CN116976127A - 一种3d机织复合材料参数化建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建模分析技术领域，具体涉及一种3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，为解决传统的手工建模方法需要大量的时间和经验，并且难以满足设计变化的需求的技术问题。该方法包括S1,获取纱线中纤维的直径；S2,获取纱线的截面积；S3,计算经纱的宽度和高度；S4,计算z向纱的宽度和高度；S5,计算纬纱的宽度和高度；S6,模拟外层纬纱的路径；S7,确定z向纱的路径函数；S8,确定纬纱截面能偏移的最大范围；S9,确定纬纱路径偏移量；S10,确定经纱路径偏移量；S11，根据S1‑S11的数据建立完整的参数化模型。通过参数化建模方法，可以快速、准确地生成3D机织复合材料模型。

Description

一种3D机织复合材料参数化建模的方法

技术领域

本发明涉及建模分析技术领域，尤其涉及一种3D机织复合材料参数化建模的方法。

背景技术

3D机织复合材料是一种新兴的高性能材料，由于其优异的力学性能和轻质化特性在航空、航天、汽车、运动器材等领域得到了广泛应用。然而，对于3D机织复合材料的建模和分析仍然存在困难，传统的手工建模方法需要大量的时间和经验，并且难以满足设计变化的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种3D机织复合材料参数化建模的方法，以解决传统的手工建模方法需要大量的时间和经验，并且难以满足设计变化的需求的技术问题。

基于上述目的，本发明提供了一种3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，包括

S1,获取纱线中纤维的直径；

S2,获取纱线的截面积；

S3,计算经纱的宽度和高度；

S4,计算z向纱的宽度和高度；

S5,计算纬纱的宽度和高度；

S6,模拟外层纬纱的路径；

S7,确定z向纱的路径函数；

S8,确定纬纱截面能偏移的最大范围；

S9,确定纬纱路径偏移量；

S10,确定经纱路径偏移量；

S11，根据S1-S11的数据建立完整的参数化模型。

作为本申请的进一步改进，所述获取纱线中纤维的直径，包括

其中，为纱线中纤维的直径，i表示纱线的种类，j、w和z分别表示经纱、纬纱和z向纱，Y_i为纤度，n_i为每根纱线所含的纤维数，ρ_i为纱线的密度。

作为本申请的进一步改进，所述获取纱线的截面积，包括根据编织参数和计算已得的纤维直径计算纱线的截面积：

P_d为纱线的纤维体积分数。

作为本申请的进一步改进，所述计算经纱的宽度和高度，包括

所述经纱分为内部的内部经纱和在外部的外部经纱，内部经纱截面形状为矩形，外部经纱截面形状为半椭圆形，由于z向纱的挤压影响，外部的经纱截面形状会发生改变，截面形状为半椭圆形，外部经纱的宽度与内层一致，其高度变为原先的4/π：

w_j＝a_j-w_z；

其中，上标in表示内层，上标out表示外层，w_j和为经纱的宽度和内部经纱的高度，a_j为经纱间距，/>为经纱横截面积。

作为本申请的进一步改进，所述计算z向纱的宽度和高度，包括

z向纱的截面形状为椭圆形：

t_z＝ηn_z；

w_z和t_z为z向纱宽度和高度，为z向纱横截面积，η为比例系数，可根据不同参数下编织复合材料的纱线尺寸确定，η取6.7443×10^-5。

作为本申请的进一步改进，所述计算纬纱的宽度和高度，包括

内部纬纱截面为椭圆形，外部纬纱截面为半椭圆形，所以纬纱内层和外层截面的宽和高需要分别计算：

w_w＝a_w-t_z；

w_w和为纬纱的宽度和内层纬纱的高度，/>为纬纱的横截面积，a_w为纬纱间距。

由于z向纱的挤压影响，外部的纬纱截面形状会发生改变，将截面形状定义为半椭圆形，内外层纱线截面宽度保持一致，若内层纬纱截面为矩形，则外部纬纱高度变为原先的4/π，若内部纬纱截面为椭圆形，则高度与内部纬纱保持一致。本实例中展示的内部纬纱截面形状为椭圆形。

作为本申请的进一步改进，所述模拟外层纬纱的路径，包括

经纱和内层纬纱路径为直线，采用三角函数来模拟外层纬纱的路径，

其中，为外层经纱的高度，/>外层纬纱的高度，a_j为经纱间距。

作为本申请的进一步改进，所述确定z向纱的路径函数，

一个周期内的四个切点横坐标的位置为x₁、x₂、x₃和x₄，转折处其函数C⁰、C¹连续，在转折点处满足方程：

α的值通过求两个半椭圆圆弧的公切线得到；

z向纱路径在坐标系下一个周期内的表示函数为：

其中，N_i表示纱线的层数，t_i表示纱线的高度，上标in表示内层纱线，out表示外层纱线，w_i表示纱线的宽度，a_i表示纱线的间距，其中下标i表示纱线的种类，j、w和z分别表示经纱、纬纱和z向纱。

作为本申请的进一步改进，所述确定纬纱截面能偏移的最大范围：

最大偏移量δ₀为

其中，

偏移量为：

Δz为纬纱截面中心离厚度中面的距离，a_w表示纬纱间距，w_w为纬纱宽度，为内层纬纱高度，t_z为z向纱高度。

作为本申请的进一步改进，所述确定纬纱路径偏移量，

纬纱路径在实际结构中并非平直的状态，对纬纱路径施加一定扰动，使其在一个周期内的路径由一条直线变为周期函数，通过改变曲线与直线的最大夹角来控制其扰动幅度，其扰动幅度同样和纬纱截面的偏移量有关，纬纱的截面中心离厚度中面的距离为Δz，路径函数是一个周期长度为2a_j，幅值为δ的三角函数：

此时这段曲线与直线的最大夹角θ为：

其中，a_j为经纱间距。

所述确定经纱路径偏移量

经纱路径存在一定的弯曲幅度，将经纱的路径模拟为一条三角函数曲线来表征其弯曲的程度；经纱可偏移量ζ₀的理论最大值为：

ζ₀＝a_j-w_j；

w_j为经纱宽度。

设经纱路径函数的幅值为ζ，其路径函数是一个周期长度为2a_w，幅值为ζ的三角函数：

此时这段曲线与直线的最大夹角β为：

其中a_w为纬纱间距。

本发明的有益效果：通过参数化建模方法，可以快速、准确地生成3D机织复合材料模型。3D机织复合材料单胞模型的单胞尺寸、纱线的截面形状、纱线的路径以及纱线的弯曲程度等重要参数可以通过改变输入参数来进行控制，从而快速生成不同形状和尺寸的材料模型，提高了建模的效率，并且模型结构更接近实际结构。提高了设计的效率和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例3D机织复合材料单胞参数化建模示意图；

图2为本发明实施例外部纬纱路径和外部经纱横截面的CT扫描示意图；

图3为本发明实施例公式所表示的路径函数图；

图4为本发明实施例公式生成的纬纱路径示意图；

图5为本发明实施例外部纬纱路径和经纱横截面参数化建模z向纱显示后的示意图；

图6为本发明实施例经纱路径和纬纱截面形状和纬纱偏移参数化建模示意图；

图7为本发明实施例z向纱线路径模拟示意图；

图8为本发明实施例z向纱路径参数化建模示意图；

图9为本发明实施例纬纱截面偏移示意图；

图10为本发明实施例纬纱参数化建模示意图；

图11为本发明实施例纬纱路径偏移参数化建模示意图；

图12为本发明实施例经纱路径偏移参数化建模示意图；

图13为本发明实施例纬纱路径曲线模拟示意图；

图14为本发明实施例经纱路径曲线模拟示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1-图5所示，一种3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，包括

S1,获取纱线中纤维的直径；包括

其中，为纱线中纤维的直径，i表示纱线的种类，j、w和z分别表示经纱、纬纱和z向纱，Y_i为纤度，n_i为每根纱线所含的纤维数，ρ_i为纱线的密度。

S2,获取纱线的截面积，包括根据编织参数和计算已得的纤维直径计算纱线的截面积：

P_d为纱线的纤维体积分数。

S3,计算经纱的宽度和高度，包括

所述经纱分为内部的内部经纱和在外部的外部经纱，内部经纱截面形状为矩形，外部经纱截面形状为半椭圆形，由于z向纱的挤压影响，外部的经纱截面形状会发生改变，截面形状为半椭圆形，外部经纱的宽度与内层一致，其高度变为原先的4/π：

w_j＝a_j-w_z；

其中，上标in表示内层，上标out表示外层，w_j和为经纱的宽度和内部经纱的高度，a_j为经纱间距，/>为经纱横截面积。

S4,计算z向纱的宽度和高度；包括

z向纱的截面形状为椭圆形：

t_z＝ηn_z；

w_z和t_z为z向纱宽度和高度，为z向纱横截面积，η取6.7443×10^-5。

S5,计算纬纱的宽度和高度，包括

内部纬纱截面为椭圆形，外部纬纱截面为半椭圆形，所以纬纱内层和外层截面的宽和高需要分别计算：

w_w＝a_w-t_z；

w_w和为纬纱的宽度和内层纬纱的高度，/>为纬纱的横截面积，a_w为纬纱间距。

由于z向纱的挤压影响，外部的纬纱截面形状会发生改变，将截面形状定义为半椭圆形，内外层纱线截面宽度保持一致，若内层纬纱截面为矩形，则外部纬纱高度变为原先的4/π，若内部纬纱截面为椭圆形，则高度与内部纬纱保持一致。本实例中展示的内部纬纱截面形状为椭圆形。

S6,模拟外层纬纱的路径，包括

经纱和内层纬纱路径为直线，采用三角函数来模拟外层纬纱的路径，

其中，为外层经纱的高度，/>外层纬纱的高度，a_j为经纱间距。

S7,确定z向纱的路径函数，

一个周期内的四个切点横坐标的位置为x₁、x₂、x₃和x₄，转折处其函数C⁰、C¹连续，在转折点处满足方程：

α的值通过求两个半椭圆圆弧的公切线得到；

z向纱路径在坐标系下一个周期内的表示函数为：

其中，N_i表示纱线的层数，t_i表示纱线的高度，上标in表示内层纱线，out表示外层纱线，w_i表示纱线的宽度，a_i表示纱线的间距，其中下标i表示纱线的种类，j、w和z分别表示经纱、纬纱和z向纱。

S8,确定纬纱截面能偏移的最大范围，最大偏移量δ₀为

其中，

偏移量为：

Δz为纬纱截面中心离厚度中面的距离，a_w表示纬纱间距，w_w为纬纱宽度，为内层纬纱高度，t_z为z向纱高度。

S9,确定纬纱路径偏移量，纬纱路径在实际结构中并非平直的状态，对纬纱路径施加一定扰动，使其在一个周期内的路径由一条直线变为周期函数，通过改变曲线与直线的最大夹角来控制其扰动幅度，其扰动幅度同样和纬纱截面的偏移量有关，纬纱的截面中心离厚度中面的距离为Δz，路径函数是一个周期长度为2a_j，幅值为δ的三角函数：

此时这段曲线与直线的最大夹角θ为：

其中，a_j为经纱间距。

S10,确定经纱路径偏移量，经纱路径存在一定的弯曲幅度，将经纱的路径模拟为一条三角函数曲线来表征其弯曲的程度；经纱可偏移量ζ₀的理论最大值为：

ζ₀＝a_j-w_j；w_j为经纱宽度。

设经纱路径函数的幅值为ζ，其路径函数是一个周期长度为2a_w，幅值为ζ的三角函数：

此时这段曲线与直线的最大夹角β为：

其中a_w为纬纱间距。

S11，根据S1-S11的数据建立完整的参数化模型。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，包括

S1,获取纱线中纤维的直径；

S2,获取纱线的截面积；

S3,计算经纱的宽度和高度；

S4,计算z向纱的宽度和高度；

S5,计算纬纱的宽度和高度；

S6,模拟外层纬纱的路径；

S7,确定z向纱的路径函数；

S8,确定纬纱截面能偏移的最大范围；

S9,确定纬纱路径偏移量；

S10,确定经纱路径偏移量；

S11，根据S1-S11的数据建立完整的参数化模型。

2.根据权利要求1所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述获取纱线中纤维的直径，包括

其中，为纱线中纤维的直径，i表示纱线的种类，j、w和z分别表示经纱、纬纱和z向纱，Y_i为纤度，n_i为每根纱线所含的纤维数，ρ_i为纱线的密度。

3.根据权利要求2所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述获取纱线的截面积，包括根据编织参数和计算已得的纤维直径计算纱线的截面积：

P_d为纱线的纤维体积分数。

4.根据权利要求3所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述计算经纱的宽度和高度，包括

所述经纱分为内部的内部经纱和在外部的外部经纱，内部经纱截面形状为矩形，外部经纱截面形状为半椭圆形，由于z向纱的挤压影响，外部的经纱截面形状会发生改变，截面形状为半椭圆形，外部经纱的宽度与内层一致，其高度变为原先的4/π：

w_j＝a_j-w_z；

其中，上标in表示内层，上标out表示外层，w_j和为经纱的宽度和内部经纱的高度，a_j为经纱间距，/>为经纱横截面积。

5.根据权利要求4所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述计算z向纱的宽度和高度，包括

z向纱的截面形状为椭圆形：

t_z＝ηn_z；

w_z和t_z为z向纱宽度和高度，为z向纱横截面积，η为比例系数，η取6.7443×10^-5。

6.根据权利要求4所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述计算纬纱的宽度和高度，包括

内部纬纱截面为椭圆形，外部纬纱截面为半椭圆形，所以纬纱内层和外层截面的宽和高需要分别计算：

w_w＝a_w-t_z；

w_w和为纬纱的宽度和内层纬纱的高度，/>为纬纱的横截面积，a_w为纬纱间距；

内外层纱线截面宽度保持一致，若内层纬纱截面为矩形，则外部纬纱高度变为原先的4/π，若内部纬纱截面为椭圆形，则高度与内部纬纱保持一致。

7.根据权利要求1所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述模拟外层纬纱的路径，包括

经纱和内层纬纱路径为直线，采用三角函数来模拟外层纬纱的路径，

其中，为外层经纱的高度，/>外层纬纱的高度，a_j为经纱间距。

8.根据权利要求1所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述确定z向纱的路径函数，

一个周期内的四个切点横坐标的位置为x₁、x₂、x₃和x₄，转折处其函数C⁰、C¹连续，在转折点处满足方程：

α的值通过求两个半椭圆圆弧的公切线得到；

z向纱路径在坐标系下一个周期内的表示函数为：

其中，N_i表示纱线的层数，t_i表示纱线的高度，上标in表示内层纱线，out表示外层纱线，w_i表示纱线的宽度，a_i表示纱线的间距，其中下标i表示纱线的种类。

9.根据权利要求1所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述确定纬纱截面能偏移的最大范围：

最大偏移量δ₀为

其中，

偏移量为：

Δz为纬纱截面中心离厚度中面的距离，a_w表示纬纱间距，w_w为纬纱宽度，为内层纬纱高度，t_z为z向纱高度。

10.根据权利要求9所述的3D机织复合材料单胞参数化建模设计方法，其特征在于，所述确定纬纱路径偏移量，

纬纱路径在实际结构中并非平直的状态，对纬纱路径施加一定扰动，使其在一个周期内的路径由一条直线变为周期函数，通过改变曲线与直线的最大夹角来控制其扰动幅度，其扰动幅度同样和纬纱截面的偏移量有关，纬纱的截面中心离厚度中面的距离为Δz，路径函数是一个周期长度为2a_j，幅值为δ的三角函数：

此时这段曲线与直线的最大夹角θ为：

其中，a_j为经纱间距；

所述确定经纱路径偏移量

经纱路径存在一定的弯曲幅度，将经纱的路径模拟为一条三角函数曲线来表征其弯曲的程度；经纱可偏移量ζ₀的理论最大值为：

ζ₀＝a_j-w_j；

w_j为经纱宽度；

设经纱路径函数的幅值为ζ，其路径函数是一个周期长度为2a_w，幅值为ζ的三角函数：

此时这段曲线与直线的最大夹角β为：

其中a_w为纬纱间距。