CN113192576A - 一种2.5d编织复合材料单胞模型的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，具体按照如下步骤进行：步骤1：确定经向2.5D浅交弯联编织复合材料结构的交织方式，编织形成2.5D编织复合材料；步骤2：复合材料划分为若干基体单胞模型；确定不同纱线的截面形状。步骤3：得到经向纱、纬向纱和经向增强纱的纱线实体模型；步骤4：在纱线实体模型上截出单胞实体模型；通过布尔剪切运算得到基体实体模型，纱线实体模型和基体实体模型组合得到整体单胞模型。本发明通过与真实材料内部结构对比，对模型进行简化，在能真实模拟经向增强2.5D浅交弯联编织复合材料内部结构的同时，能对其材料的有限元分析提供了便利。

Description

一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法
技术领域
本发明属于材料的有限元分析技术领域，具体涉及一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法。
背景技术
2.5D编织复合材料具有良好的层间力学性能、抗剪切性、结构整体性和可设计性。随着生产技术的进步，应用领域已从航空和国防军工扩展到船舶和近海工程、医疗器械与仿生制品、建筑与土木工程、体育与娱乐用品等领域。但是由于其内部多样且复杂的结构，采用有限元分析时不能建立起合适的内部单胞结构模型，使得其有限元分析具有一定的困难，因此，综合来看，目前2.5D编织复合材料单胞模型的建模有待进一步优化提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，解决了目前2.5D编织复合材料单胞模型的建模有待进一步优化提高的一部分问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，具体按照如下步骤进行：
步骤1：首先确定经向增强的2.5D浅交弯联编织复合材料结构的交织方式，交织方式包括经向纱、纬向纱和经向增强纱；对设计好的结构进行编织，处理后形成一整块矩形2.5D编织复合材料；
步骤2：将所述复合材料的截面区域划分为若干重复排列的单胞实体模型；扫描六面体单胞模型得到其截面形状，根据六面体单胞模型的截面纱线形状来确定经向纱截面、纬向纱截面以及经向增强纱截面形状为八边形。
步骤3：按照经向增强浅交弯联纱线轨迹画出经向纱、纬向纱和经向增强纱的纱线轨迹，计算径向纱、纬向纱和经向增强纱的八边形截面尺寸，以计算得到的八边形尺寸为纱线截面形状进行扫描命令得到经向纱、纬向纱和经向增强纱的纱线实体模型；
步骤4：通过计算得到单胞模型的长宽高，以计算得到的单胞长宽高为据在纱线实体模型上截出单胞纱线实体模型；建立与单胞长宽高相等的六面体，通过与单胞纱线实体模型进行布尔运算差集得到基体实体模型，纱线实体模型和基体实体模型相互组合得到整体单胞模型。
本发明的特点还在于，
步骤1中，处理具体为：对编织好的2.5D浅交弯联编织复合材料预制件以加热、压缩的形式，经过加热融化、冷却加固这个过程。
步骤2中，单胞模型为一个六面体单胞实体模型，由经向纱实体、纬向纱实体、经向增强纱实体和基体单胞模型贴合在一起组成。
步骤3中，截出单胞实体模型的裁剪依据为：单胞通过在长、宽、高方向上的不断重复堆砌可得到整块矩形2.5D编织复合材料。
步骤3和步骤4中的几何参数的具体计算为：
根据单胞纱线交织间的几何关系可得如下公式(1-4)、(1-5)以及(1-6)：
Figure BDA0003042382310000021
Figure BDA0003042382310000022
Figure BDA0003042382310000031
其中：Lz为复合材料的实际厚度，由实际测量得到；Nh为材料厚度方向上纬纱根数。θ为编织角
本发明的有益效果是：本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，通过对一种2.5D经向增强浅交弯联编织复合材料纱线轨迹的模拟，基于扫描样件截面给出了单胞中纱线截面及径向纱、纬向纱和经向增强纱的相互关系的合理假设，利用三维建模软件实现了对单胞模型的建立，为2.5D浅交弯联编织复合材料单胞模型的建立提供了一种方法。
附图说明
图1是本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法的流程示意图；
图2是本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法的经向增强浅交弯联纱线轨迹图；
图3为本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法的经向增强浅交弯联纱线实体模型图；
图4为本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法的经向纱、纬向纱和经向增强纱的纱线截面示意图；
图5为本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法的纬向纱和经向增强纱的纱线位置示意图；
图6为本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法的经向纱、纬向纱的纱线尺寸示意图；
图7为本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法的纱线的实体模型图。
图8为本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法的单胞实体模型合成图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法进行详细说明。
如图1和图2所示，步骤1：先确定理想情况下2.5D浅交弯联编织复合材料的交织方式，包括经向纱、纬向纱和经向增强纱。
步骤2：对设计好的经向增强2.5D浅交弯联结构进行纱线编织，然后对编织好的经向增强2.5D浅交弯联编织复合材料预制件以加热、压缩的形式，经过加热融化、冷却加固这个过程，形成一整块矩形2.5D编织复合材料。
步骤3：将该矩形2.5D编织复合材料截面区域划分为一个个重复排列的单胞模型。
单胞模型是一个六面体单胞实体模型，由经向纱实体、纬向纱实体、经向增强纱实体和基体紧密贴合在一起组成；
如图7所示，步骤4：根据材料六面体单胞实体模型的截面来确定经向纱、纬向纱和经向增强纱截面形状，最后根据单胞几何参数(经向纱截面、纬向纱截面和经向增强纱截面尺寸和单胞长宽高)通过有限元软件建立单胞纱线实体模型。
步骤5：根据单胞几何参数(单胞模型的长宽高)建立同等大小的六面体实体模型，通过与单胞纱线实体模型布尔运算得到基体实体模型。
基体实体是在由六面体单胞实体基础上，结合经向纱实体模型、纬向纱实体模型和经向增强纱实体模型，进行布尔运算差集得到。
具体建模过程如下：
如图4所示，首先，由材料六面体实体单胞模型截面观察和假设将经向纱和纬向纱截面尺寸假设为一致，将截面形状设为八边形，而经向增强纱截面尺寸为经向纱的1/2。
根据经向纱的纱线排列密度Mi(单位：根/mm)、单胞内同高度经向纱根数Ni、纬向纱的纱线排列密度Mj(单位：根/mm)、单胞内纬向单层纱线对数Nj计算的出单胞的长La和Lb。
然后，根据纤维束密度T(g/m)、纤维束体积密度ρ(g/cm3)、纤维束填充因子ε、复合材料试件的实际厚度Lz(mm)、试件厚度方向上纬纱根数Nh和编织角θ计算得到纱线截面各个参数，至此，单胞各个参数均已完全得到。
根据设计好的浅交弯联纱线轨迹先确定好经向纱和纬向纱的排列方式，经向纱和纬向纱的排列方式为相互垂直铺层排列，第一层沿横向排列5根经向纱线，第二层沿纵向排列5根纬向纱线，经向纱线和纬向纱线各排列五层，相邻两根经向纱线的距离和相邻两根纬向纱线的距离相等，为单胞长度的一半La/2。
经向增强纱的排列轨迹沿着经向纱的方向与纬向纱交叉排列，穿过一根纬向纱线后向下平移两根纬向纱线的高度后再穿过下一根纬向纱线，相邻两根经向增强纱线的走向相同，排列方向为镜像排列。相邻两根经纱间穿插一根经向增强纱，一共加上16根经向增强纱，两个相反方向的各八根。
然后在纱线的排列轨迹上加入经向纱、纬向纱和经向增强纱的截面形状，经向纱、纬向纱和经向增强纱的截面均为八边形。利用建模命令“单轨扫掠”，得到一个5x5x5的一个实体模型。如图3所示，然后通过“切割”命令得到一个单元胞体，切割的标准为单元胞体通过不断的堆叠能够得到整体材料实体模型。然后建立一个和单胞模型长宽高大小相等的长方体，两者通过建模命令“布尔差集”切掉单胞经向纱实体、纬向纱实体和经向增强纱实体得到基体模型。如图8所示。
经向纱截面、纬向纱截面、经向增强纱截面均是根据材料六面体单胞模型扫描截面图像，进一步简化得经向纱和纬向纱截面相同，均为八边形，经向增强纱截面为经向纱和纬向纱截面尺寸的一半，截面形状相等。
如图6所示，具体单胞几何参数、经向纱、纬向纱和经向增强纱截面参数关系如下：
尺寸参数La、Lb、Wa、Wb、Wc计算如下：
根据经向纱纱线排列密度Mi(根/mm)、纬向纱的纱线排列密度Mj(根/mm)、单胞内同高度纬纱根数Ni(浅交弯联结构取3)和单胞内纬向单层经向纱对数Nj(该单胞为1)来分别计算出单胞的长La(mm)和宽Lb(mm)：
Figure BDA0003042382310000061
Figure BDA0003042382310000062
根据纤维束线密度T(g/m)、纤维束体积密度ρ(g/cm3)和纤维束填充因子ε可以得到经向纱截面积Si(cm2)和纬向纱截面积Sj(cm2)：
Figure BDA0003042382310000071
然后根据复合材料的实际厚度Lz、厚度方向上的纬向纱的根数Nh、编织角θ和单胞间的几何关系，如图5所示，计算得到纱线截面参数Wa、Wb、Wc：
Figure BDA0003042382310000072
Figure BDA0003042382310000073
Figure BDA0003042382310000074
联合公式(1-4)，(1-5)，(1-6)可以得到所求变量参数Wa、Wb、Wc。然后根据单胞和截面形状参数，可在三维建模软件中建立出单胞模型。
本发明一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，提供了一种经向增强2.5D浅交弯联编织复合材料单胞模型的建模方法，在能真实模拟2.5D浅交弯联编织复合材料内部结构的同时，能对其材料的有限元分析提供指导。
通过对2.5D浅交弯联编织复合材料内部结构的模拟，包括经向纱、纬向纱和经向增强纱线在空间中的运动轨迹。用纱线截面通过扫描的方式得到整根纱线，通过与真实材料内部结构对比，对模型进行简化，得到一种适用于有限元分析的单胞模型，为此种材料的有限元分析提供简便。

Claims (5)

1.一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，其特征在于，具体按照如下步骤进行：
步骤1：首先确定经向增强的2.5D浅交弯联编织复合材料结构的交织方式，交织纱线包括经向纱、纬向纱和经向增强纱；对设计好的结构进行编织，处理后形成一整块矩形2.5D编织复合材料；
步骤2：将所述复合材料划分为若干重复排列的单胞实体模型，扫描六面体单胞模型得到其截面形状；根据六面体单胞模型的截面纱线形状来确定经向纱截面、纬向纱截面以及经向增强纱截面形状为八边形。
步骤3：按照经向增强浅交弯联纱线轨迹画出经向纱、纬向纱和经向增强纱的纱线轨迹，计算径向纱、纬向纱和经向增强纱的八边形截面尺寸，以计算得到的八边形尺寸为纱线截面形状进行扫描命令得到经向纱、纬向纱和经向增强纱的纱线实体模型；
步骤4：通过计算得到单胞模型的长宽高，以计算得到的单胞长宽高为据在纱线实体模型上截出单胞纱线实体模型；建立与单胞长宽高相等的六面体，通过与单胞纱线实体模型进行布尔运算差集得到基体实体模型，纱线实体模型和基体实体模型相互组合得到整体单胞模型。
2.根据权利要求1所述的一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，其特征在于，步骤1中，所述处理具体为：对编织好的经向增强的2.5D浅交弯联编织复合材料预制件以加热、压缩的形式，经过加热融化、冷却加固这个过程。
3.根据权利要求1所述的一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，其特征在于，步骤2中，所述单胞模型为一个六面体单胞实体模型，由经向纱实体、纬向纱实体、经向增强纱实体和基体单胞模型贴合在一起组成。
4.根据权利要求1所述的一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，其特征在于，步骤3中，为了使模型简化，控制经向纱和纬向纱的纱线截面尺寸相同。
5.根据权利要求1所述的一种2.5D编织复合材料单胞模型的建模方法，其特征在于，所述步骤3和4中的几何参数的具体计算为：
根据单胞纱线交织间的几何关系可得如下公式(1-4)、(1-5)以及(1-6)：
Figure FDA0003042382300000021
Figure FDA0003042382300000022
Figure FDA0003042382300000023
其中：Lz为复合材料的实际厚度，由实际测量得到；Nh为材料厚度方向上纬纱根数。θ为编织角。
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