纤维集合体力学

绪论1

0.1纤维集合体概念及范畴1

0.2纤维集合体分类2

0.2.1纤维4

0.2.2长丝纱5

0.2.3短纤维纱线6

0.2.4变形纱8

0.2.5机织物9

0.2.6针织物10

0.2.7非织造布11

0.2.8编织物12

0.3纤维集合体力学发展历史沿革14

0.3.1机织物几何结构15

0.3.2机织物结构力学17

0.3.3非织造布21

1连续介质与纤维集合体31

1.1连续介质物质构成31

1.1.1基本概念32

1.1.2基本假设和发展历史32

1.2连续介质及其变形描述33

1.2.1应力应变定义33

1.2.2物体变形38

1.3纤维集合体构成和结构分级44

1.4从分子层级模拟纤维45

1.4.1构造、结构和性能45

1.4.2聚合物形式46

1.4.3天然纤维47

1.4.4人造纤维49

1.4.5无机纤维50

1.5纤维结构性能模拟50

1.5.1力学响应50

1.5.2其他性质52

1.6纱线结构性质模拟52

1.6.1纱线类型52

1.6.2纱线结构52

1.6.3纱线力学54

1.7织物结构性能模拟55

1.7.1机织与针织物结构55

1.7.2几何模型59

1.7.3力学模型67

1.8总结69

2纤维集合体力学基础73

2.1引言73

2.2纤维分类74

2.3纺织品和纺织复合材料功能74

2.4纤维结构建模76

2.4.1天然纤维结构建模77

2.4.2合成纤维结构78

2.5纤维几何结构统计模型81

2.5.1纤维长度分布81

2.5.2纤维直径分布83

2.5.3纤维横截面模型86

2.5.4纤维空间形状建模87

2.5.5外观轮廓建模90

2.6单纤维力学性质建模91

2.7纤维黏弹性97

2.7.1蠕变和松弛模型98

2.7.2无限单元模型100

2.7.3非线性模型101

2.7.4温度依赖性103

2.8纤维摩擦性能104

2.9纤维集合体模型106

2.9.1线性纤维集合体的不均匀性107

2.9.2混纺纤维性能110

2.9.3纤维集合体结构的力学性能112

2.10结论116

3纤维摩擦和纤维集合体压缩性质127

3.1纤维摩擦性质127

3.1.1引言127

3.1.2纤维、金属和聚合物的结构和性能差异128

3.1.3经典摩擦公式129

3.1.4纤维摩擦实验129

3.1.5摩擦行为结构模型130

3.1.6摩擦常数通用公式和结构133

3.1.7摩擦影响因素134

3.1.8实验结果研究135

3.1.9极端法向力下纺织品摩擦性质143

3.1.10羊毛纤维摩擦144

3.1.11纤维摩擦性质总结147

3.2纤维集合体压缩性质147

3.2.1羊毛压缩性概述——van Wyk压缩理论147

3.2.2纤维集合体压缩性质模型与数值模拟 153

4纱线拉伸性质181

4.1平行长丝纱181

4.2加捻长丝纱186

4.2.1应力分析方法187

4.2.2长丝纱线断裂过程特征200

4.3加捻短纤纱205

4.3.1短纤维纯纺纱 205

4.3.2短纤维混纺纱216

5纱线扭转性质223

5.1纤维扭转性质223

5.1.1纤维扭转刚度223

5.1.2扭转实验方法227

5.1.3纤维扭转破坏228

5.2长丝纱扭转性质229

5.2.1纤维弯曲对纱线扭转的影响229

5.2.2纤维扭转对纱线扭矩的影响234

5.2.3纤维拉伸对纱线扭矩的影响238

5.3短纤纱的扭转性质240

6机织物结构力学模型243

6.1机织物结构力学模型意义与目标243

6.2机织物力学性质243

6.2.1多尺度研究243

6.2.2纤维性能245

6.3机织物多尺度力学建模246

6.3.1几何模型246

6.3.2连续介质力学模型246

6.3.3离散法247

6.3.4半离散单元247

6.4机织物单胞和几何模型249

6.5机织物力学实验250

6.5.1双轴向拉伸测试250

6.5.2面内剪切测试251

6.5.3弯曲测试252

6.5.4横向压缩253

6.6机织物单胞变形细观尺度三维模型254

6.6.1本构模型254

6.6.2周期性对称边界条件256

6.6.3双轴向拉伸258

6.6.4面内剪切258

6.6.5横向压缩259

6.6.6渗透率计算260

6.7图像分析：全域数字图像相关法和X射线断层扫描260

6.7.1全域数字图像相关法260

6.7.2 X射线断层扫描260

6.8结论和展望262

7针织物建模与可视化269

7.1针织物结构建模目的269

7.2针织结构种类269

7.3结构尺度271

7.4中观尺度针织物结构单元273

7.4.1线圈273

7.4.2添纱组织273

7.4.3握持组织274

7.4.4浮线组织274

7.4.5集圈或压圈275

7.4.6移圈组织275

7.4.7衬纬组织276

7.4.8衬垫组织276

7.4.9其他改性结构单元276

7.5建模步骤276

7.6模型建立277

7.6.1输入数据277

7.6.2拓扑生成278

7.6.3纱线路径表示法283

7.6.4力学模型284

7.6.5纱线接触288

7.6.6纱线截面形态和纱线路径288

7.6.7纱线不匀288

7.7后处理289

7.7.1纱体绘制289

7.7.2可视化289

7.8其他类型模型290

7.9面料模拟应用领域及发展趋势290

7.10结论290

8编织与其他纺织复合材料结构与力学性能295

8.1纺织结构复合材料295

8.2二维织物295

8.2.1直接成型织物296

8.2.2机织物296

8.2.3纬编针织物297

8.2.4经编针织物298

8.2.5编织物300

8.2.6混杂织物301

8.3三维织物301

8.3.1三维机织物301

8.3.2三维编织织物302

8.3.3正交铺纱织物 303

8.4刚度/柔度矩阵均匀化计算303

8.4.1基体修正法304

8.4.2弯曲纤维模型305

8.4.3平均刚度法306

8.4.4平均柔度法308

8.4.5刚度柔度混合法308

8.5桥联模型309

8.6数值模型比较311

8.6.1与三维正交类复合材料实验数据对比311

8.6.2与二维机织物实验数据对比312

8.7数值模型在有限元分析中的应用315

8.7.1传统有限元分析315

8.7.2混杂有限元分析316

8.8非单胞方法317

9非织造材料结构力学与过滤性质326

9.1引言326

9.2非织造布结构模型328

9.3非织造布中孔径与孔径分布模拟330

9.3.1孔径模型330

9.3.2孔径分布模型331

9.4拉伸强度332

9.4.1拉伸强度各向同性模型332

9.4.2小应变下力法模型334

9.4.3能量分析方法334

9.5非织造布弯曲刚度335

9.6非织造布比渗透率模型336

9.6.1比渗透率理论模型336

9.6.2三维各向异性非织造布的方向渗透率339

9.6.3非织造布定向毛细压力和流体芯吸341

9.7热阻和导热系数343

9.8声阻345

9.8.1理论模型345

9.8.2经验模型348

9.9非织造布颗粒过滤性能349

9.9.1过滤性能评价350

9.9.2过滤机制351

9.9.3干燥空气过滤过滤效率351

9.9.4压力降354

9.10展望和进一步阅读材料354

10织物性能表征与测试361

10.1引言361

10.2机织物拉伸测试362

10.3织物刚度(弯曲)测试364

10.4织物剪切测试概念366

10.5织物撕裂强力368

10.6织物剪切测试方法370

10.6.1舌形法(单缝法)370

10.6.2梯形法(翼形撕裂法)372

10.6.3落摆试验(Elmendorf装置)373

10.7 Kawabata评价系统KES375

10.7.1拉伸性质375

10.7.2剪切性能375

10.7.3弯曲性能376

10.7.4压缩性能377

10.7.5表面性能377

10.8 FAST测试系统378

10.9织物压缩性能378

10.10织物的变形机理总结379

10.11作为复合材料结构增强体的纤维集合体379

10.11.1增强聚合物复合材料的疲劳380

10.11.2刚性聚合物基复合材料和弹性基复合材料381

10.11.3预测试验的基本知识381

10.12层合板的基本力学：在测试中的应用382

10.12.1在测试中的应用384

10.12.2几何参数的重要性386

10.13三维纤维集合体结构复合材料388

10.14更多信息389

10.14.1本章提到的ASTM测试方法列表389

10.14.2补充阅读材料390

11机织物和柔性复合材料撕裂与顶破393

11.1撕裂393

11.1.1撕裂性能研究概述393

11.1.2柔性复合材料梯形撕裂分析计算模型396

11.1.3机织物和柔性复合材料梯形撕裂有限元计算模型实例404

11.2顶破425

11.2.1顶破性能研究概述425

11.2.2柔性复合材料顶破分析计算模型实例427

11.2.3机织物和柔性复合材料顶破过程有限元计算实例433

12复杂应力状态454

12.1纤维集合体弯曲性质454

12.1.1纤维弯曲454

12.1.2纱线弯曲460

12.1.3织物弯曲465

12.2织物悬垂性质470

12.2.1悬垂性测试方法470

12.2.2织物悬垂变形分析471

13三维纤维集合体474

13.1三维纤维集合体基本概念474

13.2二维预成型体(二维织物)475

13.2.1二维机织物475

13.2.2二维针织物476

13.2.3二维非织造布476

13.2.4二维编织物477

13.3二维纺织预成型体局限性478

13.4三维预成型体(三维织物)478

13.4.1三维纤维集合体定义478

13.4.2三维织物和二维织物对比479

13.4.3三维机织物479

13.4.4三维针织物484

13.4.5三维编织物485

13.4.6三维缝合织物487

13.4.7三维非织造布488

13.5结论491

14纺织品悬垂性与服装三维建模、模拟以及可视化技术494

14.1引言494

14.2三维纺织模型回顾 495

14.2.1几何模型495

14.2.2有限元模型495

14.2.3粒子系统496

14.3织物力学的自动测量496

14.4悬垂性测量与评价499

14.5三维质量弹簧模型的关键原则501

14.5.1质量弹簧系统的一般描述501

14.5.2触碰检测和反应504

14.6织物模拟：优点、缺点与改进建议505

14.7实验结果和讨论507

14.8应用与实例510

14.8.1合成人体的建模和可视化511

14.8.2虚拟穿着实验514

14.9结论与展望514

15非经典方法519

15.1数理统计方法519

15.1.1数理统计方法简介519

15.1.2数理统计方法在纺织中的具体应用520

15.2灰色理论方法521

15.2.1灰色系统521

15.2.2灰色关联分析522

15.2.3灰色理论在纺织中的应用实例523

15.3人工神经网络方法524

15.3.1人工神经网络纺织应用综述525

15.3.2人工神经网络原理534

15.3.3人工神经网络在纺织中的应用实例：预测织物拉伸性能539

后记

本书两位作者均为相关领域的的佼佼者，教学心得和科研成果丰硕，今汇集成这部系统探讨纤维集合体的力学性能及其影响因素、表征方法、测试技术和优化设计等内容的学术专著，对学界和业界定有极高的参考价值。纤维集合体是由柔性纤维以一定的纺织成型制造方法而形成的结构稳定的纺织品总称。纤维集合体力学研究各类纺织品在外力场作用下的结构变形和破坏过程。本书在叙述纤维集合体发展历史的基础上，介绍纤维集合体的多尺度结构、结构表征指标和力学性质，以材料/结构/性质一体化设计为主线，着重阐述纤维集合体的结构力学分析建模方法、力学性质预测和纤维集合体结构设计。本书涉及的纤维集合体种类包括纤维、平行长丝纱、加捻长丝纱和智囊纤维纱，二维和三维机织物、针织物、编织物及其增强复合材料，以及非织造布等。本书描述纤维集合体及其力学特征优化设计的详细体系，进而应用于纺织工艺技术优化和纤维集合体复合材料细观结构设计。 本书适用于纺织科学与工程、纺织材料、以及对非线性柔性有兴趣的力学、复合材料等专业的高年级本科生和研究生教学或自学，也可为纺织行业的工程师进行纤维集合体设计提供参考。【作者简介】顾伯洪，东华大学纺织学院教授，主要研究纺织结构复合材料冲击动力学、纤维集合体多尺度结构/性能一体化设计，近5年内，在Philosophical Magazine等国际著名期刊上以第一或通讯作者发表的论文被科学引文索引（SCI）收录70余篇，著有《纺织结构复合材料冲击动力学》，指导的《三维纺织结构复合材料压缩性能的应变率效应及动态特性分析》获2009年全国百篇优秀博士学位论文；主持国家自然科学基金项目4项，任《复合材料学报》三届编委和中国复合材料学会两届理事，入选上海市曙光学者计划和教育部新世纪优秀人才支持计划。 孙宝忠，纺织材料专业博士，东华大学纺织学院教授；现任东华大学纺织学院高技术纺织品系副主任，轻质结构复合材料研究所副所长；主要研究纺织品结构和性能、轻质结构复合材料制备及力学、纤维集合体构造及力学、材料系统的频域分析、有限元计算和模拟等，近5年内发表国际SCI期刊论文60余篇，主持国家自然基金委、教育部、上海市科委、上海市教育发展基金委课题7项，先后获得“上海市晨光学者”“上海市青年科技启明星”“全国优秀博士学位论文奖”等荣誉。