间隔织物压缩应力场建模与缓压机理研究

The project is to analyze the compression behaviour of spacer fabric, which can be developed into stress-release spacer fabric products to avoid injury to the human body by extending touching region area and weakening the stress peak value. We will plan to have a study on the stress-release mechanism and the modeling of surface stress distribution of spacer fabric under compression from the following two aspects:(1) membrane shell theory is used to construct the theoretical model of surface stress and touching region area of spacer fabric under compression, which can discuss the relationship between spherical ball radius,thickness of spacer fabric,bending and torsional rigidities of spacer filament and tensile and bending properties of surface layers,and describe the stress-release mechanism of spacer fabric;(2) conductive fiber is fabricated into spacer fabric to obtain the relations between conductive voltage and stress, which is to verify and optimize the theoretical model of surface stress and useful in expressing the relationship between surface stress and structure and properties of spacer fabric,and to have an evaluation method to stress-release effects of spacer fabric. The project has great scientific and applied values mainly in the designing and development of flexible cushion and pad products for olders and disabled and baby.

本项目以间隔织物为研究对象，探索具有保护人体、增大受力面积和防止应力集中造成人体伤害的具有缓压功能性的间隔织物的缓压机理，包括：（1）通过薄壳理论构建间隔织物球形压缩的表面应力和接触区域面积的理论模型，讨论间隔织物缓压行为与球曲率半径、间隔织物厚度、间隔丝的弯扭性质和边界条件、以及表层结构的拉伸弯曲性质的关系，阐述间隔织物的缓压机理；（2）通过在间隔织物中植入导电纤维，研究压缩变形过程中电-力耦合关系，验证并优化间隔织物受压作用下接触区域所构建的表面应力及接触面积的分布模型，明晰间隔织物接触区域的表面应力与材料结构性质的相互关系，建立缓压效果的评价方法。本项目主要用于老年人、残疾人及婴儿的护理床垫和推车座椅垫等缓压产品，具有重要的科学意义与应用价值。

间隔织物是由上、下表面层及通过间隔丝连接上、下两表面层的间隔层组成的高中空立体结构织物，特有的柔性和弹性的三维空间结构，赋予其良好的抗压回弹性和缓解应力集中效应的性能，已广泛用于汽车内装饰、功能服装、衬垫材料、鞋等领域。随着间隔织物产品的应用开发，设计与优化间隔织物的结构、认知间隔织物的结构和性能关系愈加重要。而这些性能与产品应用的关键科学问题是建立间隔织物的压缩性能模型。因此，前人对间隔织物进行了结构与性能关系的研究，有关于结构与透气、保暖、透湿等舒适性研究，也有关于结构与压缩性能指标的关系分析及其基础理论研究。但所有这些研究要么局限于设计不同结构的间隔织物，分析结构参数对压缩性能测试指标（压缩功能、压缩力等简单压缩指标）的影响规律，要么借助简化的压缩模型进行常规产品的压缩性能分析。而随着功能缓压间隔织物的优越缓压性能的提出，需要针对性地分析结构与缓压功能的关系，揭示缓压机理。所以，在前人的基础上我们还可以继续深入研究间隔织物的结构与功能的关系，尤其是功能性的拓展研究。. “间隔织物压缩应力场建模与缓压机理研究”项目的主要研究内容从两个方面着手。其一是基于板壳理论，从压缩力学本构方程出发，充分考虑各结构与性能参数（厚度、上下表层结构、间隔层结构与力学性能、实验压缩夹头参数）的作用，建立间隔织物在不同参数下的压缩力学模型。同时，在此基础上构建三段直线的非线性压缩力学模型，并采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟，对间隔织物压缩过程进行研究和预测，明晰了间隔丝、上下表层和间隔织物整体的结构性能与间隔织物缓压性能的关系。其二是建立缓压表征测试方法，选用压力传感阵列的压力垫进行压缩实验条件下的应力分布测试，提取和比较可用于有效表征缓压性能的测试指标，提出了有效表征缓压性能的测试技术，发展了间隔织物缓压性能的表征方法，建立了表征缓压间隔织物的理论模型，揭示了间隔织物结构与性能的关系规律，完成了课题预期目标和研究内容，解决了关键技术。项目发表论文10篇（其中SCI索引论文4篇、EI索引论文5篇、国际会议分组报告论文1篇），授权与公开专利7项（其中授权实用新型专利1项、公开发明专利6项）和培养研究生7名。该项目研究成果可用于优化缓压间隔织物的生产工艺参数，预测产品的压缩性能，形成有自主产权缓压性能的表征方法与装置，并且为发展功能性缓压间隔织物提供科学依据与理论指导。