一种预测织物热防护性能的方法

摘要

本发明公开了一种预测织物热防护性能的方法，该方法基于纱线的几何结构和交织路径建立起织物的三维几何模型，在此基础上研究热在织物内的传递过程，预测织物热防护性能。与现有技术相比，本发明方法是基于织物的三维几何模型研究织物内的热传递过程，与以往将织物看作匀质平板的预测相比起结果会更加准确；创造性的提出了织物域与空气域两个概念，充分地考虑了织物单元模型中空气组分对传热的影响，使预测结果更加接近于实际情况。本发明织物热防护性能预测方法的推广将有助于热防护织物的制备和评估，有利于缩短试验流程和时间，同时有利于节能减排。

说明书

技术领域

本发明涉及纺织检测技术领域，具体是一种预测织物热防护性能的方法。

背景技术

纺织材料由于具有质地柔软，重量轻、强度高，很容易被加工成需要的形 状和尺寸等优点，在人们的生产和生活中发挥着重要的作用。热防护织物是纺 织材料中非常重要的一大类，它既可以保护人体免受高温环境的损害，还广泛 用作工业领域的设施防护。例如：航天、航空工业用的隔热、保温材料、制动 摩擦衬垫；石油化工设备、容器、管道的高温隔热、保温；汽车发动机的隔热 罩、重油发动机排气管的包裹、高速赛车的复合制动摩擦衬垫、灭火毯等。因 此，热防护织物具有广泛的应用前景。

不同的使用场所对热防护织物的性能要求不同，目前常应用试验的方法来 筛选纤维材料、纱线细度、织物组织结构、孔隙率及厚度等参数，使织物具有 一定的隔热性能，每个参数的确定都需要先在特定的工艺下制样，再测试织物 材料的热传递性能。该方法获得的结果比较真实，但是需要先在特定工艺条件 下制备试验样品，再对样品进行性能测试，而且许多实验的测试都是以高温作 业环境为基础，不仅试验流程长，测试周期长，而且成本很高、污染环境。

为提高隔热织物的设计与开发效率，人们尝试以传热理论为基础，应用数 学模拟的方法研究织物内部热流的传递过程。目前研究织物内热传递时，人们 常将织物材料简单看作匀质平板，对求解区域进行剖分。这可使织物模型得到 简化，有利于应用传热理论求解热流在纤维材料内的分布；但由于这些模型没 有考虑织物的结构特性(织物的纤维特性、组织结构、厚度、孔隙率等)对模型 参数的影响，所模拟的织物几何单元与织物的实际三维立体结构相差很大，势 必影响到模型计算的准确性。目前加州大学潘宁教授研究认为纤维朝向角及纤 维长度均会影响织物的有效热导率，东华大学研究认为单根纤维，加捻的纱线 和纱线束排列紧密程度都会对织物的传热性能有影响。

既然织物组织结构对其热传递性能有很大的影响，已经得到人们的关注， 因此亟需改进对织物几何结构单元进行定义和模拟，在此基础上来研究织物内 的热传递过程，这将为热防护织物的制备和性能评估提供重要的理论基础。

发明内容

针对相关技术中制备热防护织物试验流程长，测试耗能高及污染环境，目 前国内外利用数值方法研究织物热传递较少，且往往将织物看作匀质平板，影 响模拟结果的准确性等问题，本发明的目的在于提供一种预测织物热防护性能 的方法，以解决上述问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明设计了一种预测织物热防护性能的方法，其特征 在于该方法包括以下步骤：

(1)测试织物的组织结构、织物的纱线几何结构参数和纤维的物理性能； 其中，测试织物的组织结构包括：测试织物组织、织物厚度；测试纱线的几何 结构参数包括：测试纱线宽、高、间距及截面形状，单根纱线内所含纤维根数、 纱线线密度；测试纤维的物理性能包括：测试纤维的直径、密度、纤维表面积；

(2)根据步骤(1)中所测试出的织物的纱线几何结构参数构建纱线模型， 并将步骤(1)中所测得的纤维物理性能参数赋予给纱线；根据步骤(1)中所 测得的织物的组织结构，建立纱线的交织路径函数，构建织物的三维几何模型， 获得织物域，并根据步骤(1)中所得的织物厚度定义织物纱线周围的空气域；

其中，根据纱线的几何结构参数构建纱线模型具体为：基于现有纱线的电 镜照片，根据纱线的高、宽及横截面形状构建出单根纱线；再根据相邻纱线的 间距和纱线的交织路径函数构建出织物三维几何模型，纱线的交织路径函数是 指按照实测织物中单根纱线上下屈曲的特点，建立该纱线的路径函数；

(3)将步骤(2)中所得的织物三维几何模型递交给大型有限元分析软件， 分别将织物域和空气域的热物理性能参数赋予给模型，对织物单元模型施加边 界条件和热载荷，利用热传递方程和能量守恒方程求解织物中温度场的分布， 从而预测织物热防护性能；

其中，织物域和空气域的热物理性能参数包括：织物和空气的密度、比热 容和导热系数；对于织物内温度场的分布，根据热载荷的不同，利用特定热传 递方程和能量守恒方程确定该织物的温度分布；上述特定热传递方程包括以下 至少之一：傅里叶定律、牛顿冷却方程或斯忒潘-玻耳兹曼定律。

本发明有益效果在于：本发明方法基于纱线的几何结构和交织路径建立起 织物的三维几何模型，在此基础上研究热在织物内的传递过程，预测织物热防 护性能。与现有技术相比，本发明方法是基于织物的三维几何模型研究织物内 的热传递过程，与以往将织物看作匀质平板的预测相比起结果会更加准确；创 造性的提出了织物域与空气域两个概念，充分地考虑了织物单元模型中空气组 分对传热的影响，使预测结果更加接近于实际情况。本发明织物热防护性能预 测方法的推广将有助于热防护织物的制备和评估，有利于缩短试验流程和时间， 同时有利于节能减排。

附图说明

图1为织物与模型结构对比图，其中图1(a)为电镜拍摄的玻璃纤维3/1斜 纹织物的照片，图1(b)为本发明方法一种实施例所建立的该斜纹织物单元的几 何模型示意图；

图2为织物与模型结构对比图，其中图2(a)为电镜拍摄的玻璃纤维3/1斜 纹织物经纱的横截面照片，图2(b)为该织物经纱横截面的几何模型；

图3为织物与模型结构对比图，其中图3(a)为电镜拍摄的玻璃纤维3/1斜 纹织物纬纱的横截面照片，图3(b)为该织物纬纱横截面的几何模型；

图4为本发明方法一种实施例的斜纹织物的织物域和空气域单元几何模 型；

图5为本发明方法一种实施例的斜纹织物内节点上数值模拟温度与实测值 对照图。

具体实施方式

本发明设计的预测织物热防护性能的方法(简称方法，参见图1-5)，考 虑到相关技术中制备热防护织物试验流程长，测试耗能高及污染环境，目前国 内外利用数值方法研究织物热传递较少，且往往将织物看作匀质平板，影响模 拟结果的准确性等问题，创造性地提出根据纱线结构参数和交织路径函数建立 织物的三维几何结构单元，并分别定义织物单元模型中的织物域和空气域，在 此基础上通过对织物几何模型施加边界条件和温度载荷，利用有限元方法模拟 织物内的传热过程，为热防护织物的制备和评估提供理论基础和技术支持，缩 短热防护织物制备的流程和时间，并且达到节能减排的目的。

下面将结合附图，详细描述本发明的实施例。

本发明预测织物热防护性能的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)测试织物的组织结构、织物的纱线几何结构参数和纤维的物理性能。

其中，测试织物的组织结构包括：测试织物组织、织物厚度；测试纱线的 几何结构参数包括：测试纱线宽、高、间距及截面形状，单根纱线内所含纤维 根数、纱线线密度；测试纤维的物理性能包括：测试纤维的直径、密度、纤维 表面积。

(2)根据步骤(1)中所测试出的织物的纱线几何结构参数构建纱线模型， 并将步骤(1)中所得的纤维物理性能参数赋予纱线；根据步骤(1)中所得的 织物的组织结构，建立纱线的交织路径函数，构建织物的三维几何模型，获得 织物域，即由纱线组成的织物单元。根据步骤(1)中所得的织物厚度定义织物 纱线周围的空气域，即织物单元周边所存在的空气组分。

其中，根据纱线的几何结构参数构建纱线模型包括：基于现有纱线的电镜 照片，根据纱线的高、宽及横截面形状构建出单根纱线；再根据相邻纱线的间 距和纱线的交织路径函数构建出织物的三维几何模型，纱线的交织路径函数是 指按照实测织物中单根纱线上下屈曲的特点，建立该纱线的路径函数。

(4)将步骤(2)中所得的织物的三维几何模型递交给大型有限元分析软 件，分别将织物域和空气域的热物理性能参数赋予给模型，对织物单元模型施 加边界条件和热载荷，利用热传递方程和能量守恒方程求解织物中温度场的分 布，从而预测织物热防护性能。

其中，织物域和空气域的热物理性能参数包括：织物和空气的密度、比热 容和导热系数；对于织物内温度场的分布，根据热载荷的不同，利用特定热传 递方程和能量守恒方程确定该织物的温度分布。上述特定热传递方程包括以下 至少之一：傅里叶定律、牛顿冷却方程或斯忒潘-玻耳兹曼定律。

传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。在热传导存在的情况下使用 傅里叶定律来描述传热过程；在对流热存在时使用牛顿冷却方程描述；在辐射 热存在时使用斯忒潘-玻耳兹曼定律方程描述热传递。在多数实际热场环境中， 往往同时存在以上两种或三种不同的传热方式，此时应根据具体传热方式来选 择对应的传热方程。

实施例1

本实施例提供了一种预测玻璃纤维斜纹织物的方法。

1.测试待测斜纹织物中纤维、纱线和织物的几何结构参数及物理性能。

根据公知的国家标准测试该织物纤维的直径为9μm、密度为2.34×10³kg/m³、表面积6.3585×10^-11m²；利用光学电镜测试获得经纱宽0.678mm、高 0.402mm、间距0.717mm及截面形状为椭圆形，纬纱宽0.716mm、高0.413mm、 间距0.704mm及截面形状为椭圆形(参见图1(a))，纱线线密度2.8×10^-4kg/m,单 根纱线内所含纤维根数1.8×10³根；根据纱线的交织路径特征确定织物组织为 3/1斜纹，测试获得织物厚度为0.906mm。

2.利用织物建模软件TexGen(texgen-bundle-64bit-3.6.0版本)根据纱线的 几何结构参数构建纱线模型，并将所测纤维物理性能参数赋予纱线；根据斜纹 织物的组织结构，建立纱线的交织路径函数，构建斜纹织物的三维几何模型， 获得织物域；根据织物厚度定义织物纱线周围的空气域。

其中，根据纱线的宽、高、间距、截面形状等参数构建纱线三维几何模型； 然后将纤维的物理性能参数如直径、密度、表面积等赋予纱线；根据斜纹织物 三上一下的纱线交织路径函数构建斜纹织物三维几何模型，构建出的织物三维 几何模型与织物电镜照片一致(参见图1-3)。如图1(b)所示，图1(b)中纱线的 的交织规律与图1(a)织物电镜照片一致。图2和图3分别是玻璃纤维斜纹织物 经纱和纬纱横截面的电镜照片和几何模型，可知参照织物电镜照片中的纱线形 状可以模拟出纱线的横截面形状。

3.将织物的三维几何模型以iges文件格式递交给大型有限元分析软件 ANSYS 14.0中的Workbench模块，分别将织物域和空气域的热物理性能参数 赋予模型，对织物施加边界条件和热载荷，利用热传递方程和能量守恒方程求 解织物中温度场的分布。

其中，分别定义织物域A和空气域B(参见图4，其中C为大气环境)， 选取织物域的热物理性能参数包括：导热系数0.1443W/(m·K)、密度 679.36kg/m³及比热容0.576J·(g·℃)^-1，选取空气域的热物理性能参数包括：导 热系数0.023W/(m·K)、密度1.29kg/m³及比热容1.0×10³J/(kg.℃)。

本实施例模拟了玻璃纤维斜纹织物在热防护性能仪(TPP)测试中织物内 的传热情况。设置初始温度和参考温度均为22℃，对织物单元模型的下表面施 加84KW/m²的热流密度载荷；施加强制排风下的空气对流载荷50W·(m²·℃)^-1。 利用傅里叶定律式中ρ为隔热织物的密度，C为隔热织 物的比热，k为隔热织物的当量导热系数)和牛顿冷却方程(q＝h*(t_w-t_∞)，式 中q为对流热通量，h为对流换热系数，t_w为固体表面，t_∞为流体的温度)求解 织物内的温度场分布。考察了模型中斜纹织物上一点Node 1点处在受热7s中 的升温情况，并将待测织物置于热防护性能仪中以相同的外界条件来测试该织 物Node1'点(Node 1与Node1'两点处的织物物理结构相同)处的升温情况，比较 模型与织物的升温曲线。温升曲线模拟结果见图5，结果显示织物背面的温度 在前2s缓慢升高，2s后快速升高，在2s时织物背面温度为36℃，在4s时织物 背面温度为39.2℃，在7s时织物背面温度为48.2℃。实测试验中，织物背面的 温升趋势与模拟结果相吻合，在织物上位置Node 1'处遇热载荷后的前2s，织物 背面的温度缓慢爬升至36.3℃，然后随着受热时间的延长，织物背面温度快速 升高，在4s时织物背面温度为39.7℃，在7s时织物背面温度为48℃，试验测 试过程中各对应时间点上的温度与数值模拟结果也极为接近。此外，为验证空 气域对织物传热过程影响的意义，增设对照组实验，该组实验的实验步骤及待 测组织与前同，只是未考虑空气组分的导热影响，其所预测的织物温度与实测 温度相差较大，在7秒的升温过程中，预测温度值与实测温度值平均相对偏差 为6.5％，而考虑了空气组分对织物传热过程影响的实验组所预测的温度值与实 测温度值平均相对偏差仅为1％(经计算，Node 1处各时间节点上温度模拟值 与Node 1'处实测值的平均相对偏差仅为1％)，证实了该方法能够很好地反映 玻璃纤维斜纹织物的传热过程，能够准确的预测玻璃纤维斜纹织物的热防护性 能。

实施例2

本实施例提供了一种预测玻璃纤维平纹织物的方法。

1.测试平纹织物中纤维、纱线和织物的几何结构参数及物理性能。

根据公知的国家标准测试该织物纤维的直径9μm、密度2.34×10³kg/m³、 表面积6.3585×10^-11m²；利用光学电镜测试获得经纱宽0.37mm、高0.29mm、 间距0.44mm及截面形状为凸透镜形，纬纱宽0.39mm、高0.27mm、间距0.52mm 及截面形状为椭圆形(见图1(a))，纱线线密度2.8×10^-4kg/m,单根纱线内所含纤 维根数1.8×10³根；根据纱线的交织路径特征确定织物组织为平纹，测试织物 厚度0.74mm。

2.根据纱线的几何结构参数构利用TexGen(texgen-bundle-64bit-3.6.0版 本)软件建纱线模型，并将所测纤维物理性能参数赋予纱线；根据平纹织物的 组织结构，建立纱线的交织路径函数，构建平纹织物的三维几何模型，获得织 物域；根据织物厚度定义织物纱线周围的空气域。

其中，根据纱线的宽、高、间距、截面形状等参数构建纱线三维几何模型； 然后将纤维的物理性能参数如直径、密度、表面积等赋予纱线；根据平纹织物 一上一下的纱线交织路径函数构建平纹织物三维几何模型；根据平纹织物电镜 照片，可以模拟出纱线的横截面形状。

3.将平纹织物模型以iges文件格式递交给有限元分析软件ANSYS 14.0中 的Workbench模块，分别将织物域和空气域的热物理性能参数赋予模型，对织 物施加边界条件和热载荷，利用热传递方程和能量守恒方程求解平纹织物中温 度场的分布。

其中，分别定义织物域和空气域，织物域和空气域的热物理性能参数包括： 选取织物的热物理性能参数包括：导热系数1.1×10^-4W·(mm·℃)^-1、比热容3.528 J·(g·℃)^-1和密度319.5kg/m³；选取空气的热物理性能参数包括：导热系数0.023 W/(m·K)、密度1.29kg/m³及比热容1.0×10³J/(kg.℃)；本实施例模拟了玻璃纤 维平纹织物在900℃火焰烧蚀下织物内的传热情况。初始温度和参考温度设为 20℃，对织物模型的下表面施加温度载荷，载荷施加在节点上，温度为900℃； 对织物模型的外表面施加对流载荷，载荷值取8W·(m²·℃)^-1。利用傅里叶定律 式中ρ为隔热织物的密度，C为隔热织物的比热，k为 隔热织物的当量导热系数)和牛顿冷却方程(q＝h*(t_w-t_∞)，式中q为对流热通 量，h为对流换热系数，t_w为固体表面，t_∞为流体的温度)求解织物内的温度场 分布，可获得任何时间点时织物内的温度分布图，进一步考察了模型中平纹织 物上Node 2和Node 3两点在受热7s中的升温情况，为了验证数值模拟结果的 准确性，利用平纹织物的实测试验值与模拟结果进行对比，Node2和Node 3两 点温度模拟值在各时间点上的温升趋势与实测值非常接近，经计算Node2和 Node 3两点处温度模拟值与实测值的平均相对偏差为2.2％和1.7％，该方法能 够很好地反映玻璃纤维平纹织物的传热过程，能够准确的预测玻璃纤维平纹织 物的热防护性能。

本发明方法，充分的考虑到了织物组织结构中含有大量空气的现实情况， 将织物结构划分为织物域和空气域，并根据两者自身的热传导特性进行传热过 程分析，结合三维模拟仿真与有限元分析技术，准确的预测出了玻璃纤维斜纹 织物与玻璃纤维平纹织物的热防护性能。由于该预测织物热防护性能的方法充 分、全面的采取了织物组分本身特定的物理性能参数，采用的纱线交织路径函 数适用于所有的机织织物，故该方法适用于平纹、斜纹、锻纹、双层等所有由 纱线交织而成的机织物，且其模拟的热传导环境跟现实状况非常接近，所以该 方法的准确度较高，且具备较广的适用性，具有较好的应用前景。

本发明未述及之处适用于现有技术。