CN110660129B - 一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，属于织物建模领域，包括S1：通过研究三维正交织物组织结构关键点位置，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构；S2：在时域中对三维正交织物的织造行为进行模拟，建立5个精度递进的变截面单胞模型，其中每个模型的纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维组成；S3：通过实验对比分析，揭示纱线纤维化离散程度对仿真时间、织物厚度、渗透率和纱线空间构型的影响规律。本发明能达到模拟和预测实际织物内部微观几何结构的作用，可为后续研究以其为增强结构相的复合材料力学性能奠定良好的理论基础。

Description

一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法

技术领域

本发明属于织物建模领域，涉及一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法。

背景技术

目前已有众多学者应用多种建模软件对不同三维织物进行了细观结构建模，从理论上分析了织物的细观结构。王旭等通过3ds Max软件基于曲线控制点的纱线轴线生成方法，结合截面曲线放样技术建立了三维细观模型；陈振等在TexGen软件建模中，将纱线假定为连续实体，虽然仿真模型几何结构与真实织物图像对比有较高的拟合度，但并不能完全反应真实的纱线形态。

上述建模方法较为真实地反映了三维织物细观几何结构，然而所建数值模型大多以纱线为最小单位，将纱线横截面理想化假设为椭圆、跑道、凸透镜等形状，但实际织造过程中织物横截面是动态变化的，与假设恒定截面形状存在较大差异。因此，为了建立更加接近三维织物真实形态的数值模型，以下学者在原有理想模型基础上提出了多种改进方法，Green等建立了一种用于预测三维织物在织造和压实过程中变形情况的精确模型；Fredrik等提出了一种在细观尺度上实现内部链几何建模的方案，可展现链的路径细节和光滑变化的截面尺寸和形状。

从国内外学者对三维织物的研究体现了正确建立织物微观模型的重要性。织物模型的准确建立是研究其力学性能的第一步，然而目前已有的研究大多都是参考织物截面显微镜照片，假定其理想几何结构形状，在建模软件中进行参数设置后一步成型，不能有效反应织物内部微观几何结构。

堪萨斯州立大学复合材料团队研发了一种纺织建模软件DFMA，该软件以数字单元法为理论基础，可用于三维织物织造过程动态仿真及其微观几何结构数值模拟，现已被业界广泛用于构建二维平纹、三维正交、角联锁等复杂织物微观几何结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对现有建模方法中理想化假设纱线截面形状恒定不变的问题，提供一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，通过纺织建模软件DFMA对三维织物织造过程进行动态仿真，以及对微观几何结构进行数值模拟，包括以下步骤：

S1：输入材料参数，通过研究三维正交织物组织结构关键点位置，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构；

S2：设置迭代参数，在时域中利用多次迭代分析对三维正交织物的织造行为进行模拟，建立5个精度递进的变截面单胞模型，其中每个模型的纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维组成；

S3：通过实验对比分析，揭示纱线纤维化离散程度对仿真时间、织物厚度、渗透率和纱线空间构型的影响规律。

进一步，步骤S1中，所述材料参数包括纱线截面积、纤维轴向弹性模量、纤维横向弹性模量、纤维密度、纤维拉伸强度和单根纱线所含纤维数量。

进一步，在步骤S1中，确定三维正交织物组织结构关键点位置，将纬纱，经纱及接结经纱结构转换为矩阵表征，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构。

进一步，步骤S2中所述建立5个精度递进的变截面单胞模型，包括在数值模拟中设置同等大小的纱线张力，将纱线离散为5种数量的数字纤维，在时域中模拟三维正交织物的织造过程，最后得到5个变截面单胞模型。

进一步，在步骤S2中，所述迭代分析过程包括：以数字杆单元和节点为基数循环，首先判断和创建纤维间的接触单元对，并计算其相互作用力大小；其次通过纱线离散和纤维有限元离散，提高模型精度和获得纱线真实截面形状，最后判断模型是否稳定，即达到最小势能，如果未稳定则继续分析，稳定则输出最终模型。

进一步，基于建立的5种精度递进的变截面三维正交织物数值模型来预测三维正交织物真实的微观几何结构和纱线空间构型。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法在亚纱线尺度建立三维正交织物微观几何结构模型，随着纱线纤维化离散程度的提高，仿真时间增长、织物厚度减小，渗透率增大，接结纱空间构型与真实织物形态越接近。所建数值模型与织物内部切片结构显微图片高度重合，能达到模拟实际织物内部微观几何结构的作用，可为后续研究以其为增强结构相的复合材料力学性能奠定良好的理论基础。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法流程示意图；

图2为纬纱结构的表征图；

图3为经纱结构的表征图；

图4为接结经纱结构的表征图；

图5为数字单元法建立的三维正交织物拓扑结构；

图6(a)-(e)分别为4、7、12、19、37根数字纤维的三维正交织物织造过程的模拟；

图7为三维正交织物数值模型的厚度变化情况；

图8(a)-(e)分别为4、7、12、19、37根数字纤维的三维正交织物数值模型经向部分与显微图片的重叠对比；

图9(a)-(e)分别为4、7、12、19、37根数字纤维的三维正交织物数值模型纬向部分与显微图片的重叠对比。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，包括以下步骤：

步骤一：建立三维正交织物拓扑结构：

输入材料参数，本实施例模拟的三维正交织物由低结晶碳化硅纤维组成，输入参数包括纱线截面积、纤维轴向弹性模量、纤维横向弹性模量、纤维密度、纤维拉伸强度和单根纱线所含纤维数量。通过研究三维正交织物组织结构关键点位置，将纬纱、经纱及接结经纱结构转换为矩阵表征，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构。

具体方法如下所示：如图2为纬纱矩阵的定义方式，其中左图坐标轴显示了纬纱的排列位置，共为10层2列。右图为纬纱矩阵，每个数字表示对应纵坐标中相应位置的纬线类型，如果相应位置无纬纱，则在矩阵中赋予值“0”。因本发明所构建的三维正交织物纬纱都采用同种类型纱线，所以矩阵中对应坐标轴的位置都赋予值“1”。

在纬纱的基础上定义经纱矩阵。经纱矩阵定义方式如图3所示，左图显示了经纱与纬纱所处的相对位置，每层经纱位于两列纬纱之上，经纱与纬纱间隔排列而成，右图为经纱矩阵。经纱结构由经纱层数和纬纱列数决定，由图4所示织物组织结构可知，经纱层数为9，纬纱列数为2。因此，经纱矩阵表示为9行2列，对应于右图矩阵中两列数字，1到9依次代表1-9层经纱的排列位置。

接结经纱矩阵如图4所示。图4(a)和(b)显示了两根接结经纱的捆绑方向(连接纬纱方向)，图4(c)和(d)为对应接结经纱矩阵。接结经纱结构由纬纱列数和层数决定，第一根接结经纱的始端捆绑于第一列纬纱，处于第10层纬纱之上，位置定义为10；末端捆绑于第二列纬纱，处于第1层纬纱之下，位置定义为0，矩阵表示为(10,0)。同理第二根接结经纱矩阵定义同理可表示为(0,10)。接结经纱的始末高度因系统周期边界条件的限制，始终保持在模型整体厚度的中间位置。

通过以上方法得到如图5所示的三维正交拓扑结构。

步骤二：建立变截面单胞模型

设置迭代参数，在时域中利用多次迭代分析对织物的织造行为进行模拟，图1大括号内为整个迭代分析过程，该过程以数字杆单元和节点为基数循环，首先判断和创建纤维间的接触单元对，并计算其相互作用力大小；其次通过纱线离散和纤维有限元离散，提高模型精度和获得纱线真实截面形状；最后判断模型是否稳定，即达到最小势能，如果未稳定则返回继续分析，稳定则输出最终模型。

建立5个精度递进的变截面单胞模型，其中每个模型的纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维组成，记录5个模型从纱线离散到最终织造成型的演变过程。5个模型皆在初次运算后进行离散，如图6(a)分两次离散，第一次在1.56ms将纱线离散为2根数字纤维，第二次在10.5ms将每根数字纤维再离散为2根数字纤维；图6(b)将纱线一次性离散为7根数字纤维；图6(c)分两次离散，第一次在1.56ms将纱线分成4根数字纤维，第二次在7.8ms将每根数字纤维再离散为3根数字纤维；图6(d)和(e)分别将纱线一次性离散为19根和37根数字纤维。其中，图6(b)、(d)和(e)中纱线离散后截面皆呈圆形自然散开。

与图6相对应的整个仿真过程如表1所示，分别显示了模型的迭代次数、每个模型的离散步骤、模型的渗透率以及整个仿真时长。从表中可得出随着离散程度的提高，模型达到稳定的时间也逐渐增加，其中4根数字纤维的模型仿真时间最短，12根和19根数字纤维的模型仿真时间较为接近，37根数字纤维由于离散精度最高故而仿真时间最长。

表1 5个模型的分析步骤和结果

图7为5个模型厚度变化情况，从图中可得出5个模型的厚度皆从0时刻的0.007m逐渐下降至不同的恒定值，模型厚度不再变化都达到稳定状态。

步骤三：实验对比分析

如图8、9所示，分别将模型的经向和纬向部分与织物内部结构切片显微图片重叠比较，经过对比可得出19根数字纤维所建立的模型与显微图片拟合度最高，且随着纱线离散程度提高，模型几何结构越均匀，纱线空间构型越精确。5个模型厚度大多低于真实织物厚度，这是因为在数值模拟中可使模型的势能达到最小，而三维机织过程是一个动态的过程，织物的微观几何形状受织造速度和纱线张力等的影响，实际织物的微观几何结构不一定能达到最小势能状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，其特征在于：通过纺织建模软件DFMA对三维织物织造过程进行动态仿真，以及对微观几何结构进行数值模拟，包括以下步骤：

S1：输入材料参数，通过研究三维正交织物组织结构关键点位置，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构；

S2：设置迭代参数，在时域中利用多次迭代分析对三维正交织物的织造行为进行模拟，建立5个精度递进的变截面单胞模型，其中每个模型的纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维组成；

S3：通过实验对比分析，揭示纱线纤维化离散程度对仿真时间、织物厚度、渗透率和纱线空间构型的影响规律。

2.根据权利要求1所述的基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，其特征在于：步骤S1中，所述材料参数包括纱线截面积、纤维轴向弹性模量、纤维横向弹性模量、纤维密度、纤维拉伸强度和单根纱线所含纤维数量。

3.根据权利要求1所述的基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，其特征在于：在步骤S1中，确定三维正交织物组织结构关键点位置，将纬纱，经纱及接结经纱结构转换为矩阵表征，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构。

4.根据权利要求1所述的基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，其特征在于：步骤S2中所述建立5个精度递进的变截面单胞模型，包括在数值模拟中设置同等大小的纱线张力，将纱线离散为5种数量的数字纤维，在时域中模拟三维正交织物的织造过程，最后得到5个变截面单胞模型。

5.根据权利要求1所述的基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，其特征在于：在步骤S2中，所述迭代分析过程包括：以数字杆单元和节点为基数循环，首先判断和创建纤维间的接触单元对，并计算其相互作用力大小；其次通过纱线离散和纤维有限元离散，提高模型精度和获得纱线真实截面形状，最后判断模型是否稳定，即达到最小势能，如果未稳定则继续分析，稳定则输出最终模型。

6.根据权利要求1所述的基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，其特征在于：基于建立的5种精度递进的变截面三维正交织物数值模型来预测三维正交织物真实的微观几何结构和纱线空间构型。

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