[发明专利]用于单根造纸纤维特性及动态形变过程的计算机模拟方法

权利要求书

1.一种用于单根造纸纤维特性及动态形变过程的计算机模拟方法，其特征在于，所述的计算机模拟方法包括如下步骤：

S1、获取目标单根造纸纤维的几何参数及材料性能参数，其中，所述的几何参数包括：纤维长度L和纤维直径Φ，所述的材料性能参数包括：纤维粗度c、弹性模量E、泊松比υ以及剪切模量G；

S2、通过单根纤维的纤维长度L和纤维直径Φ建立单根造纸纤维静态模型，所述的单根造纸纤维静态模型为纵向分段的截面离散模型，所有纵向分段的长度总和为纤维长度L，离散点平均分布在截面上，纵向分段的每一段看成截面为圆形的斜柱体，前后两个柱体首尾相连并共用截面；

S3、基于单根造纸纤维静态模型建立质点-弹簧模型：首先通过使用单根造纸纤维静态模型中所有分段横截面的中心点和离散点作为质点-弹簧模型中的质点，再使用弹簧模型连接各个质点，其中，所述的弹簧模型包括结构弹簧ST、剪切弹簧SS和中心弹簧CS；

S4、计算质点-弹簧模型参数：基于单根造纸纤维质点-弹簧模型的拓扑结构及纤维材料性能参数，计算每个截面上的质点质量及每种弹簧的弹性系数；

S5、使用Verlet积分法计算造纸纤维动态形变过程：根据模拟需要对单根造纸纤维质点-弹簧模型中部分或全部质点添加一个或多个外力，所述的外力为重力、拉力或剪切力，再使用基于牛顿第二定律的Verlet积分法对质点-弹簧模型进行求解，获得造纸纤维动态形变模拟结果。

2.根据权利要求1所述的用于单根造纸纤维特性及动态形变过程的计算机模拟方法，其特征在于，所述的步骤S1中几何参数和材料性能参数求解过程如下：

纤维长度L、纤维直径Φ和纤维粗度c通过纤维质量分析仪测量得到；

弹性模量E由如下步骤实验计算获得：(1)利用纤维自重使其悬挂在测量台面一固定质点上，结合材料力学挠曲方程计算纤维柔软度Flex；(2)通过电镜扫描获得纤维截面图形并进行二值化处理，基于二值化处理后得到的图像及截面惯性矩定义计算纤维截面惯性矩I；(3)由材料力学中对柔软度和刚度的定义可知，柔软度Flex为刚度的倒数，刚度等于弹性模量E与截面惯性矩I的乘积，使用计算得到的柔软度Flex和纤维截面惯性矩I反推纤维弹性模量E；

泊松比υ根据现有纸页结构模拟文献取值0.2；

剪切模量G通过E和υ计算得到，公式如下：

3.根据权利要求1所述的用于单根造纸纤维特性及动态形变过程的计算机模拟方法，其特征在于，所述的步骤S2中，将分段数为a的单根造纸纤维静态模型通过a+1个横截面的中心位置P_(i)及平面单位法向量进行表示，其中i＝0,1,2,…,a代表横截面序号，通过上述定义可得，纤维的第i段柱体由序号为i-1和i的横截面定义，P_(i)相对于P_(i-1)的位置由和第i段柱体的长度l_(i)定义，即：

4.根据权利要求1所述的用于单根造纸纤维特性及动态形变过程的计算机模拟方法，其特征在于，所述的步骤S2中建立的单根造纸纤维静态模型的截面为离散点模型，假设横截面被离散为b个顶点，定义p_(i)(j)i＝0,1,2,…,a，j＝1,2,…,b表示第i个横截面上的第j个顶点，其中，序号为0的截面上的离散点可在圆周上等距离地随机选取，后续截面上的点可由前一个截面上的离散点根据截面中心点坐标进行平移，再基于平面法向量的定义进行旋转得到。