CN111274716A - 一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，包括编织纱，编织纱在空间轨迹呈现样条曲线般的变化，用编织纱横截面通过扫描编织纱轨迹的方法，从而得到整根编织纱，在编织纱的内部包裹着轨迹为直线状的轴向纱，每根轴向纱也可以通过采用轴向纱截面去扫描轴向纱路径的方式得到整根轴向纱。本发明的一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，通过编织四步法的每一步运动规律，确定好前五个层面的编织纱和轴向纱的空间位置，在此基础上以二至五层的编织纱为一个循环，可以得到任意长度的预制体模型。

Description

一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法
技术领域
本发明属于复合材料编织技术领域，涉及一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法。
背景技术
三维五向编织复合材料是三维整体编织复合材料的一种，具体采用了三维五向编织法。三维编织复合材料突破了传统复合材料层合板结构的概念，具有多向纱线构成空间互锁网状结构，从根本上克服了层板复合材料易分层、开裂和抗冲击性能差等缺点，具有较高的比强度、比刚度、冲击韧性和结构可设计性等，在航空、航天等高科技领域得到了广泛应用。在三维四向(4D)
编织复合材料中沿编织方向(即轴向)加入不参与编织的轴纱，可形成三维五向(5D)编织复合材料，进而使其在轴向上的力学性能得到较大的提高。
目前，大部分人只是利用CT扫描样件模型，还有人采用CCD显微摄像仪扫描样件实体的方式获取三维五向编织复合材料的细观结构，这种方式起到了很好的仿真效果对复合材料进行力学性能分析具有很好的指导意义，但对于三维五向编织复合材料的预制体建模来讲，该建模方法过于复杂并有一定的局限性，不能满足所有研究三维五向编织复合材料的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，能够真实模拟三维五向编织复合材料空间形态的同时又能起到指导三维建模的作用。
本发明所采用的技术方案是，一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，包括编织纱，编织纱在空间轨迹呈现样条曲线变化，用编织纱横截面通过扫描编织纱轨迹的方法，从而得到整根编织纱；在编织纱的内部包裹着轨迹为直线状的轴向纱，轴向纱也可以通过采用轴向纱截面去扫描轴向纱路径的方式得到整根轴向纱，轴向纱路径为直线。
本发明的特点还在于，
具体建模操作步骤如下：
第一步，先根据编织四步法确定好五个层面的编织纱和轴向纱的空间位置，确定好初始位置的编织纱横截面和轴向纱截面；
第二步，将初始位置的编织纱横截面和轴向纱截面复制一层，通过‘移动’命令移动距离h，并将奇数行的编织纱横截面右移一位，将偶数行的编织纱横截面左移一位后，将移动后的第二层编织纱横截面和轴向纱截面分别与第一层编织纱横截面和轴向纱截面中点用短直线连接；
第三步，将第二步位置的编织纱横截面和轴向纱截面复制一层，通过‘移动’命令同向移动距离h，并将偶数列的编织纱横截面下移一位，将奇数列的编织纱横截面上移一位，之后，将移动后的第三层编织纱横截面和轴向纱截面分别与第二层编织纱横截面和轴向纱截面用短直线段连接；
第四步，将第三步位置的编织纱横截面和轴向纱截面复制一层，通过‘移动’命令移动距离h，并将奇数行的编织纱横截面左移一位，将偶数行的编纱横截面右移一位后，将移动后的第四层编织纱横截面和轴向纱截面与第三层编织纱横截面和轴向纱截面用短直线段连接；
第五步，将第四步位置的编织纱横截面和轴向纱截面复制一层，通过‘移动’命令移动一定的距离h，并将偶数列的编织纱横截面上移一位，将奇数列的编织纱横截面下移一位后，将移动后的第五层编织纱横截面和轴向纱截面与第四层编织纱横截面和轴向纱截面用短直线段连接；
第六步，最后根据需要的样件总长度H，以第二、三、四、五步的短直线段为组向后复制阵列多次，就可以得到编织纱直线轨迹，将这些编织纱直线轨迹整体采用‘合并’命令组合在一起，这样就可以将多根编织纱直线轨迹拟合成完整的多重折线，这些多重直线代表了纱线的空间轨迹；
第七步：考虑到纱线是柔性的，以各个多重折线中短直线段的中点为连接点建立编织纱样条曲线轨迹，这些编织纱样条曲线轨迹就更真实的模拟了纱线在空间中的运动，在这些编织纱样条曲线轨迹和轴向纱路径的短线段连接点上增加编织纱横截面和轴向纱截面，采用‘扫描’命令，从而得到三维五向预制体的实体模型。
编织纱截面的形状和大小在不干涉的情况下自定义界面形状和大小，自然状态下编织纱截面形状为圆形。
编织纱在编织过程中一直处于运动状态，考虑到纱线的柔性性能，其运动轨迹抽象为样条曲线。
轴向纱截面的形状和大小可以在每根不干涉的情况下自定义界面形状和大小，自然状态下编织纱截面的形状为圆形。
轴向纱在编织过程中一直处于静止状态，其运动轨迹抽象为直线。
本发明的有益效果是，本发明的一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，通过模拟三维五向编织复合材料在空间中的运动，进而得到三维五向编织复合材料的路径轨迹；同时，编织纱的内部包裹着轴向纱，从而保证三维五向编织复合材料预制体真实模拟编织运动的同时，起到了三维五向编织复合材料建模方法的指导作用。
附图说明
图1是本发明一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法的前五层纱线平面图；
图2是本发明一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法的前五层纱线空间位置变换图；
图3是本发明一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法的定长度预制体的纱线空间运动轨迹直线图；
图4是本发明一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法的编织纱运动轨迹拟合成样条曲线图；
图5是本发明一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法中带截面的编织纱模型；
图6是本发明一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法中带截面的轴向纱模型。
图中，1.编织纱，2.编织纱横截面，3.编织纱样条曲线轨迹，4.轴向纱，5.轴向纱截面，6.轴向纱路径，7.编织纱直线轨迹。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，如图1至图5所示，包括编织纱1，编织纱1在空间轨迹呈现样条曲线变化，用编织纱横截面2通过扫描编织纱轨迹3的方法，从而得到整根编织纱1；在编织纱1的内部包裹着轨迹为直线状的轴向纱4，轴向纱4也可以通过采用轴向纱截面5去扫描轴向纱路径6的方式得到整根轴向纱4，轴向纱路径6为直线(如图6所示)。
具体建模操作步骤如下：
第一步，先根据编织四步法确定好五个层面的编织纱和轴向纱的空间位置，确定好初始位置的编织纱横截面2和轴向纱截面5；
第二步，将初始位置的编织纱横截面2和轴向纱截面5复制一层，通过‘移动’命令移动距离h，并将奇数行的编织纱横截面2右移一位，将偶数行的编织纱横截面2左移一位后，将移动后的第二层编织纱横截面2和轴向纱截面5分别与第一层编织纱横截面2和轴向纱截面5中点用短直线连接；
第三步，将第二步位置的编织纱横截面2和轴向纱截面5复制一层，通过‘移动’命令同向移动距离h，并将偶数列的编织纱横截面2下移一位，将奇数列的编织纱横截面2上移一位，之后，将移动后的第三层编织纱横截面2和轴向纱截面5分别与第二层编织纱横截面2和轴向纱截面5用短直线段连接；
第四步，将第三步位置的编织纱横截面2和轴向纱截面5复制一层，通过‘移动’命令移动距离h，并将奇数行的编织纱横截面2左移一位，将偶数行的编纱横截面2右移一位后，将移动后的第四层编织纱横截面2和轴向纱截面5与第三层编织纱横截面2和轴向纱截面5用短直线段连接；
第五步，将第四步位置的编织纱横截面2和轴向纱截面5复制一层，通过‘移动’命令移动一定的距离h，并将偶数列的编织纱横截面2上移一位，将奇数列的编织纱横截面2下移一位后，将移动后的第五层编织纱横截面2和轴向纱截面5与第四层编织纱横截面2和轴向纱截面5用短直线段连接；
第六步，最后根据需要的样件总长度H，以第二、三、四、五步的短直线段为组向后复制阵列多次，就可以得到编织纱直线轨迹7，将这些编织纱直线轨迹7整体采用‘合并’命令组合在一起，这样就可以将多根编织纱直线轨迹7拟合成完整的多重折线，这些多重直线代表了纱线的空间轨迹；
第七步：考虑到纱线是柔性的，以各个多重折线中短直线段的中点为连接点建立编织纱样条曲线轨迹3，这些编织纱样条曲线轨迹3就更真实的模拟了纱线在空间中的运动，在这些编织纱样条曲线轨迹3和轴向纱路径6的短线段连接点上增加编织纱横截面2和轴向纱截面5，采用‘扫描’命令，从而得到三维五向预制体的实体模型。
编织纱截面2的形状和大小在不干涉的情况下自定义界面形状和大小，自然状态下编织纱截面2形状为圆形。
编织纱1在编织过程中一直处于运动状态，考虑到纱线的柔性性能，其运动轨迹抽象为样条曲线。
轴向纱截面5的形状和大小可以在每根不干涉的情况下自定义界面形状和大小，自然状态下编织纱截面5的形状为圆形。
轴向纱4在编织过程中一直处于静止状态，其运动轨迹抽象为直线。
通过上述方式，本发明一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，通过模拟编织四步法的编织过程，得到编织纱轨迹3和轴向纱轨迹6，进而增加编织纱截面2和轴向纱截面5，通过‘扫描’命令得到整根编织纱1和轴向纱4，这样就很轻松得到了三维五向编织复合材料预制体的模型。

Claims (6)

1.一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，其特征在于，包括编织纱(1)，所述编织纱(1)在空间轨迹呈现样条曲线变化，用编织纱横截面(2)通过扫描编织纱轨迹(3)的方法，从而得到整根编织纱(1)；在编织纱(1)的内部包裹着轨迹为直线状的轴向纱(4)，所述轴向纱(4)也可以通过采用轴向纱截面(5)去扫描轴向纱路径(6)的方式得到整根轴向纱(4)，所述轴向纱路径(6)为直线。
2.根据权利要求1所述的一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，其特征在于，具体建模操作步骤如下：
第一步，先根据编织四步法确定好五个层面的编织纱和轴向纱的空间位置，确定好初始位置的编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)；
第二步，将初始位置的编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)复制一层，通过‘移动’命令移动距离h，并将奇数行的编织纱横截面(2)右移一位，将偶数行的编织纱横截面(2)左移一位后，将移动后的第二层编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)分别与第一层编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)中点用短直线连接；
第三步，将第二步位置的编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)复制一层，通过‘移动’命令同向移动距离h，并将偶数列的编织纱横截面(2)下移一位，将奇数列的编织纱横截面(2)上移一位，之后，将移动后的第三层编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)分别与第二层编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)用短直线段连接；
第四步，将第三步位置的编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)复制一层，通过‘移动’命令移动距离h，并将奇数行的编织纱横截面(2)左移一位，将偶数行的编纱横截面(2)右移一位后，将移动后的第四层编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)与第三层编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)用短直线段连接；
第五步，将第四步位置的编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)复制一层，通过‘移动’命令移动一定的距离h，并将偶数列的编织纱横截面(2)上移一位，将奇数列的编织纱横截面(2)下移一位后，将移动后的第五层编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)与第四层编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)用短直线段连接；
第六步，最后根据需要的样件总长度H，以第二、三、四、五步的短直线段为组向后复制阵列多次，就可以得到编织纱直线轨迹(7)，将这些编织纱直线轨迹(7)整体采用‘合并’命令组合在一起，这样就可以将多根编织纱直线轨迹(7)拟合成完整的多重折线，这些多重直线代表了纱线的空间轨迹；
第七步：以各个多重折线中短直线段的中点为连接点建立编织纱样条曲线轨迹(3)，这些编织纱样条曲线轨迹(3)就更真实的模拟了纱线在空间中的运动，在这些编织纱样条曲线轨迹(3)和轴向纱路径(6)的短线段连接点上增加编织纱横截面(2)和轴向纱截面(5)，采用‘扫描’命令，从而得到三维五向预制体的实体模型。
3.根据权利要求2所述的一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，其特征在于，所述编织纱截面(2)的形状和大小在不干涉的情况下自定义界面形状和大小，自然状态下编织纱截面(2)形状为圆形。
4.根据权利要求2所述的一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，其特征在于，所述编织纱(1)在编织过程中一直处于运动状态，其运动轨迹抽象为样条曲线。
5.根据权利要求2所述的一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，其特征在于，所述轴向纱截面(5)的形状和大小可以在每根不干涉的情况下自定义界面形状和大小，自然状态下编织纱截面(5)的形状为圆形。
6.根据权利要求2所述的一种三维五向编织复合材料预制体的建模方法，其特征在于，所述轴向纱(4)在编织过程中一直处于静止状态，其运动轨迹抽象为直线。
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