CN113987882B - 一种机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法。该方法包括：构建初始理想松散织物单胞模型；利用有限元软件对初始理想松散织物单胞模型进行升降温和压实处理，得到压实织物模型；识别压实织物模型，得到每根虚拟纱线中每段虚拟纱线两端截面的节点信息；基于每段虚拟纱线两端截面的节点信息，确定每根虚拟纱线的路径信息；基于每段虚拟纱线两端截面的节点信息，确定每根虚拟纱线每个截面的截面外轮廓信息；基于每根虚拟纱线的路径信息和每根虚拟纱线每个截面的截面外轮廓信息，得到TexGen软件的输入文件，以利用TexGen软件生成机织复合材料细观纱线结构的精细化模型。本方案能够提供精细化的细观几何模型。

Description

一种机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法

技术领域

本发明涉及数字建模技术领域，尤其涉及一种机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法。

背景技术

三维机织复合材料是先利用机织技术将纤维丝束根据一定的交织规律织造成所需的织物(预制体)，再用基体进行浸渍固化后形成复合材料。三维机织复合材料具有抗分层能力强、工艺简单、生产成本低、力学性能高、可设计性强等优异的性能，是航空航天发动机叶片、天线罩等关键部位的理想材料。三维机织复合材料的力学性能主要与内部细观几何结构有关，因此有必要建立机织复合材料的细观分析方法。由于机织复合材料的细观几何结构具有一定的周期性，目前常通过建立细观尺度代表性体积单胞来分析其力学性能。三维机织复合材料细观尺度单胞由纱线和基体构成，其中纱线由纤维丝束和渗入纤维间的基体组成。然而由于纤维丝束间在织造过程中会发生相互挤压变形，导致三维机织复合材料的细观纱线具有复杂的几何形状。在以往的建模研究工作中，会对细观纱线的截面、路径进行一定的理想假设，但真实的细观纱线的截面是随路径动态变化的，理想假设往往会与真实结构有一定的差距，因此为了能够更加真实的反映机织复合材料的细观纱线结构，需要在建模时充分考虑织物的变形。

对于机织复合材料的细观建模，通常的方法是基于扫描电镜、光学显微镜和Micro-CT扫描结果，对纱线进行一定的截面、路径假设，从而通过参数化的方式创建机织复合材料细观结构理想模型。但理想几何建模方法多用于低纤维体积含量的机织复合材料，当纤维体积含量较高时，由于纱线间的相互挤压变形会导致纱线具有不同的波纹度且纱线截面存在一定的非对称性和扭转。理想几何模型所假设的规则纱线形态、轨迹与真实模型差距较大，甚至纱线几何模型会出现一定的干涉，无法满足力学性能分析的需要。

因此，目前亟待需要一种机织复合材料细观纱线结构的建模方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供了一种机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法，能够为机织复合材料的力学性能分析提供一个精细化的细观几何模型。

本发明实施例提供了一种机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法，包括：

步骤一、构建初始理想松散织物单胞模型；其中，所述初始理想松散织物单胞模型包括若干根虚拟纱线，所述虚拟纱线包括虚拟经纱和虚拟纬纱，每根所述虚拟纱线被分割为多段；

步骤二、利用有限元软件对所述初始理想松散织物单胞模型进行升降温和压实处理，得到压实织物模型；

步骤三、识别所述压实织物模型，得到每根虚拟纱线中每段所述虚拟纱线两端截面的节点信息；

步骤四、基于每段所述虚拟纱线两端截面的节点信息，确定每根虚拟纱线的路径信息；

步骤五、基于每段所述虚拟纱线两端截面的节点信息，确定每根所述虚拟纱线每个截面的截面外轮廓信息；

步骤六、基于每根虚拟纱线的路径信息和每根所述虚拟纱线每个截面的截面外轮廓信息，得到TexGen软件的输入文件，以利用TexGen软件生成机织复合材料细观纱线结构的精细化模型。

在一种可能的设计中，所述步骤一，包括：

在有限元软件中，输入机织复合材料的初始化参数；其中，所述初始化参数包括虚拟纱线密度、每根虚拟纱线分割的段数、虚拟纱线包括虚拟纤维丝束的数量、真实纱线包括真实纤维丝束的数量和真实纱线中纤维丝束的半径；

基于所述初始化参数，构建初始理想松散织物单胞模型。

在一种可能的设计中，所述步骤二，包括：

基于所述初始理想松散织物单胞模型中虚拟经纱和虚拟纬纱的变形模式，确定所述虚拟经纱和所述虚拟纬纱的升降温方式；

基于确定出的升降温方式，对所述虚拟经纱和所述虚拟纬纱进行升降温处理，得到类编织后的织物模型；

将所述类编织后的织物模型压缩至预设厚度，得到压实织物模型。

在一种可能的设计中，所述步骤三，包括：

识别所述压实织物模型，基于所述初始化参数包括的虚拟纱线分割的段数，得到每根虚拟纱线中每段所述虚拟纱线两端截面的节点信息。

在一种可能的设计中，所述步骤四，包括：

基于所述虚拟纱线每个截面的节点信息，确定当前截面的主节点；

将确定出的所有主节点利用周期性样条曲线连接；

将所述样条曲线在每个主节点处的切线方向作为该主节点的路径信息。

在一种可能的设计中，所述基于所述虚拟纱线每个截面的节点信息，确定当前截面的主节点，包括：

将所述虚拟纱线每个截面的所有节点的形心作为当前截面的主节点。

在一种可能的设计中，所述步骤五，包括：

将所述虚拟纱线每个截面的所有节点映射到当前截面所在的局部坐标系上，得到所述虚拟纱线每个截面的所有节点的一维单元节点；

基于虚拟纱线包括虚拟纤维丝束的数量、真实纱线包括真实纤维丝束的数量和真实纱线中纤维丝束的半径，确定虚拟纱线中纤维丝束的半径；

以所述一维单元节点为圆心，所述虚拟纱线中纤维丝束的半径为半径，在所述一维单元节点的周围增加预设数量的节点；

利用Alpha-shapes算法提取当前截面的截面轮廓点，并对所述截面轮廓点按照预设顺序进行编号，得到当前截面的截面外轮廓信息。

由上述方案可知，本发明提供的建模方法避免了对模型进行一定的假设，可数字化实现，不需要通过扫描试样去建模。同时，该方法可自动且准确地从织物仿真分析的压实织物模型的节点信息中提取出细观纱线的路径信息和截面外轮廓信息，并最终几何重构出了与真实机织复合材料近乎相同的周期性细观纱线结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以基于这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一个实施例提供的机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的初始理想松散织物单胞模型、类编织后的织物模型、压实过程中的织物模型和压实织物模型的示意图；

图3为本发明一个实施例提供的虚拟纱线所有截面的节点信息的示意图；

图4为本发明一个实施例提供的平面坐标变换的原理示意图；

图5为本发明一个实施例提供的不同截面的截面信息的示意图；

图6为本发明一个实施例提供的TexGen软件的输入文件对应的虚拟纱线的示意图；

图7为本发明一个实施例提供的机织复合材料细观纱线结构的精细化模型的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

相关技术中，织物仿真技术是通过数值方法来模拟织物的织造过程，从而确定织物的微观几何形态。该技术通过将纤维丝束假设为由一维微小的杆或梁单元构成的虚拟纤维柔性链，若干根虚拟纤维链汇集成虚拟纤维纱线，虚拟纤维纱线按织物交织规律排列成疏松的初始理想拓扑三维机织物结构，通过施加纱线张力、纱线间的相互作用来模拟织物的成型过程，最终得到较真实的三维机织物虚拟纤维模型。然而，所生成的织物虚拟纤维模型是由一系列相互连接的杆或梁单元组成，该模型并不能直接用于复合材料的力学性能分析，因为在细观尺度下，纱线需要定义为实体几何，因此需要从织物虚拟纤维模型中准确提取出纱线的路径信息和截面信息等，这就需要发展一定的数据处理技术，以保证所建模型的准确性。

为了保证所建模型的准确性，本发明实施例提供了一种机织复合材料细观纱线结构的建模方法。

图1为本发明一个实施例提供的机织复合材料细观纱线结构的建模方法的流程示意图。请参阅图1，该方法包括：

步骤一、构建初始理想松散织物单胞模型；其中，初始理想松散织物单胞模型包括若干根虚拟纱线，虚拟纱线包括虚拟经纱和虚拟纬纱，每根虚拟纱线被分割为多段；

步骤二、利用有限元软件对初始理想松散织物单胞模型进行升降温和压实处理，得到压实织物模型；

步骤三、识别压实织物模型，得到每根虚拟纱线中每段虚拟纱线两端截面的节点信息；

步骤四、基于每段虚拟纱线两端截面的节点信息，确定每根虚拟纱线的路径信息；

步骤五、基于每段虚拟纱线两端截面的节点信息，确定每根虚拟纱线每个截面的截面外轮廓信息；

步骤六、基于每根虚拟纱线的路径信息和每根虚拟纱线每个截面的截面外轮廓信息，得到TexGen软件的输入文件，以利用TexGen软件生成机织复合材料细观纱线结构的精细化模型。

在本发明实施例中，本发明提供的建模方法避免了对模型进行一定的假设，可数字化实现，不需要通过扫描试样去建模。同时，该方法可自动且准确地从织物仿真分析的压实织物模型的节点信息中提取出细观纱线的路径信息和截面外轮廓信息，并最终几何重构出了与真实机织复合材料近乎相同的周期性细观纱线结构。

下面针对上述步骤分别进行阐述。

针对步骤一：

在一些实施方式中，步骤一，包括：

在有限元软件中，输入机织复合材料的初始化参数；其中，初始化参数包括虚拟纱线密度、每根虚拟纱线分割的段数、虚拟纱线包括虚拟纤维丝束的数量、真实纱线包括真实纤维丝束的数量和真实纱线中纤维丝束的半径；

基于初始化参数，构建初始理想松散织物单胞模型。

在本实施例中，根据织物编织结构参数(即初始化参数)，生成一个由虚拟纤维(杆单元)构成的初始理想松散织物单胞模型。初始松散织物单胞模型中每根虚拟纤维的位置根据织物的结构参数来计算。以一三斜纹机织复合材料为例，假设纬纱为直线，经纱路径可由公式(1)确定，纱线截面设为圆形。需要注意的是，纱线间需留有一个小的空隙，以确保纱线间互不相交。

其中，H为纱线的高度，L为纱线的宽度。在本发明中，结合有限元ABAQUS软件，使用Python语言编写一个脚本即可建立上述初始松散织物模型。

针对步骤二：

在一些实施方式中，步骤二，包括：

基于初始理想松散织物单胞模型中虚拟经纱和虚拟纬纱的变形模式，确定虚拟经纱和虚拟纬纱的升降温方式；

基于确定出的升降温方式，对虚拟经纱和虚拟纬纱进行升降温处理，得到类编织后的织物模型；

将类编织后的织物模型压缩至预设厚度，得到压实织物模型。

在本实施例中，在初始松散织物单胞模型建好后，基于显式动力学方法，利用有限元ABAQUS软件来模拟机织物的压实仿真成型过程，如图2所示。根据显示动力学理论设置分析步，首先对经纱和纬纱施加温度荷载来控制制造过程中纱线张力的大小，在实际纺织过程中，经纱是在一定预紧力下从曲线变为直线的过程，而纬纱是从直线变成曲线的过程，因此需要对纬纱升温、经纱降温来模拟纺织过程。在得到制造后的织物模型的基础上，通过两块刚性板将其压缩至最终复合材料的厚度，即可生成最终的压实织物模型。

需要理解的是，在织物仿真成型过程中，当相邻虚拟纤维间的距离小于其直径时，单元发生接触，因此，在建模时应采用接触单元。另外，为了使压实后的单胞织物模型能够代表整个织物的形态，需对同一根虚拟纤维两端施加周期性约束，此过程可通过多点约束方程(MPC)来实现。

针对步骤三：

在一些实施方式中，步骤三，包括：

识别压实织物模型，基于初始化参数包括的虚拟纱线分割的段数，得到若干根虚拟纱线中每段虚拟纱线两端截面的节点信息。

在本实施例中，从仿真模拟得到的压实织物单胞模型中识别并提取每根虚拟纱线的节点信息，并以纱线为单位进行节点分类，将每根纱线有规律地划分为一定数量的节点数据集合，如图3所示。

针对步骤四：

在一些实施方式中，步骤四，包括：

基于虚拟纱线每个截面的节点信息，确定当前截面的主节点；

将确定出的所有主节点利用周期性样条曲线连接；

将样条曲线在每个主节点处的切线方向作为该主节点的路径信息。

在一些实施方式中，基于虚拟纱线每个截面的节点信息，确定当前截面的主节点，包括：

将虚拟纱线每个截面的所有节点的形心作为当前截面的主节点。

在本实施例中，纱线的路径由纱线主节点和主节点处路径方向确定。将纱线每个截面的节点集形心作为每根纱线主节点，将这些主节点用周期性样条曲线连接，取样条曲线在主节点处的切线作为主节点处路径方向。

针对步骤五：

在一些实施方式中，步骤五，包括：

将虚拟纱线每个截面的所有节点映射到当前截面所在的局部坐标系上，得到虚拟纱线每个截面的所有节点的一维单元节点；

基于虚拟纱线包括虚拟纤维丝束的数量、真实纱线包括真实纤维丝束的数量和真实纱线中纤维丝束的半径，确定虚拟纱线中纤维丝束的半径；

以一维单元节点为圆心，虚拟纱线中纤维丝束的半径为半径，在一维单元节点的周围增加预设数量的节点；

利用Alpha-shapes算法提取当前截面的截面轮廓点，并对截面轮廓点按照预设顺序进行编号，得到当前截面的截面外轮廓信息。

在本实施例中，纱线的截面是指纱线主节点处横截面的多边形轮廓，在本发明中，纱线截面外轮廓点被局部定义为垂直于纱线主节点切线的指定平面上的二维离散点，因此需将纱线截面节点集映射到指定的平面上(即当前截面所在的局部坐标系上)，以得到纱线的截面形状。平面坐标变换见图4和公式(2)。

其中，X′(u)，Y′(u)，S′(u)为局部坐标系下的三个轴向量；U为整体坐标系下的Z轴。

基于这些平面投影点，可采用下述方法提取截面外轮廓点。由于映射到平面上的单元节点集只是虚拟纤维的一维单元点集，未能体现出虚拟纤维的半径信息。本发明将在每个单元节点周围以单元节点为圆心，虚拟纤维半径为半径平均增加12个节点，并在此基础上寻找截面外轮廓点。Alpha-shapes算法可以用来从一堆无序的点集中提取边缘。Alpha-shapes的原理可以想象成一个半径为α的圆在点集外滚动，当α足够大时，其滚动的轨迹就是这个点集的边界线。图5为Alpha-shapes算法应用于压实织物模型生成的不同截面形状提取的轮廓。利用Alpha-shapes算法精确地提取各种纱线截面形状的多边形轮廓，有效地解决了纱线间的干涉问题。

在本发明中，当选取的α为虚拟纤维半径的8～20倍时，Alpha-shapes面对各种截面形状都取得了很好的结果。需要注意的是，同一纱线内每个截面必须有相同数量、较均匀分布的截面轮廓点，并且截面间轮廓点需要一一对应。本发明以Alpha-shapes算法提取的截面轮廓点为控制点，用NURBS曲线进行拟合，通过曲线周长平均获得新的相同数量、较均匀分布的截面轮廓点。通过寻找同一纱线内同一位置的截面轮廓点，并将其作为初始外轮廓编号，从而保证同一纱线内截面间轮廓点能够一一对应，如图6所示。

需要说明的是，通过曲线周长平均获得新的相同数量、较均匀分布的截面轮廓点，如此才能通过TexGen软件获得精细化模型。

需要进一步说明的是，理论上讲，当用每一根虚拟纤维来表示纱线中每一根真实纤维时所得到的计算结果更准确，然而每束纱线中纤维数量较大，所产生的计算量也较大。研究人员发现每束纱线用19-91根虚拟纤维能够有效的表示纱线横截面积。由于更关心的是织物形态，本发明采用51根虚拟纤维，每根虚拟纤维半径由纱线规格确定，通过公式(3)确定虚拟纱线中纤维丝束的半径：

其中，N是真实纱线包括真实纤维丝束的数量，n为虚拟纱线包括虚拟纤维丝束的数量，r₀为真实纱线中纤维丝束的半径。

针对步骤六：

基于获得的纱线路径信息和截面外轮廓信息，对这些节点信息经过一定顺序的排列，通过Python编程可以得到TexGen软件的输入文件，生成三维机织复合材料精细化模型，如图7所示。

将织物仿真模拟得到的经纱和纬纱截面信息与Micro-CT扫描后获得的截面信息进行比较，通过对比纱线截面的大小和纱线路径，可以看出采用织物仿真模拟得到的纱线截面尺寸和形态和真实试件的Micro-CT扫描结果较为吻合，说明该模拟结果可以有效地描述纱线的形态和走向。另外，该方法同样适用于其他不同类型的机织复合材料。

综上，本发明提供的建模方法避免了对模型进行一定的假设，可数字化实现，不需要通过扫描试样去建模。同时，该方法可自动且准确地从织物仿真分析的压实织物模型的节点信息中提取出细观纱线的路径信息和截面外轮廓信息，并最终几何重构出了与真实机织复合材料近乎相同的周期性细观纱线结构。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法，其特征在于，包括：

步骤一、构建初始理想松散织物单胞模型；其中，所述初始理想松散织物单胞模型包括若干根虚拟纱线，所述虚拟纱线包括虚拟经纱和虚拟纬纱，每根所述虚拟纱线被分割为多段；

步骤二、利用有限元软件对所述初始理想松散织物单胞模型进行升降温和压实处理，得到压实织物模型；

步骤三、识别所述压实织物模型，得到每根虚拟纱线中每段所述虚拟纱线两端截面的节点信息；

步骤四、基于每段所述虚拟纱线两端截面的节点信息，确定每根虚拟纱线的路径信息；

步骤五、基于每段所述虚拟纱线两端截面的节点信息，确定每根所述虚拟纱线每个截面的截面外轮廓信息；

步骤六、基于每根虚拟纱线的路径信息和每根所述虚拟纱线每个截面的截面外轮廓信息，得到TexGen软件的输入文件，以利用TexGen软件生成机织复合材料细观纱线结构的精细化模型；

所述步骤一，包括：

在有限元软件中，输入机织复合材料的初始化参数；其中，所述初始化参数包括虚拟纱线密度、每根虚拟纱线分割的段数、虚拟纱线包括虚拟纤维丝束的数量、真实纱线包括真实纤维丝束的数量和真实纱线中纤维丝束的半径；

基于所述初始化参数，构建初始理想松散织物单胞模型；

所述步骤二，包括：

基于所述初始理想松散织物单胞模型中虚拟经纱和虚拟纬纱的变形模式，确定所述虚拟经纱和所述虚拟纬纱的升降温方式；

基于确定出的升降温方式，对所述虚拟经纱和所述虚拟纬纱进行升降温处理，得到类编织后的织物模型；

将所述类编织后的织物模型压缩至预设厚度，得到压实织物模型；

所述步骤三，包括：

识别所述压实织物模型，基于所述初始化参数包括的虚拟纱线分割的段数，得到每根虚拟纱线中每段所述虚拟纱线两端截面的节点信息；

所述步骤四，包括：

基于所述虚拟纱线每个截面的节点信息，确定当前截面的主节点；

将确定出的所有主节点利用周期性样条曲线连接；

将所述样条曲线在每个主节点处的切线方向作为该主节点的路径信息；

所述基于所述虚拟纱线每个截面的节点信息，确定当前截面的主节点，包括：

将所述虚拟纱线每个截面的所有节点的形心作为当前截面的主节点；

所述步骤五，包括：

将所述虚拟纱线每个截面的所有节点映射到当前截面所在的局部坐标系上，得到所述虚拟纱线每个截面的所有节点的一维单元节点；

基于虚拟纱线包括虚拟纤维丝束的数量、真实纱线包括真实纤维丝束的数量和真实纱线中纤维丝束的半径，确定虚拟纱线中纤维丝束的半径；

以所述一维单元节点为圆心，所述虚拟纱线中纤维丝束的半径为半径，在所述一维单元节点的周围增加预设数量的节点；

利用Alpha-shapes算法提取当前截面的截面轮廓点，并对所述截面轮廓点按照预设顺序进行编号，得到当前截面的截面外轮廓信息。