[发明专利]一种预测织物热防护性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉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

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，它既可以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。

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以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。

为提高隔热织物的设计与开发效率，人们尝试以传热理论为基础，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。这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；但由于这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三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，加捻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。

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，这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

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，以解决上述问题中的至少之一。

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以下至少之一：傅里叶定律、牛顿冷却方程或斯忒潘-玻耳兹曼定律。