防彈用經(jīng)編軸向織物的三維仿真

王 婷,蔣高明,楊美玲,李炳賢

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心,江蘇 無(wú)錫 214122)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中防彈武器的更新以及適應(yīng)士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上生存能力的需求,防彈材料需要具有更高的舒適性、保護(hù)性和靈活性。在確保身體護(hù)甲原始防護(hù)性能的基礎(chǔ)上,輕巧、柔軟成為防彈材料選擇的基礎(chǔ)。使用高性能纖維通過(guò)紡織技術(shù)制成的防彈材料屬于軟質(zhì)材料,采用紡織技術(shù)開(kāi)發(fā)的防彈用紡織品材料國(guó)內(nèi)外已有研究[1-3],但大部分以機(jī)織和非織造布為主,以經(jīng)編制成的防彈織物研究較少。

經(jīng)編軸向織物具有優(yōu)良的力學(xué)性能,每行襯入紗線筆直且平行,只有捆綁紗存在微量屈曲,外力擊中后平行伸直的紗線可以同時(shí)承受載荷[4],所以紗線不容易產(chǎn)生斷裂,適用于防彈領(lǐng)域。金利民[5]針對(duì)雙軸向經(jīng)編針織復(fù)合材料建立細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型,結(jié)合有限元分析了復(fù)合材料的彈道侵徹性能。竺鋁濤[6]研究雙軸向多層經(jīng)編針織復(fù)合材料中纖維的應(yīng)變率效應(yīng)并使用單胞尺度計(jì)算出彈道防護(hù)能力。

基于這種特點(diǎn),本文介紹了一種特殊的防彈用經(jīng)編軸向織物,該織物由地組織和襯緯紗同向墊紗形成閃避墊紗,使得襯緯紗在受到紗線張力及延展線的作用后呈現(xiàn)伸直狀態(tài),形成襯經(jīng)的紋理效果與全幅襯緯呈90°襯入織物,形成類(lèi)似機(jī)織物一樣的紋理效果。通過(guò)襯緯紗滿穿配置,閃避墊紗效應(yīng)增加織物的經(jīng)紗橫密,利用軸向織物內(nèi)部應(yīng)力較小,僅捆綁紗處存在輕微屈曲,提高織物防彈效果。在分析該防彈用經(jīng)編軸向織物的編織和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用JavaScript和C#作為計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程,分別建立了織物的墊紗模型、穿經(jīng)模型和線圈模型,通過(guò)分析閃避墊紗位置和襯緯受力情況,實(shí)現(xiàn)織物的三維仿真,以深入對(duì)織物結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),方便導(dǎo)出三維圖形,為該類(lèi)型防彈織物的力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。

1 經(jīng)編閃避墊紗原理

閃避墊紗[7]是一種紗線運(yùn)動(dòng),又稱為躲避墊紗,表現(xiàn)為襯緯梳櫛(后梳)與地梳(前梳)的針背橫移針距數(shù)相等、方向相同時(shí)的“部分襯緯”墊紗,處于前梳線圈的主干和延展線之間的襯緯紗不受線圈延長(zhǎng)線夾持,在橫列的轉(zhuǎn)折處襯緯發(fā)生滑移,滑移到前梳的延展線之上并被其阻隔,使后梳襯入的紗線呈直線狀浮于地組織的反面,如圖1所示。

圖1 襯緯滑移組織示例

2 防彈用經(jīng)編軸向織物結(jié)構(gòu)

防彈用經(jīng)編軸向織物一般有3個(gè)系統(tǒng)的紗線,即襯經(jīng)紗、全幅襯緯紗和編織紗。襯經(jīng)紗和全幅襯緯紗之間沒(méi)有交織,能夠平行伸直地形成2個(gè)紗線層相互垂直排列并由編織紗捆綁在一起。襯紗主要采用芳綸、高強(qiáng)聚乙烯纖維及玻璃纖維等高性能的無(wú)捻紗線,且襯紗的直徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于編織紗,從而使編織紗彎曲而襯紗呈現(xiàn)伸直狀態(tài),形成襯經(jīng)的表面紋理。為了獲得緊密的結(jié)構(gòu),采用多把滿穿的襯緯梳櫛,梳櫛配合構(gòu)成交替閃避墊紗,又因襯緯紗直徑較大,從而形成垂直襯入的襯經(jīng)紗效果。襯緯墊紗的梳櫛起襯經(jīng)墊紗的作用,增加襯經(jīng)的橫密。2把襯經(jīng)導(dǎo)紗梳前后配置,交替墊紗。采用德國(guó)KARL MAYER公司RS 3 EMS全幅襯緯機(jī)開(kāi)發(fā)的KM19990128防彈用經(jīng)編軸向織物如圖2所示。

圖2 防彈用經(jīng)編軸向織物正反面

就理論而言,變化襯緯和經(jīng)平組織相結(jié)合,在襯緯延展線與經(jīng)平針背墊紗同向且長(zhǎng)度相同的情況下,該部分的襯緯紗將會(huì)從工藝反面滑移到經(jīng)平的延展線上面,在不滿足此情況的狀態(tài)下,襯緯紗則會(huì)壓在前梳延展線下方,從而使襯緯紗交替出現(xiàn)在經(jīng)平延展線兩面,再采用1把全幅襯緯的組織,使織物表面呈現(xiàn)出機(jī)織物一樣的紋理。但與機(jī)織物相比,防彈用經(jīng)編軸向織物的橫向密度較大,織物緊密程度較好;減少了紗線因交織而產(chǎn)生的屈曲不直,只在捆綁紗中存在微量屈曲,在受到外力作用時(shí),平行伸直的增強(qiáng)紗線同時(shí)承受載荷,減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象,保證纖維的強(qiáng)力利用率[8],同時(shí)可減少纖維用量和織物的質(zhì)量。Conzellman等[9]將傳統(tǒng)的機(jī)織物結(jié)構(gòu)與德國(guó)KARL MAYER公司開(kāi)發(fā)的KM19990128防彈用經(jīng)編軸向防彈結(jié)構(gòu)(圖2)進(jìn)行一系列的彈道測(cè)試,織物結(jié)構(gòu)類(lèi)型和規(guī)格如表1所示,測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示,20層面密度0.584 0 g/cm2的新型芳綸組件織物性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于28層面密度0.618 8 g/cm2的機(jī)織物組件。

表1 機(jī)織與防彈用經(jīng)編軸向織物測(cè)試對(duì)比表

表2 機(jī)織與防彈用經(jīng)編軸向織物測(cè)試對(duì)比表

3 防彈用經(jīng)編軸向織物模型

影響防彈用經(jīng)編軸向織物外觀的因素主要有墊紗運(yùn)動(dòng)和穿經(jīng)規(guī)律[10]。為更好地對(duì)其進(jìn)行研究,有必要建立墊紗數(shù)碼數(shù)學(xué)模型和穿經(jīng)數(shù)學(xué)模型。

防彈用經(jīng)編軸向織物線圈結(jié)構(gòu)包括2種,分別是成圈線圈結(jié)構(gòu)和襯緯線圈結(jié)構(gòu),因此根據(jù)各自的結(jié)構(gòu)特征,分別采用一定的控制點(diǎn)來(lái)確定線圈的形狀建立線圈仿真模型。

3.1 墊紗數(shù)碼數(shù)學(xué)模型

墊紗數(shù)碼模型一般采用單針床墊紗數(shù)碼的方式表示[11],墊紗數(shù)碼矩陣(Um)模型如式(1)所示,由此可以推斷出線圈的類(lèi)型、開(kāi)口閉口及梳櫛橫移情況。

(1)

式中:n=1,2,…,N;N表示橫列數(shù);m=1,2,…,M;M表示梳櫛數(shù);u(m,n,1)表示第m把梳櫛上第n橫列上的第1個(gè)數(shù)碼;u(m,n,2)表示第m把梳櫛上第n橫列上的第2個(gè)數(shù)碼。

對(duì)于線圈的類(lèi)型,當(dāng)u(m,n,2)-u(m,n,1)=0時(shí),線圈類(lèi)型為襯緯線圈;|u(m,n,2)-u(m,n,1)|=1時(shí),線圈類(lèi)型為普通成圈線圈;|u(m,n,2)-u(m,n,1)|=2時(shí),線圈類(lèi)型為重經(jīng)線圈。由于針前與針背作同向墊紗或有針前墊紗但針背橫移為0時(shí)形成的線圈為開(kāi)口線圈,針前與針背做反向墊紗形成的線圈稱為閉口線圈[12],所以當(dāng)[u(m,n,1)-u(m,n,2)]×[u(m,n,2)-u(m,n+1,2)]≥0時(shí),為開(kāi)口線圈;當(dāng)[u(m,n,1)-u(m,n,2)]×[u(m,n,2)-u(m,n+1,2)]<0時(shí),為閉口線圈。

關(guān)于梳櫛橫移情況,令Q(m,n)=u(m,n,2)-u(m,n+1,1),Q(m,n)表示第m把梳櫛上第n橫列的針背橫移方向和橫移數(shù)。當(dāng)Q(m,n)>0時(shí),表示第m把梳櫛在第n橫列從左向右進(jìn)行針背墊紗;當(dāng)Q(m,n)<0時(shí),表示第m把梳櫛在第n橫列從右向左進(jìn)行針背墊紗,當(dāng)Q(m,n)=0時(shí),不進(jìn)行針背運(yùn)動(dòng);|Q(m,n)|表示針背橫移距離。

3.2 穿經(jīng)數(shù)學(xué)模型

不同的穿經(jīng)會(huì)得到不同的織物效果,用矩陣數(shù)學(xué)模型(FMW)表示每把梳櫛的穿經(jīng)循環(huán)[13],如式(2)所示。

(2)

式中:j=1,2,…,W;W為完全組織的縱行數(shù);m=1,2,…,M;M為參加編織梳櫛的總數(shù);fmj的取值為*,A,B,…,其中*代表對(duì)應(yīng)的導(dǎo)紗針不穿紗,A,B等表示代表導(dǎo)紗針穿入的紗線顏色代號(hào)。

將建立的墊紗數(shù)學(xué)模型和穿經(jīng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行組合,可以得到反映織物效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,如式(3)所示。進(jìn)行編程后,即可得到反映防彈用經(jīng)編軸向織物的墊紗運(yùn)動(dòng)矩陣(ZNW)。

(3)

式中:n=1,2,…,N;N表示花型圖的橫列數(shù);j=1,2,…,W;W為花型圖的縱行數(shù)。

3.3 成圈模型

國(guó)內(nèi)外關(guān)于成圈模型的研究有很多,基本已趨向于最真實(shí)的結(jié)構(gòu)。本文采用Goktepe[14-15]的模型為理論基礎(chǔ),采用多次實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量線圈的各點(diǎn)位置,得出A1～A8共8個(gè)點(diǎn)來(lái)表示線圈主干的坐標(biāo),如圖3所示。c、c1、c2、c3為到中心軸的測(cè)量橫向距離,b、b1、b2為到中心點(diǎn)的縱向距離。開(kāi)口和閉口線圈的差異可通過(guò)后續(xù)微調(diào)A1、A8的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修正來(lái)達(dá)到預(yù)期的效果。

圖3 線圈8點(diǎn)模型及側(cè)面圖

3.4 襯緯模型

襯緯模型與成圈模型點(diǎn)的確定方式相同,通過(guò)2點(diǎn)來(lái)確定襯緯的點(diǎn)。以圖4左襯緯為例,b3為相鄰2行之間的縱向距離。全幅襯緯紗是在襯緯線圈的基礎(chǔ)上改變點(diǎn)的坐標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)的。

圖4 襯緯2點(diǎn)模型

4 襯緯滑移位置判斷及偏移量計(jì)算

對(duì)于防彈用經(jīng)編軸向織物,襯緯與經(jīng)平結(jié)合,梳櫛之間存在針背墊紗大小相同、方向相同的情況,對(duì)于這部分的襯緯紗,會(huì)滑移到經(jīng)平的延展線上面。通過(guò)設(shè)計(jì)的墊紗模型,對(duì)符合條件的襯緯梳進(jìn)行設(shè)置,可以使襯緯梳符合實(shí)際偏移規(guī)律。

防彈用經(jīng)編軸向織物理論與實(shí)際形態(tài)的差異主要體現(xiàn)在襯緯組織的變形上。由于襯緯梳櫛無(wú)針前墊紗,只作針背墊紗,紗線被夾持在成圈組織線圈主干和延展線之間[16],所以襯緯紗處于成圈線圈根部時(shí),襯緯線圈主要通過(guò)成圈線圈的移動(dòng)而移動(dòng);而對(duì)于經(jīng)過(guò)閃避墊紗襯緯橫列,處于前梳線圈主干與延展線之間的襯緯紗不能被成功加持,襯緯紗從成圈線圈的根部脫落,滑移到成圈線圈的延展線上面[6]。發(fā)生閃避墊紗橫列的襯緯梳櫛形變的主要來(lái)自于襯緯紗上延展線的拉力和紗線摩擦力作用,所以需要分2種情況討論防彈用經(jīng)編軸向織物中襯緯紗的偏移規(guī)律,而在考慮線圈偏移時(shí),襯緯線圈只在線圈橫列方向產(chǎn)生位移,所以僅考慮橫向偏移情況。

4.1 判斷閃避墊紗位置

由于防彈織物使用全幅襯緯,根據(jù)前文設(shè)置的墊紗數(shù)碼數(shù)學(xué)模型,首先在全幅襯緯中尋找符合閃避墊紗的組織。設(shè)定底梳為Mα,襯緯梳為Mβ,滿足閃避墊紗的條件為:

(4)

式(4)表示當(dāng)織物中含有襯緯,襯緯梳與底梳在第nk橫列的針背橫移方向相同且橫移數(shù)相等,對(duì)符合條件的襯緯橫列進(jìn)行賦值。因?yàn)槭?4)中所述襯緯梳與底梳在第nk橫列的針背橫移方向相同且橫移數(shù)相等,所以滿足閃避墊紗條件。對(duì)于襯緯梳而言,當(dāng)Q(Mα,nk)=Q(Mβ,nk)<0,且Q(Mα,nk+1)=Q(Mβ,nk+1)>0時(shí),表示襯緯梳在第nk橫列從右向左進(jìn)行針背墊紗,當(dāng)襯緯梳在第nk+1橫列從左向右進(jìn)行針背墊紗,完成滑移后線圈左側(cè)橫移到下一縱行前梳延展線上面,如圖5所示。若Q(Mα,nk)=Q(Mβ,nk)>0,且Q(Mα,nk+1)=Q(Mβ,nk+1)>0時(shí),表示襯緯梳在第nk橫列從左向右進(jìn)行針背墊紗,完成滑移后線圈右側(cè)橫移到下一縱行,與上述情況類(lèi)似。

圖5 襯緯滑移情況舉例

4.2 襯緯橫向位移和形變分析

首先對(duì)發(fā)生閃避墊紗橫列的襯緯梳櫛進(jìn)行受力分析如圖6所示,A點(diǎn)已從成圈線圈上脫落,主要受到2根延展線的拉力F1和F2的作用,則作用力FA為:

(5)

圖6 閃避墊紗橫列襯緯紗受力橫移分析

式中:k1、k2為紗線張力調(diào)節(jié)系數(shù);n1、n2為與A點(diǎn)相連的2根延展線所跨的針距數(shù);α、β為F1和F2的水平夾角。

根據(jù)分析,A點(diǎn)相連的延展線所跨的針距數(shù)相等。由式(5)求得襯緯線圈的偏移量DA=(F1cosα+F2cosβ)×k,其中k為線圈偏移數(shù),通過(guò)調(diào)節(jié)k值可以使偏移量DA達(dá)到最佳值。

對(duì)被成圈線圈穿套起來(lái)的襯緯線圈橫列進(jìn)行分析,如圖7所示。以B點(diǎn)為例,B點(diǎn)不僅受到襯緯線圈上2根延展線的拉力F3和F4,還受到成圈線圈的延展線摩擦力F5和F6,所以作用力FB計(jì)算公式為:

(6)

圖7 被成圈線圈壓住的襯緯紗受力橫移分析

式中:k3、k4、k5、k6為紗線張力調(diào)節(jié)系數(shù);n3、n4為與B點(diǎn)相連的2根延展線所跨的針距數(shù);δ、λ、ε、γ分別為F3、F4、F5和F6的水平夾角。

B點(diǎn)線圈的偏移量DB為:

DB=(F3cosδ+F4cosλ+F5cosε+F6cosγ)k

(7)

圖8 非閃避墊紗的襯緯成圈織物的仿真圖

5 防彈用經(jīng)編軸向織物仿真理論模型實(shí)現(xiàn)

以防彈用經(jīng)編軸向織物的墊紗模型、穿經(jīng)模型、線圈結(jié)構(gòu)模型和閃避墊紗偏移規(guī)律及受力分析為基礎(chǔ),得出防彈用經(jīng)編軸向織物的仿真理論模型。在仿真過(guò)程中,除了要根據(jù)上述模型和規(guī)律進(jìn)行仿真外,還要考慮到織物的原料、密度、紗線線密度等因素,可以使用不同的顏色、線密度的模型來(lái)表示織物的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

圖9為圖2對(duì)應(yīng)的防彈用經(jīng)編軸向織物仿真圖。該仿真主要考慮襯緯組織經(jīng)過(guò)閃避并受力形變后的狀態(tài),可以看出仿真圖與實(shí)際織物的襯緯梳櫛較為接近,符合經(jīng)編防彈軸向織物的理論模型狀態(tài)。

圖9 軸向閃避墊紗防彈織物仿真圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析軸向閃避墊紗織物的編織和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用JavaScript和C#作為計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程,對(duì)經(jīng)編防彈軸向織物的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行描述,根據(jù)經(jīng)編防彈軸向織物的結(jié)構(gòu)分別建立了織物的墊紗模型、穿經(jīng)模型和線圈模型,通過(guò)分析閃避和襯緯受力情況,來(lái)實(shí)現(xiàn)織物的三維仿真,以便深入認(rèn)識(shí)織物的結(jié)構(gòu),方便織物的建模,為后續(xù)有限元分析打下基礎(chǔ)。

本文經(jīng)編防彈軸向織物中含有閃避墊紗,需要對(duì)閃避墊紗的位置進(jìn)行判斷,并分別對(duì)閃避墊紗和正常墊紗的襯緯紗進(jìn)行受力分析,判斷襯緯紗的偏移量,通過(guò)進(jìn)行多次調(diào)整,達(dá)到襯緯紗線仿真圖與實(shí)物圖相近的結(jié)果。本文模型進(jìn)行的仿真均在前臺(tái),可以提高仿真速度。