仿真丝织物与真丝织物的热传递有限元仿真

李瑛慧 谢春萍 刘新金 苏旭中

摘要： 为在织物设计时评估、优化织物的热舒适性，提出一种有效预测克罗值和织物表面温度变化的方法。文章采用规格相近的仿真丝和真丝织物，通过VHX-5000显微镜测量织物试样，得到纱线的几何结构参数，并考虑织物周围的空气，借助AutoCAD软件建立织物系统的三维有限元模型；借助有限元软件ANSYS，设置载荷和边界条件，求解仿真数值；并将有限元仿真结果与实验结果对比。结果表明：织物仿真克罗值与实验克罗值相對误差在5%以下，证明有限元仿真的可行性，为改善仿真丝织物的热传递提供了理论方法；相近的织物规格下，粘胶仿真丝与真丝织物克罗值相差不大，并远大于涤纶仿真丝织物。

关键词： 热传递；克罗值；真丝织物；仿真丝织物；有限元仿真

中图分类号： TS101.8

文献标志码： A

文章编号： 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

真丝被誉为“纤维皇后”，其制成的织物手感柔软、外观华丽、光泽优雅、吸湿悬垂[1]。但真丝价格居高不下，从而使仿真丝织物得到发展和重视。其中，涤纶仿真丝织物是市面上流行广泛的人造丝织物，粘胶仿真丝织物是国内近年来投入大量精力研究的高品质高仿真化的人造丝织物[2]。本文将这两种仿真丝织物与真丝织物进行对比分析，揭示其热舒适性的差异。

传统的产品设计是依据设计人员的经验和相关织物的相似性进行的。它存在的问题有周期长、工序复杂，具有未知性和不确定性，使产品的设计难度大[3]。通过有限元方法分析织物热传递的过程，可以在织物设计时评估并优化织物的热舒适性。目前，学者们已经对织物的热传递进行了一定的研究。王青华等[4]研究了织物空间空气层厚度、表面特征和纤维种类对热阻的影响；王晓东等[5]分析了织物与皮肤接触后皮肤温度变化规律；Marie等[6]对皮肤和面料在接触瞬间的能量传递进行了研究；Jirsak等[7]对纤维网垂直排列和交叉排列的无纺织物的导热系数进行了比较；吴佳佳等[8]为设计机织物舒适性，提供了一种有效预测织物热阻的方法。本文利用ANSYS有限元软件模拟丝织物的热传递，以纤维的导热性参数来预测织物的导热性参数，设计时能有效控制和优化织物的热传递，为改善仿真丝织物的热传递提供理论方法。

1 织物细观模型建立

1.1 织物试样

选用规格相近的真丝织物、粘胶仿真丝织物、涤纶仿真丝织物（市售），建立这三种织物的物理模型，对织物热传递进行有限元分析。三种织物的规格和结构参数如表1所示。

1.2 织物细观模型

为建立织物组织细观模型，需要纱线几何参数和织物构型数据。选用固化收缩率较小的环氧树脂对织物进行处理，防止织物截面分散。通过超景深数码显微镜VHX-5000对织物试样的细观照片进行尺寸测量，得到织物细观模型几何参数。通过显微镜观察发现，纱线截面不是规整的圆，将截面理想为椭圆形，既保证纱线之间充分接触，又避免出现接触过盈[9]。由于三种织物规格相近，采用统一的织物模型，在误差范围内，便于比较分析。图1为织物经向截面几何结构示意图，织物细观模型在Autocad软件中建立，如图2所示。织物细观模型几何参数如表2所示。

2 织物热传递有限元分析

2.1 假设条件

由传热理论可知，当织物的纵向厚度远小于横向长度和宽度时，认为它的导热只沿厚度方向进行[10]。由于织物内部纱线之间或纤维之间的缝隙很小，对一般纺织品而言，在常规使用条件下，对流和辐射的传热效果远小于热传导对传热所做的贡献。因此，本文将织物模型内部的传热看作沿织物平面方向的一维热传导，其余方向绝热，并且视纤维材料为各项同性材料。

2.2 模型導入

将在AutoCAD软件中建立的织物模型导入有限元ANSYS软件中，根据坐标位置，建立织物周围空气部件，创建织物和空气的集合体。并进行布尔运算Glue操作，将该模型装配为包含静止空气的织物系统，如图3所示。

2.3 定义材料属性

根据纺织材料学中的纤维物理性质，分别设定粘胶仿真丝织物、涤纶仿真丝织物和真丝织物的材料参数，并赋予相应织物模型的材料属性。材料的物理性质如表3所示。

2.4 单元选择和网格划分

织物模型分析时选用SOLID87的单元类型。SOLID87是三维十节点四面体单元，该单元能很好地适应不规则模型的网格划分。该单元有10个节点，每个节点1个自由度，即节点温度。并且，SOLID87能适应于三维稳态或瞬态热分析。

在划分网格的过程中，划分单元的尺寸越小，模型被划分的单元数量就越多，模拟精确度越高，与此同时也会增加计算机的运算量。选用自由网格划分技术，单元尺寸选择0.01（图3）。

2.5 施加载荷并求解计算

假设模拟的环境为人体舒适的环境，将模型的初始温度设为23℃。设置相互作用，在纱线与纱线间、纱线与空气间建立接触对。织物一侧贴近皮肤，温度逐渐上升，以人体皮肤温度确定模型该侧面的最终温度为32℃，并设置温度幅值。编辑模型外侧边与周围环境的对流换热系数为5W/（m2·℃）。设置求解选项，选择Steady-State。设置输出控制时间终止步为1，其他接受默认设置，进行有限元运算。

2.6 后处理

使用General Postproc菜单选项，查看传热平衡时的织物系统温度场分布云图，并求出外表面的平均温度和热流密度，用以计算克罗值。织物系统传热平衡时的温度场分布云图如图4所示。织物的温度沿着热量传递的方向逐渐递减，纱线交织的区域内表面温度高于其他区域，外表面温度低于其他区域。

3 验 证

3.1 热舒适性能测试

根据国家标准GB/T11048—1989《纺织品保温性能试验方法》，使用YG 606织物保温性试验仪测定织物的克罗值、保温率等。

3.2 织物系统克罗值

克罗值由以下公式计算[8]：

式中：R为克罗值，TL为传热平衡时的外表面平均温度，T0为初始温度，q为热流密度。

根据热传导傅立叶定律计算热流密度：

式中：q为热流密度，Knn为导热系数，Tn为沿热量流向的温度梯度，负号表示热量流向温度降低的方向。

根据ANSYS数值模拟结果，提取粘胶仿真丝织物、涤纶仿真丝织物、真丝织物传热平衡时的内外表面温度差、热流密度，结合式（1）（2），计算模拟的织物系统的克罗值。并与YG606织物保温性试验仪测得的织物克罗值进行对比，模拟结果、实验结果见表4。

由表4可以看出，三种织物热平衡时的有限元模拟结果和实验测试结果的差异在5%以下。三种织物的有限元模拟值均比实验测试值小，一方面是因为热传递模拟时，定义材料属性，输入的是纤维的物理属性，而纱线是纤维的集合体，织物又是纤维和空气的集合体，所以模拟的织物克罗值与实验测试的克罗值有所差异；另一方面，织物热传递模拟时，模型没有建立织物表面的毛羽，而实际织物表面有丰富的毛羽，从而导致模拟的克罗值小于实验测试的克罗值。有限元结果与实验结果尽管不完全一致，但存在的误差在可接受范围内，证明有限元模拟的可行性。

克罗值通常用来描述服装或织物的保暖性、隔热性，是反映织物保暖性和凉爽性的重要指标。由模拟值和实验值可以得到，三种织物在相同的织物规格条件下，真丝的克罗值最大，粘胶仿真丝次之，涤纶仿真丝的克罗值最小。在环境温度高于平均皮肤温度时，希望服装的克罗值尽可能小一些，但随着全球变暖，夏季气温逐年升高，在环境温度明显高于人体平均皮肤温度32℃时，织物克罗值大有利于减少外界热量传入人体，可以对人体起到一定的隔热保护作用，有助于防暑。另外，织物的热舒适性离不开湿舒适性，炎热的夏季，人体出汗量大，真丝和粘胶织物的回潮率远高于涤纶织物，特别是真丝吸湿放湿性好，因而夏季穿着真丝服装舒适性较好。粘胶仿真丝织物的克罗值与真丝的克罗值相近，在这方面，粘胶仿真丝织物在一定程度上可以与真丝相媲美。

4 结 论

本文采用织物规格相近的仿真丝和真丝织物，通过超景深数码显微镜VHX-5000对织物试样的细观照片进行尺寸测量，借助AutoCAD绘图软件建立了织物几何模型，并考虑织物周围空气的作用，建立织物系统模型。借助有限元分析软件ANSYS，模拟织物的热传递性能，并将有限元仿真结果与恒温平板实验结果对比，得到织物仿真克罗值与实验克罗值相对误差在5%以下。粘胶仿真丝织物与真丝织物克罗值相差不大，且远大于涤纶仿真丝织物。本文以纤维的导热性参数来预测织物的导热性参数，设计时能有效控制和优化织物的热传递，为改善仿真丝织物的热传递性能提供了理论方法。

参考文献：

[1]周建仁，张继民，韦伟，等.真丝床上用品面料的性能研究[J].丝绸，2014，51（5）：54-57.

ZHOU Jianren， ZHANG Jimin， WEI Wei， et al. A study on performance of real silk bedding fabrics[J]. Journal of Silk，2014，51（5）：54-57.

[2]戴濟晏，徐伯俊，张洪，等.粘胶仿真丝织物的服用性能测试与分析[J].丝绸，2017，54（1）：9-14.

DAI Jiyan， XU Bojun， ZHANG Hong， et al. Wearability test and analysis of viscose silk-like fabric[J]. Journal of Silk，2017，54（1）：9-14.

[3]陈国华.机织物拉伸断裂过程模拟及强度预测[D].上海：东华大学，2006：1-22.

CHEN Guohua. The Tensile Breaking Progress Simulation and Strength Prediction of Woven Fabric[D]. Shanghai： Donghua University，2006：1-22.

[4]王青华，夏正兴.织物热传递性能的研究[J].纺织学报，1984，5（6）：19-24.

WANG Qinghua， XIA Zhengxing. A study on heat conductivity of textiles[J]. Journal of Textile Research，1984，5（6）：19-24.

[5]王晓东，刘让同，姚穆.接触冷感仪器测试与穿着实验的研究[J].纺织学报，1991，12（7）：27-30.

WANG Xiaodong， LIU Rangtong， YAO Mu. A study on transient cool feeling test and wearability test[J]. Journal of Textile Research，1991，12（7）：27-30.

[6]MARIE Jose Pac， MARIE-ANGE Bueno， MARC Renner， et al. Warm-cool feeling relative to tribological properties of fabtics[J]. Textile Research Journal，2001，71（9）：806-812.

[7]JIRSAK O， SADIKOGLU T G， OZIPEK， et al. Thermo-in sulating properties of perpendicular-laid versus cross-laid lofty nonwoven fabrics[J]. Textile Research Journal，2000，70（2）：121-128.

[8]吴佳佳，唐虹.应用ABAQUS的织物热传递有限元分析[J].纺织学报，2016，37（9）：37-41.

WU Jiajia， TANG Hong. ABAQUS based finite element analysis of heat transfer through woven fabrics[J]. Journal of Textile Research，2016，37（9）：37-41.

[9]张天阳.机织物防刺性能的有限元分析[D].上海：东华大学，2011：1-29.

ZHANG Tianyang. Stab Resistance Behaviors of Woven Fabrics by Finite Element Analysis[D]. Shanghai： Donghua University，2011：1-29.

[10]张鹤誉，郑振荣，赵小明，等.玻璃纤维交织织物的热传递数值模拟[J].纺织学报，2015，36（3）：28-42.

ZHANG Heyu， ZHENG Zhenrong， ZHAO Xiaoming， et al. Numerical simulation of heat transfer on glass fiber woven fabric[J]. Journal of Textile Research，2015，36（3）：28-42.