应用ABAQUS的织物热传递有限元分析

吴佳佳， 唐 虹

(南通大学 纺织服装学院， 江苏 南通 226019)

应用ABAQUS的织物热传递有限元分析

吴佳佳， 唐 虹

(南通大学 纺织服装学院， 江苏 南通 226019)

为拓展机织物热舒适性设计、评估和优化的思路，提供一种有效预测织物热阻的方法，基于织物的三维模型及传热学理论，对织物系统进行一维热传递的数值模拟，得到织物传热过程中的温度分布特征。利用显微图像及切片技术获取织物几何结构参数，建立平纹织物的几何模型，并与纱线周围静止空气装配，构成织物系统的三维模型，借助有限元分析软件ABAQUS，根据模拟环境设置边界条件与相互作用，计算模型的数值解。最后通过模拟皮肤散热的恒温平板实验，对数值模拟结果进行验证，结果显示：织物外表面温度的模拟值与实验值随时间变化的一致性较好，理论热阻值与实验热阻值相对误差为3.9%，二者吻合度较高。

织物； 几何模型； 热传递； 数值模拟； 热阻

织物作为人体与环境热交换平衡的媒介，其热传递性能直接影响人体生理的舒适性。近年来，研究人员对织物传热模型的理论与计算进行了深入的研究。Bhattacharjee等[1]根据pierce椭圆模型描述织物的微观结构形态，由材料的热物性参数与织物几何结构参数建立了织物总热阻的预测方程。范坚等[2]建立了织物单元结构一维、二维传热的数值模型，得到织物结构，包括纱线位置与弯曲方向及织物纤维对织物内部温度分布的影响规律，这类研究主要基于织物材料特性与结构特征，并结合具体情况做出进一步的假设，给出边界条件以求解数学模型[3-4]。

由于热量通过纺织品传递时的动态性及影响因素的非线性，导致复杂传热模型的求解非常困难，往往需要借助计算软件编程运算[5]。随着计算机技术的发展，织物三维建模软件的应用突破了需将织物简化为匀质平板进行传热分析的局限，使织物的几何表达更符合实际情况，同时有限元软件的引入，实现了模型求解的准确性与高效率[6-8]。

本文通过实测平纹织物的组织结构与交织规律，构建织物的三维几何模型，利用有限元分析软件ABAQUS对织物系统模型的传热过程进行模拟，预测织物系统的总热阻以及织物外表面的温度变化，并通过实验测试对模拟结果进行验证。

1 织物几何模型建立

1.1 几何模型参数的获取

麻纤维织物具有优良的吸湿、透湿、散热性以及天然的抗菌、抑菌等功能，引入棉纤维混纺可改善麻纤维成纱质量与织物手感，因而麻/棉混纺织物在夏季面料中较为常见，本文以经纬纱均为麻/棉(70/30)混纺纱的平纹织物为研究对象，织物面密度为130 g/m2，经纱线密度为18 tex，纬纱线密度为35 tex，经纬密为250根/10 cm×210根/10 cm。

通过切片及显微图像技术[9]获取织物的几何结构参数和纱线截面形态，切片前用火棉胶对织物进行包埋处理，固定织物的结构状态，防止纱线松散，沿着同一根纱线的直径进行切片，以保证切片能呈现纱线真实的截面形态及屈曲状态。在织物不同部位的显微照片上多次测量取平均值，表1示出实测织物几何结构参数。

表1 织物几何结构参数

考虑织物表面毛羽的影响，机织物的厚度包括含毛羽的厚度以及织物结构相厚度，二者关系[10]为

式中：△TH为毛羽的平均高度；TS为织物中支持面纱线的屈曲波高与该纱直径之和，由织物截面切片测量而得；Tmax为低负荷(2 g/cm2)下织物的平均厚度。本文中织物模型厚度由TS确定，空气模型厚度由Tmax确定，分别为0.285 mm和0.295 mm。

1.2 织物模型的建立

利用TexGen软件建立平纹织物的三维几何模型，输入织物厚度、纱线根数、纱线宽度、高度及间距，构建经纬组织点自动生成平纹组织。调整织物模型，在 Peirce 模型的基础上，采用B样条曲线描述纱线屈曲形态，用椭圆形描述截面形状，纱线交织接触，避免纱线弯曲处出现尖角和交叉，实现参数化控制，构建平纹机织物纱线空间的曲面模型，最后选择以stp格式导出模型[11-12]。图1示出织物平面和截面切片的显微图与模型图。

图1 平纹织物

2 有限元传热分析

2.1 假设条件

由传热学理论[13]可知，当织物的纵向厚度远小于横向的长度和宽度时，可认为它的导热只沿厚度方向进行。为了简化问题，本文将模型内部的传热视为沿织物平面法向的一维传热，其他方向的边界绝热，且纤维材料为各向同性。由于模拟的是常规情况下的热量传递过程，织物系统内部之间的温差及织物与环境间的温差都较小，因此忽略热辐射的作用，只考虑纱线与周围静止空气的热传导，以及织物系统外表面与环境对流换热，忽略纱线中纤维孔隙与水分的传热。

2.2 前处理

在软件ABAQUS/CAE中导入织物部件后，创建纱线周围的空气部件，通过定位将二者装配为包含静止空气的织物系统模型，并赋予纱线与空气截面相应的材料属性[14]。假设纱线为麻、棉的匀质实体，忽略纱线内纤维间的空气，且热通道为棉、麻纤维并联，纱线的导热系数K按下式[13]计算：

式中：ε为棉纤维含量；kc为棉纤维导热系数；kl为麻纤维导热系数。表2示出棉、麻纤维与空气的热物理性质参数。

表2 材料的物理性质

在ABAQUS中统一以mm为单位。采用自由网格划分技术将整个模型分为61 034个DC3D4单元，图2示出划分网格的织物与空气模型。

图2 网格模型

2.3 分析计算

创建初始分析步，定义预定义场。假设环境为夏季舒适的空调室内环境，将整个模型的初始温度设定为24.5 ℃。创建后续分析步，编辑相互作用，设置纱线表面与周围静止空气间的接触热传导，热传导率为2.34×10-5W/(mm·℃)；按第1类边界条件给定边界温度，织物内表面贴近皮肤，温度逐渐上升，以皮肤温度确定模型内表面的最终温度为32 ℃，设置温度幅值，T0为逐步增大的温度载荷；设置模型外表面与外界环境的对流换热，对流换热系数为5 W/(m2·℃)。设定分析步的总长为540 s，固定步长即间隔时间为20 s。

在关键词编辑器中输入*CONTACT PRINT命令，添加关键词SOH与SOAREA，分别输出通过模型的热流量(10-3W)与垂直热流方向的面积(mm2)；输入*Node Print命令，添加关键词NT11，输出模型外表面节点上的温度，所有设置完成后提交作业进行运算。

2.4 后处理

在可视化模块中可查看不同时间进程下模型的温度云纹图，在DAT文件中查询每个分析步下模型热流量φ与外表面上所有节点温度，并求出外表面的平均温度TL。图3示出540 s时模型的温度场分布，织物的温度沿着热量传递方向逐渐递减，纱线交织区域的外表面温度低于其他区域。

图3 540 s时模型的温度场分布

3 实验验证

3.1 外表面温度

控温室环境温度设定为24.5℃，用恒温加热板模拟皮肤散热，将温度传感器的触点置于织物的外表面，织物平铺在(32±0.2)℃的恒温板上，取外表面上6个触点的温度平均值TL，内表面温度平均值T0。每隔20 s记录织物的升温过程，实验示意图如图4所示。

图4 恒温平板散热实验示意图

图 5示出织物外表面平均温度随时间变化的曲线。可以看出模拟温度曲线与实验测试温度曲线有较好的一致性，模型能较好地反映织物系统的动态传热过程。织物外表面与周围环境存在对流换热，最终达到传热平衡，传热平衡时织物外表面温度为30.90 ℃，模拟值为30.33 ℃，二者结果较吻合。织物系统的温度分布由内表面沿厚度方向逐步降低，模拟值表示的是织物系统外表面的平均温度，实际测量时温度探针与织物表面接触，表面毛羽被挤压，厚度减小，导致测量值略高于模拟值。

图5 织物外表面平均温度变化

3.2 织物系统总热阻

根据傅里叶定律计算织物系统的总热阻。

式中：q为热流密度，10-3W/mm2；λ为材料导热系数，10-3W/(mm·℃)；A为垂直热流方向的面积，mm2；△T=TL-T0。

数值模拟结果显示，传热平衡时织物的内外表面温度差为1.67 ℃，热流密度为0.059 2×10-3W/mm2，计算得织物系统的总热阻为0.028 19 m2·℃/W。利用YG606平板式保温仪测得织物的热阻为0.027 13 m2·℃/W，实验值与模拟值的相对误差为3.9%，二者较吻合。

4 结 语

本文模拟热量通过织物系统传到室内环境的一维散热过程，建立织物系统的三维模型，考虑了织物几何结构的影响与纱线周围静止空气的热传递，以温度-时间曲线记录了织物的热响应过程。在稳态传热过程中，计算得到织物系统的总热阻，通过实验验证，模拟值与实验值的相对误差为3.9%。今后还应建立人体皮肤-织物-外界环境系统的传热模型，以直观反映体表皮肤的散热速率与冷热刺激感。

FZXB

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ABAQUS based finite element analysis of heat transfer through woven fabrics

WU Jiajia, TANG Hong

(SchoolofTextileandClothing,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

In order to expand the research approaches of woven fabric design, evaluation and optimization of thermal comfort, an effective method to predict the thermal resistance of fabric was provided.The numerical simulation of heat transfer through fabric in one direction was investigated according to heat transfer theory and fabric 3-D models, and the temperature distribution in dynamic heat transfer process was described. A geometric model of plain weave fabric was established based on geometrical structure parameters using microscopic image and slicing techniques . The fabric system was assembled by fabric model and still air model around the yarn. The boundary conditions and the interaction were set according to simulation condition and the numerical solution was calculated by the finite element analysis software ABAQUS.The constant temperature flat test simulating the skin heat lose was conducted to verify the validity of the heat transfer model, the results show that the outside surface temperature from simulations and experiments had a good consistency over the time, the error range between the theoretical thermal resistance and the experimental one is 3.9%, and the two results coincided very well.

fabric; geometric model; heat transfer; numerical simulation; thermal resistance

10.13475/j.fzxb.20150802405

2015-08-13

2016-05-20

江苏省科技厅产学研联合创新基金—前瞻性联合研究项目(BY2014081- 04)

吴佳佳(1991—)，女，硕士生。研究方向为功能性纺织品与服装舒适性。 唐虹，通信作者，E-mail:tang.h@ntu.edu.cn。

TS 101.8

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