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机织物防刺性能的有限元分析

作　者: 张天阳
导　师: 丁辛
学　校: 东华大学
专　业: 纺织工程
关键词: 机织物顶破穿刺有限元 ABAQUS 机理影响因素
分类号: TS101.923
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

防刺机织物的研究近年来受到广泛关注,研究人员可以通过试验的方式比较各类织物穿刺性能的优劣。但是受试验条件的限制,机织物穿刺机理以及对相关影响因素的分析有待完善,导致对一些试验现象的解释和防刺织物的设计缺乏一定理论依据。因此,建立能够准确反映机织物穿刺过程的分析模型是必要的。机织物穿刺过程是非线性、大变形、低速冲击的问题,有限元建模是解决此类问题的有效方法。但机织物穿刺过程较为复杂,目前尚未形成完整的机织物穿刺有限元分析模型。由于机织物的顶破也是属于一种低速冲击的过程,且作用较为简单,同时便于借鉴现有的弹道冲击有限元建模和分析方法,所以课题从机织物的顶破模拟出发,使用ABAQUS有限元分析软件建立了不同尺度的机织物模型,并对其进行顶破试验验证与分析。对机织物顶破过程的有限元模拟中,在机织物顶破宏观模型中通过“INP”文件添加关键词的方式将机织物模拟成面内各向异性、非线性膜材料,并利用子程序‘’VUSDFLD"建立织物拉伸失效准则。该模型能够简单、快捷地预测机织物顶破性能,且便于从织物整体角度反映应力、应变分布。机织物顶破细观模型从三维纱线建模出发,采用横观各向同性材料作为纱线本构关系,利用ABAQUS用户子程序"VUSDFLD"建立纱线拉伸失效准则。该模型能反映顶破过程中纱线的动态响应。机织物顶破的宏观和细观有限元模型均能很好地模拟机织物顶破失效的试验现象。利用模型分析了摩擦效应和边界约束条件对机织物顶破性能的影响,结果表明：随着纱线与弹子之间的摩擦系数增大,顶破过程中纱线之间滑移减小,织物应变能和摩擦耗散能增大,织物顶破位置由中心区域向固定端转移,顶破性能显著提高。增强织物边界约束条件同样能够改善机织物顶破性能。在顶破细观模型的基础上,进一步完善纱线本构关系,确定了纱线拉伸、割断失效准则,建立了机织物穿刺过程的有限元模型,并通过刀刺和锥刺试验验证了模型。由模拟穿刺过程可知：机织物刀刺作用是纱线在刀刃作用下发生滑移、转曲最终被割断的过程。纱线径向应变大于极限值而引起的纱线割断是织物主要破坏形式。机织物锥刺主要依靠纱线滑移、转曲而产生的空隙挤入织物。由此可推断,提高纱线间摩擦作用或增大织物密度进而减少纱线之间滑移将有助于提高机织物防锥刺性能。通过有限元模型的模拟,分析了影响机织物防刀刺性能的因素,结果如下：(1)纱线材料属性对机织物防刀刺性能的影响从大到小的顺序依次为：纱线剪切模量、纱线径向模量、纱线轴向模量。(2)机织物角度铺层或者增强机织物边界约束条件,使机织物受穿刺过程中产生更多的纱线应变能来吸收刀具动能,提高了机织物防刺性能。(3)随着摩擦系数增大,机织物刀刺过程中产生更多的摩擦耗散能吸收刀具动能,进而提高机织物防刀刺性能。平纹机组织防刀刺性能好于斜纹或缎纹组织的原因也是因为前者在刀刺过程中产生了更多摩擦耗散能所致。(4)在一定范围内适当降低机织物经、纬密度,有可能在降低面密度的同时,使模型在刀刺过程中产生更多摩擦耗散能,并延缓纱线割断的发生,进而提高机织物的防刀刺性能。(5)纱线截面积越大,机织物在刀刺过程中产生的摩擦耗散能和纱线应变能也越多。因此对于单层机织物,在同等纱线间距的情况下,纱线越粗,机织物防刀刺性能越好。

全文目录

摘要  5-7
英文摘要  7-11
第一章引言  11-13
  1.1 研究背景及意义  11
  1.2 研究目标  11-12
  1.3 研究内容和方法  12
  1.4 论文的章节安排  12-13
第二章文献综述  13-21
  2.1 顶破、穿刺与弹道冲击的区别与联系  13
  2.2 织物顶破、穿刺试验研究  13-15
    2.2.1 测试方法  13-14
    2.2.2 高性能纤维材料  14
    2.2.3 织物结构  14-15
    2.2.4 织物后处理  15
  2.3 织物顶破、穿刺性能有限元分析  15-17
    2.3.1 有限元分析技术简述  15-16
    2.3.2 有限元在织物冲击研究中的应用  16-17
  2.4 ABAQUS简介  17-19
    2.4.1 ABAQUS主要功能与特点  18
    2.4.2 ABAQUS主要模块和建模步骤  18-19
  2.5 本章小结  19-21
第三章机织物顶破过程的有限元分析  21-40
  3.1 机织物顶破试验  21
  3.2 机织物顶破宏观模型  21-27
    3.2.1 几何模型  22
    3.2.2 材料属性  22-25
    3.2.3 失效准则  25-26
    3.2.4 ABAQUS建模相关设置  26-27
  3.3 机织物顶破细观模型  27-33
    3.3.1 几何模型  27-29
    3.3.2 材料属性  29-31
    3.3.3 失效准则  31-32
    3.3.4 ABAQUS建模相关设置  32-33
  3.4 机织物顶破模拟结果与分析  33-35
    3.4.1 模型验证  33-34
    3.4.2 机织物顶破原理分析  34-35
  3.5 顶破影响因素有限元分析  35-39
    3.5.1 摩擦作用对顶破性能的影响  35-38
    3.5.2 边界约束条件  38-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章机织物穿刺过程有限元分析  40-61
  4.1 防刺标准简介  40-42
    4.1.1 GA 68-2008警用防刺服标准  41
    4.1.2 NIJ和PSDB防刺标准  41-42
  4.2 机织物穿刺试验  42-43
    4.2.1 准静态刀刺试验  42
    4.2.2 落锤式锥刺试验  42-43
    4.2.3 机织物试样及其几何参数  43
  4.3 机织物穿刺细观模型  43-47
    4.3.1 穿刺物几何模型  43-44
    4.3.2 机织物几何模型  44
    4.3.3 材料属性  44-45
    4.3.4 失效准则  45-46
    4.3.5 ABAQUS建模相关设置  46-47
  4.4 准静态刀刺模型验证及分析  47-50
  4.5 落锤式锥刺模型验证及分析  50-51
  4.6 刀刺影响因素有限元分析  51-60
    4.6.1 纱线材料属性  51-53
    4.6.2 穿刺角度  53-54
    4.6.3 边界条件  54
    4.6.4 摩擦作用  54-56
    4.6.5 织物经、纬密度  56-57
    4.6.6 纱线细度  57-59
    4.6.7 织物组织  59-60
  4.7 本章小结  60-61
第五章总结与结论  61-63
  5.1 总结  61-62
  5.2 展望  62-63
参考文献  63-66
致谢  66-67
攻读学位期间发表论文及获奖情况  67

机织物防刺性能的有限元分析

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