基于纤维须条气体动力学模型的捻接腔体协同设计方法研究

A splicer chamber is a kernel component for finishing knot-free connection of fiber, its structure parameters are important factors which influence the spliced fiber's strength and appearance characters. This proposal will take intertwining of nib of fiber under the air flow's driving as the research target; release the influence of various factors such as fiber's physics characters, chamber's structure, splicing parameters on fiber's intertwining mode and mechanical apparent characters. By focus on the single end constraint fiber's dynamic model under the impact of vortex air, an air flow field computational method which leads special twisted model of fiber will be proposed. Aiming to the disadvantage of design method of splicer chamber's structure and it's parameters at present, a new design method will be presented which establishs response surface model between splicer chamber's structure' parameters and air flow field character based on the parametric analytical expression of splicer chamber, approximates and obtains the splicer chamber's structure parameter in an iterative matter. The theory and method about integrated design will be presented which considers the fiber's character and splicing parameters taking the splicer fiber's performance as object. The research will provide theoretical and technical support for airflow control technology associated with fiber driving, having significant theory significance and industry application value.

捻接腔体是完成纤维束无结捻接的核心部件，其结构参数是影响捻接纤维力学特性和表观特性的重要因素。本课题将以纤维须条在气流作用下缠绕成型过程为研究对象，揭示纤维物理特性、腔体结构拓扑、工艺条件参数对纤维束缠绕模式及其决定的捻接纤维力学和表观性能的影响规律。通过研究涡旋气流作用下单端约束纤维束动力学模型，探索以纤维缠绕形式为求解目标的气体流场计算分析方法；针对目前捻接腔体设计方法的不足，提出以参数化腔体解析表达式为基础，采用流场可视化实验和计算流体力学仿真相结合的方法构建腔体结构参数和特性流场之间的响应面模型，通过迭代方式逼近并获得特征流场下的腔体几何参数模型的方法。形成以纤维束捻接性能为目标，考虑纤维特性和工艺参数的捻接腔体结构参数协同设计的理论与方法，并通过快速原型制造进行测试和验证。本研究将为与纤维驱动相结合的气流控制技术提供理论和技术支持，具有重要的理论意义和工业应用价值。

运动气流对纤维进行驱动是纺织机械中常见的执行手段。空气捻接是其中的典型代表，该技术通过气流控制，使两段集束纤维相互缠绕，并形成无结/小结相连。空气捻接效果的优劣直接决定纺织物的产品质量。气流-纤维耦合运动规律是进行纤维须条动力学分析以及捻接腔体结构优化设计的关键问题，项目通过理论建模和实验研究相结合的方式进行了复杂流场环境中柔性纤维运动行为分析，并据此进行了气流部件关键结构和工艺参数的优化。主要研究工作如下：1）根据气流对纤维驱动方式的不同，分别进行了两类运动场景的研究，第一类为轴对称气流场中的单束纤维的准平面运动；第二类为空间旋转流场中的集束纤维跨尺度的旋转与包缠行为。发展了2D平面内的气流/纤维两相流固耦合计算模型；采用1D杆单元作为长径比纤维的最小元素，建立了空间流场对柔性纤维单向作用的有限元预测方法。运用高速摄影实验方法对上述理论模型的数值预测结果进行了验证。2）在纤维运动行为分析以及数值模型的基础上，进行了气动装置关键结构和工艺参数的优化设计，包括了退捻管中的进气喷嘴切角、旋转角以及管间偏距，加捻腔体中的中央导气槽开口度，加捻纱线叠合长度、进气入口压力以及气流引纬中常喷气体入口压力。3）并运用响应曲面法对结构和工艺参数进行了优化配置。研究成果为基于气体动力的柔性对象驱动装置的优化设计提供了理论依据。