航天服限制層織物縫合性能與接縫效率研究

李 猛 1，劉洪靜 1，尚 坤 1，肖 雷

(1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京 100094；2.成都海蓉特種紡織品有限公司，成都 610207)

1 引言

航天服的壓力防護與工效保障是其最基本也最重要的功能，無論是艙內航天服的壓力應急防護，還是艙外航天服的出艙活動壓力防護，在為航天員提供生存必需的壓力制度時，還需賦予航天員操作與活動的工效保障能力。隨著載人航天任務的推進，柔性活動關節技術逐漸成為航天服工程領域的特色技術。航天服關節結構通常由用于承壓與賦形的限制層和用于氣密的密封層作為基礎組成。基于關節結構的柔性活動要求，限制層通常由高強低伸長的織物材料縫合成型，密封層由高彈性伸長率的橡塑材料粘接成型。其中，限制層織物材料需要縫合成具有擬人形態的衣體結構部件，如上下肢結構、手套結構等，配合人體穿著時的適體性與活動性。

織物材料以其獨特的柔性組織結構、簡單有效的復雜結構構型能力、方便快速的二次加工能力成為不可或缺的材料類型。在航天服材料應用過程中，織物材料大量以布匹的形式作為宏觀應用的原材料，通過裁切、下料并縫合，獲得所需的服裝關節形式。此時，成品的結構與強度特性，不僅僅取決于原材料自身的性能，還取決于材料的縫合能力。由于裁切與縫合對織物完整性的破壞，縫合區域的力學性能通常會成為整個結構強度的短板，因此研究航天服用織物材料的縫合性能，提高織物的接縫效率是紡織材料在航天服工程應用中的重要因素。

航天服活動關節在工作條件下需要持續提供內部壓力帶來的織物組織承力能力，此時織物材料的縫合能力與接縫效率決定了織物結構的整體力學性能。同時，由于服裝充泄壓與關節活動的需要，織物結構應能夠提供全壽命周期內的形態與結構尺寸穩定性，減少使用過程中織物組織，特別是縫合區域的蠕變。

本文基于典型航天服限制層織物材料的應用需求，對織物材料的選用與縫合造成的材料性能降額開展分析，結合宏觀力學性能測試和細觀結構仿真的方法，研究典型織物組織結構在縫合后的力學性能特點，探究織物材料的接縫效率與影響因素，獲得航天服柔性結構設計與材料應用的特性。

2 限制層織物特性要求

2.1 限制層織物材料特性

針對航天服限制層結構對材料柔韌性、高強度與低伸長的功能要求，限制層織物通常選擇聚酯纖維類材料。聚酯纖維是目前世界產量最大、應用最廣泛的合成纖維品種，其中又以聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維(Polyethylene Terephthalate，PET，又稱滌綸)的產量最大，在服飾、裝飾及產業用紡織品領域均具有寬泛的應用。

滌綸纖維具有高強度的特點，耐沖擊強度比錦綸纖維高4倍，比粘膠纖維高20倍。普通民用纖維強度在2.6～5.7 cN/dtex，產業用高強纖維可達到5.6～8.0 cN/dtex。由于吸濕性較低，其濕態強度與干態強度基本相同。滌綸纖維彈性較好，接近于天然纖維中的羊毛，在5%～6%伸長時，接近完全回彈。這一特性導致其耐皺性超過其他合成纖維，即織物不易產生折皺，尺寸穩定性好，對于織物縫合結構而言，其構型的穩定性和加工過程的精確性更容易得到保證。同時，由于滌綸材料的熱塑性與耐熱性較好，還可通過加熱處理，對織物縫合結構進行進一步的熱定型。因此，由高強滌綸纖維織造的織物具有優良的力學性能，縫合成型后的織物結構外觀挺括、結構尺寸穩定、熱穩定性好、耐蝕性強、熔點高，同時具有低吸濕性，這些都有利于其作為航天服限制層結構承壓賦形應用。

2.2 織物材料縫合特性

織物材料的接縫方式主要有縫紉線接縫與熔焊接縫2種，其中縫紉線接縫可使用于絕大多數的紡織品連接，是紡織品接縫的最主要方式。通過縫紉線，為織物結構提供了從一片組織到另一片組織的力學傳遞，并保持了織物組織的近似完整性。通過縫合，帶來了織物構型的完整性與復雜化能力，但同時也不可避免地帶來了織物材料性能的降額及對材料均勻性的破壞。

研究織物材料的縫合特性通常從2個方面進行考量:①基于結構構型角度，考察縫合對結構均勻性與完整性的影響；②基于織物材料力學性能角度，考察縫合對基材力學特性的影響。

織物縫合過程中，其結構構型與力學性能通常是互相矛盾的。本文重點關注航天服限制層中最為典型的2種縫合形式:拼縫與包縫，如圖1所示。在考慮線徑與織物厚度匹配關系的條件下，拼縫可以帶來均勻輕薄的縫合結構，但織物組織的受力幾乎全部傳遞到縫紉線上，縫紉線的力學性能決定了織物結構的力學性能；包縫是一種多重縫合形式，容易造成縫份的堆疊和冗余，重復走線加劇了縫合區域的硬度和厚度，導致縫合結構厚重且不均勻，但通過織物結構的紗線滑移，縫紉線將織物組織的受力均勻地傳遞給了織物結構本體。

圖1 典型縫合結構示意圖Fig.1 Scheme of typical stitching structures

3 宏觀力學性能實驗

3.1 實驗方法

按GB/T 13773.2-2008《紡織品 織物及其制品的接縫拉伸性能 第2部分:抓樣法接縫強力的測定》規定的測試方法，選擇拉伸速度為50 mm/min，對各材料與縫合結構進行測試，測試標樣如圖2所示。同時，按照相同標樣尺寸與條件對織物基材進行原位測試。定義縫合結構的接縫強力與材料自身斷裂強力的比值為接縫效率。

圖2 接縫效率測試標樣示意圖Fig.2 The specimen for seam efficiency test

為了對比不同性能滌絲織物材料的縫合特性差異，選取3種有代表性的織物材料:①針對航天服手套結構，具有高靈活性要求的低克重薄型平紋機織物；②針對航天服上下肢結構，具有高承壓穩定性要求的高克重厚型平紋機織物；③通過表面涂層化后整理的厚重型平紋機織物，用于航天服柔性結構中有近一步抗蠕變與低伸長要求的結構。3種材料的典型力學性能如表1所示。

表1 典型高性能滌絲織物材料性能Table 1 Properties of typical high strength polyester fabrics

縫合結構的針腳密度為(35±2)針/100 mm。在縫線的選擇上，參考FZ 66316-1995《特種工業用線》，針對厚薄織物的不同斷裂強力特性與材料厚度表觀，選擇具有相對應強力與縫合特性的9＃(用于厚重型機織物)與15＃(用于輕薄型機織物)2種縫線，其性能如表2所示。

表2 縫線材料性能Table 2 Material properties of the sewing threads

3.2 實驗結果

按3.1節實驗方法，對拼縫與包縫2種結構進行了測試，每種材料與縫合結構制作8個試樣，結果見表3。

表3 測試結果Table 3 Physical test result

3.3 實驗分析

3.3.1 拼縫結構

由圖3所示的拼縫結構實驗結果可知，拼縫結構的接縫效率為29%～70%，拼縫結構的接縫強力相比于織物基材本身下降較多。從表3數值上看，經緯雙向的斷裂強力趨于一致，這是由于拼縫結構的連接特點，使得在縫合位置由縫線的承力能力代替了織物的力學性能。縫合試樣實驗過程的破斷點集中于縫線的斷裂，因此縫合結構的接縫強力表現為縫線的斷裂強力。

圖3 拼縫結構接縫效率測試結果Fig.3 Results of the seam efficiency test for flat-fell seam

同一種織物在經緯向上的差異導致紗線滑移特性的不同，對縫線的受力變形量產生差異性影響，反映為實驗過程中受力變化曲線的斜率不同。但由于采用了較高斷裂伸長率特性的縫線，最終縫線的破斷力具有趨同性。

不同織物材料自身斷裂強力與縫線強力的偏差，表現出接縫效率的變化量較大，如圖4所示。輕薄型織物與縫線的力學性能更加匹配，所以能夠得到較高的接縫效率；而厚重型織物的力學性能遠高于縫線，接縫效率由于縫線的短板效應而降低很多，此時縫合結構在力學特性上的完整性遭到了破壞。

圖4 拼縫結構破壞效果Fig.4 Breaking effects on flat-fell seam structure

因此，拼縫結構更適用于高密度、低克重的織物，此類織物容易匹配到力學性能相近的縫線，從而表現出縫合結構各部分承力能力的均勻性。

3.3.2 包縫結構

圖5所示的包縫結構實驗結果表明，包縫結構的接縫效率為69%～76%，包縫結構能夠較為穩定地獲得織物基材的力學性能，并且能夠繼承和表達出織物經緯向上的性能差異。在縫合結構中，3條重復縫線與織物組織緊密結合，在縫合結構受力狀態下，織物紗線間的滑移使得各縫線的受力變得均衡，隨著縫合結構的受力變形，縫線與織物組織的交互作用更加明顯，更能反映出織物組織自身的力學特性。

圖5 包縫結構接縫效率測試結果Fig.5 Results of the seam efficiency test for overseam

在包縫結構中，縫線對織物組織內部的聯接與傳遞作用更加有效，無論是對于不同的織物，還是對于織物不同的經緯向，接縫強力較為直接地表達出織物基材自身的力學特性，由于接縫的存在導致材料性能降額更加線性，表現為同一種縫合結構參數的接縫效率具有一致性。

當織物進行涂層化處理后，織物組織中的紗線移動被進一步束縛，組織點的浮動性降低，織物組織的滑移阻力得到提高，斷裂強力得到提升，織物組織的變形量下降，斷裂伸長率顯著降低，因而更適用于需要承壓抗變形的應用條件。但是由于上述特性變化，縫線與織物組織的交互作用降低，基材的剛性對縫線的受力傳遞作用增大，導致縫線更易受力而破壞，因此接縫效率會相應下降，如圖6所示。

圖6 包縫結構破壞效果Fig.6 Breaking effects on overseam structure

4 典型縫合結構的建模與仿真

4.1 織物縫合細觀結構建模

在建模過程中考慮織物縫合結構的細觀特性，織物結構通過TexGen 3120軟件建立，通過定義基于Peirce橢圓的紗線截面幾何，基于Bezier樣條曲線的成紗路徑，最終得到具有平紋編織結構的織物幾何模型。圖7(a)所示為織物結構，其幾何參數參考厚重型機織物設置:經緯向紗線寬度均為0.67 mm，紗線間隔均為1.12 mm，織物厚度為0.4 mm。考慮縫線的尺寸因素，為滿足縫線穿過織物時兩者不發生幾何重疊，在織物模型構建中放大了紗線的間隔。

縫線通過三維造型軟件CATIA V5R20繪制，縫線截面簡化為圓截面，參考9＃縫線，直徑為0.45 mm，將截面沿縫線軌跡曲線掃掠形成縫線的幾何模型。縫線軌跡參照GB/T 24118-2009《紡織品 線跡型式 分類和術語》，采用209號線跡型式，如圖7(b)所示。

圖7 織物和線跡幾何建模Fig.7 Geometry of the fabric and stitch

4.2 邊界設置

基于Abaqus 6.14軟件對縫合結構的拉伸過程進行有限元模擬。不同于單一的織物結構拉伸模擬，縫合結構的仿真需要增加對縫線的模擬，需要在盡可能還原縫合結構細觀特征的同時，通過合理選擇單元結構和設定邊界條件降低模型的計算規模。Mousazadegan等采用有限元方法對縫合結構進行初步模擬，但模型中采用殼單元來模擬織物，忽略了織物結構的細觀特征。為了能夠細致觀察織物縫合結構的局部變化，本文基于4.1節建立的具有編織特征的織物模型進行有限元分析。

選取具有周期性重復特征的局部結構進行分析。如圖8所示，平行于法向為

x

軸的平面，對織物兩側以及縫線兩端點設置對稱位移邊界條件，從而使單元結構能夠反映整體結構的重復性特征，降低計算規模。在建模過程中，忽略織物彎折影響，分別將拼縫和包縫結構簡化成2層平面織物的單道和多道縫合，同時通過不同的位移加載方式實現2種縫合結構拉伸測試的仿真模擬。對于拼縫結構，如圖8(a)所示，設置參考點(RP-1)和參考點(RP-2)，分別與2層織物的側面進行運動學耦合約束，通過對2個參考點分別沿

z

軸進行位移加載，實現2層織物端面沿

z

軸的拉伸模擬。對于包縫結構，如圖8(b)所示，在2層織物的不同側面設置參考點以及運動學耦合約束，通過對2個參考點分別沿

y

軸進行位移加載，實現2層織物端面沿

y

軸的拉伸模擬。

圖8 有限元模型邊界設置Fig.8 Boundaries of finite element models

模型中，縫線和織物紗線均采用實體單元C3D8R，縫線材料性能見表2(9＃縫線)，紗線材料力學性能見表4。織物以及縫線直接的接觸計算采用通用接觸General Contact，定義紗線之間的摩擦系數為0.2。由于縫合結構的仿真具有顯著的幾何非線性特征，隱式求解難以收斂，采用Abaqus/Explicit進行顯示求解。同時，為提升顯示求解速率，仿真模型中的位移加載時間取10s，加載速度高于試驗測試值。

表4 滌絲織物紗線材料性能Table 4 Material properties of the polyester yarns

4.3 結構仿真

通過仿真模擬對縫合結構的細觀變化特征進行分析，由于厚重型機織物經緯向沒有明顯差異，不失一般性，模擬中假定織物均沿織物經向拉伸。圖9給出了織物本體與2種縫合結構在達到結構破化時的結構形態以及von Mises應力分布。圖10為通過仿真模擬得到的不同結構在拉伸狀態下位移與載荷關系曲線。其中，圖9(a)為織物本體拉伸破壞的形態，最大拉伸載荷為76 N。對于拼縫結構，縫線達到斷裂強度后首先發生破壞，此時縫合結構承受的最大載荷為18 N，接縫效率為24%；對于包縫結構，織物緯紗局部和縫線幾乎同時破壞，此時縫合結構承受的最大載荷為44 N，接縫效率為58%。與實驗結果相比，由于使用局部周期性模擬等簡化方法，仿真得到的2種縫合結構的接縫效率均低于實驗結果，但對縫合效率進行對比，仿真計算與實驗結果表現一致。

圖9 不同結構的拉伸模擬(應力單位:MPa)Fig.9 Simulations of the tensile tests for different strutures(Unit of stress:MPa)

圖10 不同結構拉伸位移-載荷曲線Fig.10 Relations of load and diaplacement for different structures

從能量變化角度分析，2種縫合結構在拉伸模擬中，將外力功轉化為結構應變能、動能以及摩擦耗散能，如圖11所示。由于包縫結構的縫合強度較大，結構在破壞時具有較大的應變能。同時，在拼縫結構破壞時，摩擦耗散能與應變能的比值約為72%，高于包縫結構的35%，說明在拼縫結構中紗線和縫線的滑移效果更為明顯。此外，相比于應變能和摩擦耗散能，2種縫合結構的動能的幅值都很小，說明盡管在仿真模擬中加載速度高于實際測試，但由此增加的額外動能對結構的破壞影響不大。

圖11 兩種縫合結構能量變化Fig.11 Variation of the energies of the two seam strutures

5 結論

通過實驗方法研究了縫合結構、織物與縫線匹配等對航天服限制層縫合特性和接縫效率的影響，通過仿真分析了典型縫合結構的細觀特性，對航天服限制層材料的選擇提出了建議。

1)從縫合結構選用角度:實驗結果表明，采用多重縫合承力形式的包縫結構，其平均接縫效率能夠維持在基材的74%；而為獲取復雜曲面造型的拼縫結構，其平均接縫效率僅能維持在基材的44%。使用相同的縫合材料，包縫結構的接縫效率更高，縫合結構更緊湊。

2)從織物與縫線匹配角度:接縫效率是通過縫合結構中織物與縫線相互匹配而達到最優，單一增加一種界面材料的力學性能，并不能夠有效地提升縫合結構的強度和穩定性，反而會對縫合結構的完整性造成破壞。當織物基材與縫線力學性能差異越大，接縫效率越低；而織物的經緯向差異越小，接縫效率越高。

3)從織物材料特性角度:織物涂層化處理后測試結果的變異系數小于未涂層材料，說明通過涂層增加了織物紗線的滑移阻力，減少了縫合結構的滑移變形，改善了縫合結構的組織穩定性。

4)從細觀仿真分析角度:實現了2種不同縫合結構在拉伸時的細觀結構特征模擬，通過與基材拉伸模擬對比，得到包縫結構的接縫效率計算值為58%，高于拼縫結構的接縫效率24%，與實驗結果表現一致。進一步的能量分析表明，拼縫結構中紗線和縫線的滑移效果更為明顯。

5)綜合以上縫合特性和接縫效率的研究結果，在選擇航天服限制層材料時，應考慮縫線材料力學性能的匹配性，同時選用經緯向力學性能較為一致的織物。在縫合結構和涂層選用方面，應平衡縫合特性與結構柔軟性、貼合性的需求，在保證航天服限制層結構強度的同時，獲得更好的航天服活動能力。