旋转气流作用下纱线缠绕过程数值模拟及其实验验证

摘要

随着纺织行业的发展，对纱线质量的要求日趋增高。气动拼接技术被广泛的用于断纱的连接以改善纱线的质量。影响纱线气动拼接得因素有很多，如加捻气压、加捻时长、纤维材料以及空气捻接器的几何结构等。其中，空气捻接器的关键部件加捻腔几何结构是一个重要的影响因素。因此，加捻腔几何参数的研究对于优化捻接腔和提高纱线捻接质量有着重要意义。此外，纱线加捻本质上是纤维间的旋转缠绕行为，故有必要对纤维在腔内的运动进行研究。
　　首先，本文研究了加捻腔中间槽的宽度对气动纱线拼接性能的影响。捻接纱性能主要包括拼接接头的外观和拉伸力学性能。以加捻腔槽宽为变量，设计了三种不同结构的加捻腔，分别为无槽加捻腔、1mm槽宽加捻腔以及2mm槽宽加捻腔。运用Fluent软件对三个腔内的气体流动进行仿真，并且通过实验的方法对仿真有效性进行验证。在腔内气体流场分析中，气流螺旋比，即周向气流强度与轴向气流强度的比值，从计算结果中提取被用来描述螺旋气流特性，进而用于分析纤维气动拼接行为。其中，周向气流强度用速度环量来表征，而轴向平均速度用于描述轴向气流强度。随后，三个不同腔体下的纱线加捻实验被进行。利用光学相机对纱线拼接接头的外观进行记录，同时，加捻后的纱线的拉伸力学性能在强力测试设备下被测得。最后，结合数值仿真分析和实验数据讨论，对加捻腔中槽宽度对气动纱线性能的影响作出研究。
　　其次，本文为了进一步研究纤维在加捻腔中旋转行为，提出两根纤维拼接计算模型，计算纤维在加捻腔内旋转流道中收到气流作用下的变形。首先，本文运用ABAQUS弹性杆单元和节点对纤维进行建模。进而，分析纤维在流场中的受力情况。采用ABAQUS/Explicit求解器计算纤维的非线性运动。然后提出气流与纤维间迭代耦合算法，用于计算纤维在流场中的变形。接下来运用java语言将算法程序化，设计了一款纤维在旋转流场中运动的仿真软件，并基于2mm槽宽腔体内有效的流场，以纤维绕杆为计算模型对软件进行测试。最后，针对叠合长度分别为3.5cm和2cm加捻条件下，对两根纤维缠绕模型在2mm槽宽腔内的运动进行计算。另外，搭建可视化实验台对这两种情况下纤维缠绕的姿态进行捕捉。一方面，实验结果用于仿真结果的验证;另一方面，实验和仿真结合用于分析纤维的旋转缠绕行为。
　　最后，本文提出红线示踪法，设计了红色纤维位于腔内三种不同初始位置下的加捻实验。结合光学相机记录三种情况下纱线拼接外观，对2mm槽宽加捻腔中不同初始位置的纤维旋转行为进行研究。另外，通过对腔内气流场分析，分析腔内不同位置气流对纤维的作用，进而对实验现象作出了一定的分析。

目录

声明

摘要

图目录

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 主要研究内容

2．1 气动纱线拼接过程

2．1．2 气动加捻过程

2．2 加捻腔简介

2．3 不同槽宽几何建模及仿真模型

2．3．1 腔体结构参数

2．4 流体域的网格划分及其边界条件设置

2．5 数值仿真算法

2．6 CFD仿真有效性验证

2．7 气流特性分析

2．7．1 气流在腔体内的流动

2．7．2 纤维在腔内的运动

2．7．3 气流对纱线拼接作用分析

2．8 不同槽宽下的加捻管道气流分析

2．8．2 分析截面的选取

2．8．3 轴向气流特性

2．8．4 周向气流特性

2．8．5 旋转流道内气流特性差异分析

2．9 本章小结

第三章 加捻腔内纤维的数值计算

3．2．1 单根纤维建模

3．2．2 纤维缠绕计算模型

3．3 纤维受力分析

3．3．1 气动力计算

3．3．2 纤维间接触力分析

3．3．3 纤维单元上的内应力计算

3．4 纤维动力学计算

3．4．1 动态显示算法

3．4．2 动态显示算法稳定判断

3．5 腔内纤维运动仿真设计

3．5．1 软件设计思想

3．5．2 软件界面

3．6 本章小结

第四章 不同槽宽加捻腔下捻接纱的性能

4．1 实验加捻腔

4．2 气动拼接实验台搭建

4．3 实验加捻条件

4．4 外观和强力实验

4．5 实验结果与分析

4．5．1 拼接部分外观分析

4．5．2 拼接纱拉伸力学性能分析

4．6 本章小结

第五章 纤维在加捻腔旋转行为研究

5．1 可视化实验台的搭建

5．2 加捻实验条件

5．3 两根纤维缠绕数值仿真

5．4 结果与讨论

5．5 初始位置纤维对接头形成的研究

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 后续研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文