一种预测织物热防护性能的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-种预测织物热防护性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及纺织检测【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】
[0002] 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W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。
[0003] 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W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。
[0004] 为提高隔热织物的设计与开发效率，人们尝试W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。该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；但由于该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=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，加抢的纱线 和纱线束排列紧密程度都会对织物的传热性能有影响。
[0005] 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，该 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】
[0006] 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，W解决上述问题中的 至少之一。
[0007] 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W下步骤：
[000引 （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；
[0009] (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=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；
[0010] 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S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；
[0011] (3)将步骤（2)中所得的织物=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；
[0012] 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W下至少之一；傅里叶定律、牛顿冷却 方程或斯式潘-玻耳兹曼定律。
[0013] 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 =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=维几何模型研究织物内的热传递过程，与W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。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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 绅纱的横截面照片，图3(b)为该织物绅纱横截面的几何模型；
[0017] 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；
[0018] 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】
[0019] 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=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。
[0020] 下面将结合附图，详细描述本发明的实施例。
[0021] 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W下步骤：
[0022] (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。
[0023] 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。
[0024] (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=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。
[0025] 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S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。
[0026] (4)将步骤（2)中所得的织物的=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。
[0027] 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W下至少之一；傅里叶定律、牛顿冷却方 程或斯式潘-玻耳兹曼定律。
[002引传热的基本方式有热传导、对流和福射=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；在福射热存在时使用斯式 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W上两种或= 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。
[0029] 实施例1
[0030] 本实施例提供了一种预测玻璃纤维斜纹织物的方法。
[0031] 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。
[0032] 根据公知的国家标准测试该织物纤维的直径为9 y m、密度为2. 34X 103kg/m3、表 面积6. 3585 XlO^m2;利用光学电镜测试获得经纱宽0. 678mm、高0. 402mm、间距0. 717mm及 截面形状为楠圆形，绅纱宽0. 716mm、高0. 413mm、间距0. 704mm及截面形状为楠圆形（参见 图1 (a))，纱线线密度2. 8 X l(T4kg/m，单根纱线内所含纤维根数1. 8 X 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。
[0033] 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=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。
[0034] 其中，根据纱线的宽、高、间距、截面形状等参数构建纱线=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=上一下的纱线交织路 径函数构建斜纹织物S维几何模型，构建出的织物S维几何模型与织物电镜照片一致（参 见图1-3)。如图1化）所示，图1化）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绅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W模拟出纱线的横截面形状。
[0035] 3.将织物的S维几何模型W iges文件格式递交给大型有限元分析软件ANSYS 14. 0中的Wor化ench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。
[0036] 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 ? °C rS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. 0X 10 3j/化g. °C )。
[0037] 本实施例模拟了玻璃纤维斜纹织物在热防护性能仪（TP巧测试中织物内的传 热情况。设置初始温度和参考温度均为22°C，对织物单元模型的下表面施加84KW/m 2的 热流密度载荷；施加强制排风下的空气对流载荷50W- (m2 - °Cri。利用傅里叶定律 = -早(A^)，式中P为隔热织物的密度，C为隔热织物的比热，k为隔热织物的 01 CX CX 当量导热系数）和牛顿冷却方程（q = ，式中q为对流热通量，h为对流换热系 数，t，为固体表面，tm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W相同的 外界条件来测试该织物Nodel'点（Node 1与Nodel'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°C，在4s时织物背面温度为 39. 2°C，在7s时织物背面温度为48. 2°C。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°C， 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°C，在7s 时织物背面温度为48°C，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。
[003引 实施例2
[0039] 本实施例提供了一种预测玻璃纤维平纹织物的方法。
[0040] 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。
[0041] 根据公知的国家标准测试该织物纤维的直径9 y m、密度2. 34X 103kg/m3、表面积 6. 3585 X l〇-iim2;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，绅纱宽0. 39mm、高0. 27mm、间距0. 52mm及截面形状为楠圆形（见图1 (a))， 纱线线密度2. 8X l(T4kg/m，单根纱线内所含纤维根数1. 8X 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。
[0042] 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=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。
[0043] 其中，根据纱线的宽、高、间距、截面形状等参数构建纱线=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=维几何模型；根据平纹织物电镜照片，可W模拟出纱线的横截面形 状。
[0044] 3.将平纹织物模型Wiges文件格式递交给有限元分析软件ANSYS 14.0中的 WoriAench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。
[0045] 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 X 1(T4W ? (mm ? °C r\比热容3. 528J ? (g ? °C r和 密度319.化g/m3;选取空气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. OX 103J/化g. °C );本实施例模拟了玻璃纤维平纹织物在900°C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°C，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90(TC;对织物模型的外表面施加对流载荷，载荷值取8W ? (m2 ? °C r。 利用傅里叶定律（パ：'^ = -^(/(^)，式中P为隔热织物的密度，C为隔热织物的比热，k a I cix ax 为隔热织物的当量导热系数）和牛顿冷却方程（q = h* ，式中q为对流热通量，h为 对流换热系数，t，为固体表面，t m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。
[0046] 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=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W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。
[0047] 本发明未述及之处适用于现有技术。
【权利要求】
1. 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纱线；根据步骤（1)中所测得的织物组织结构，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：织物与空气的密度、织物与空气的比热 容和织物与空气的导热系数；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为：傅里叶定律、牛 顿冷却方程或斯忒潘-玻耳兹曼定律。
2. 根据权利要求1所述的预测织物热防护性能的方法，其特征在于：该方法用于平纹、 斜纹、锻纹、双层等所有由纱线交织而成的机织物。
3. 根据权利要求1所述的预测织物热防护性能的方法，其特征在于：该方法用于玻璃 纤维斜纹织物或玻璃纤维平纹织物。
【文档编号】G06F17/50GK104504212SQ201510001026
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月4日 优先权日:2015年1月4日
【发明者】郑振荣, 赵晓明, 韩昌, 张玉双 申请人:天津工业大学