；Marie等[6]對皮膚和面料在接觸瞬間的能量傳遞進行了研究；Jirsak等[7]對纖維網垂直排列和交叉排列的無紡織物的導熱系數進行了比較；吳佳佳等[8]為設計機織物舒適性，提供了一種有效預測織物熱阻的方法。本文利用ANSYS有限元軟件模擬絲織物的熱傳遞，以纖維的導熱性參數來預測織物的導熱性參數，設計時能有效控制和優化織物的熱傳遞，為改善仿真絲織物的熱傳遞提供理論方法。

1 織物細觀模型建立

1.1 織物試樣

選用規格相近的真絲織物、粘膠仿真絲織物、滌綸仿真絲織物（市售），建立這三種織物的物理模型，對織物熱傳遞進行有限元分析。三種織物的規格和結構參數如表1所示。

1.2 織物細觀模型

為建立織物組織細觀模型，需要紗線幾何參數和織物構型數據。選用固化收縮率較小的環氧樹脂對織物進行處理，防止織物截面分散。通過超景深數碼顯微鏡VHX-5000對織物試樣的細觀照片進行尺寸測量，得到織物細觀模型幾何參數。通過顯微鏡觀察發現，紗線截面不是規整的圓，將截面理想為橢圓形，既保證紗線之間充分接觸，又避免出現接觸過盈[9]。由于三種織物規格相近，采用統一的織物模型，在誤差范圍內，便于比較分析。圖1為織物經向截面幾何結構示意圖，織物細觀模型在Autocad軟件中建立，如圖2所示。織物細觀模型幾何參數如表2所示。

2 織物熱傳遞有限元分析

2.1 假設條件

由傳熱理論可知，當織物的縱向厚度遠小于橫向長度和寬度時，認為它的導熱只沿厚度方向進行[10]。由于織物內部紗線之間或纖維之間的縫隙很小，對一般紡織品而言，在常規使用條件下，對流和輻射的傳熱效果遠小于熱傳導對傳熱所做的貢獻。因此，本文將織物模型內部的傳熱看作沿織物平面方向的一維熱傳導，其余方向絕熱，并且視纖維材料為各項同性材料。

2.2 模型導入

將在AutoCAD軟件中建立的織物模型導入有限元ANSYS軟件中，根據坐標位置，建立織物周圍空氣部件，創建織物和空氣的集合體。并進行布爾運算Glue操作，將該模型裝配為包含靜止空氣的織物系統，如圖3所示。

2.3 定義材料屬性

根據紡織材料學中的纖維物理性質，分別設定粘膠仿真絲織物、滌綸仿真絲織物和真絲織物的材料參數，并賦予相應織物模型的材料屬性。材料的物理性質如表3所示。

2.4 單元選擇和網格劃分

織物模型分析時選用SOLID87的單元類型。SOLID87是三維十節點四面體單元，該單元能很好地適應不規則模型的網格劃分。該單元有10個節點，每個節點1個自由度，即節點溫度。并且，SOLID87能適應于三維穩態或瞬態熱分析。

在劃分網格的過程中，劃分單元的尺寸越小，模型被劃分的單元數量就越多，模擬精確度越高，與此同時也會增加計算機的運算量。選用自由網格劃分技術，單元尺寸選擇0.01（圖3）。

2.5 施加載荷并求解計算

假設模擬的環境為人體舒適的環境，將模型的初始溫度設為23℃。設置相互作用，在紗線與紗線間、紗線與空氣間建立接觸對。織物一側貼近皮膚，溫度逐漸上升，以人體皮膚溫度確定模型該側面的最終溫度為32℃，并設置溫度幅值。編輯模型外側邊與周圍環境的對流換熱系數為5W/（m2·℃）。設置求解選項，選擇Steady-State。設置輸出控制時間終止步為1，其他接受默認設置，進行有限元運算。

2.6 后處理

使用General Postproc菜單選項，查看傳熱平衡時的織物系統溫度場分布云圖，并求出外表面的平均溫度和熱流密度，用以計算克羅值。織物系統傳熱平衡時的溫度場分布云圖如圖4所示。織物的溫度沿著熱量傳遞的方向逐漸遞減，紗線交織的區域內表面溫度高于其他區域，外表面溫度低于其他區域。

3 驗 證

3.1 熱舒適性能測試

根據國家標準GB/T11048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》，使用YG 606織物保溫性試驗儀測定織物的克羅值、保溫率等。

3.2 織物系統克羅值

克羅值由以下公式計算[8]：

式中：R為克羅值，TL為傳熱平衡時的外表面平均溫度，T0為初始溫度，q為熱流密度。

根據熱傳導傅立葉定律計算熱流密度：

式中：q為熱流密度，Knn為導熱系數，Tn為沿熱量流向的溫度梯度，負號表示熱量流向溫度降低的方向。

根據ANSYS數值模擬結果，提取粘膠仿真絲織物、滌綸仿真絲織物、真絲織物傳熱平衡時的內外表面溫度差、熱流密度，結合式（1）（2），計算模擬的織物系統的克羅值。并與YG606織物保溫性試驗儀測得的織物克羅值進行對比，模擬結果、實驗結果見表4。

由表4可以看出，三種織物熱平衡時的有限元模擬結果和實驗測試結果的差異在5%以下。三種織物的有限元模擬值均比實驗測試值小，一方面是因為熱傳遞模擬時，定義材料屬性，輸入的是纖維的物理屬性，而紗線是纖維的集合體，織物又是纖維和空氣的集合體，所以模擬的織物克羅值與實驗測試的克羅值有所差異；另一方面，織物熱傳遞模擬時，模型沒有建立織物表面的毛羽，而實際織物表面有豐富的毛羽，從而導致模擬的克羅值小于實驗測試的克羅值。有限元結果與實驗結果盡管不完全一致，但存在的誤差在可接受范圍內，證明有限元模擬的可行性。

克羅值通常用來描述服裝或織物的保暖性、隔熱性，是反映織物保暖性和涼爽性的重要指標。由模擬值和實驗值可以得到，三種織物在相同的織物規格條件下，真絲的克羅值最大，粘膠仿真絲次之，滌綸仿真絲的克羅值最小。在環境溫度高于平均皮膚溫度時，希望服裝的克羅值盡可能小一些，但隨著全球變暖，夏季氣溫逐年升高，在環境溫度明顯高于人體平均皮膚溫度32℃時，織物克羅值大有利于減少外界熱量傳入人體，可以對人體起到一定的隔熱保護作用，有助于防暑。另外，織物的熱舒適性離不開濕舒適性，炎熱的夏季，人體出汗量大，真絲和粘膠織物的回潮率遠高于滌綸織物，特別是真絲吸濕放濕性好，因而夏季穿著真絲服裝舒適性較好。粘膠仿真絲織物的克羅值與真絲的克羅值相近，在這方面，粘膠仿真絲織物在一定程度上可以與真絲相媲美。

4 結 論

本文采用織物規格相近的仿真絲和真絲織物，通過超景深數碼顯微鏡VHX-5000對織物試樣的細觀照片進行尺寸測量，借助AutoCAD繪圖軟件建立了織物幾何模型，并考慮織物周圍空氣的作用，建立織物系統模型。借助有限元分析軟件ANSYS，模擬織物的熱傳遞性能，并將有限元仿真結果與恒溫平板實驗結果對比，得到織物仿真克羅值與實驗克羅值相對誤差在5%以下。粘膠仿真絲織物與真絲織物克羅值相差不大，且遠大于滌綸仿真絲織物。本文以纖維的導熱性參數來預測織物的導熱性參數，設計時能有效控制和優化織物的熱傳遞，為改善仿真絲織物的熱傳遞性能提供了理論方法。

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