[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

说明书

本发明公开了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，步骤包括：(1)通过纤维质量分析仪及相关专利实验方法获取单根造纸纤维的几何及材料性能参数；(2)使用单根纤维的几何参数建立单根造纸纤维的静态模型；(3)基于单根造纸纤维的静态模型建立用于动态模拟的质点‑弹簧模型；(4)基于单根造纸纤维的材料性能计算质点‑弹簧模型的参数；(5)使用Verlet积分法计算各个质点的动态位移过程，从而得到单根造纸纤维整体动态形变过程。该方法简便易行，具有模拟速度快、模拟精度高的特点，可以为后续基于单根纤维性能模拟的纸张动态成型过程模拟，预测纸张性能等研究打下基础。

技术领域

本发明涉及造纸技术领域和计算机模拟仿真领域，具体涉及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。

背景技术

随着生活和科技的进步，人们对各种高品质纸张的要求也在不断提高。造纸企业为了生产符合要求的纸张，根据造纸原料及生产工艺对纸张性能进行预测成为提高产品质量、节约生产成本的重要手段。

纸张是纤维随机组成的网状结构材料，其基本单元单根纤维的特性及纸张抄造过程中纤维的形变是影响纸张性能的重要因素之一。在现有技术中，使用计算机仿真技术实现对单根造纸纤维特性及其形变过程的动态模拟，进而对纸页形成过程的模拟，是预测成纸性能的可行方法，但也存在诸多问题。例如，使用有限元法或离散元法模拟单根造纸纤维及其动态形变过程存在耗时较长的问题；使用刚性杆链、刚性球链等简化模型模拟单根造纸纤维存在准确度较低的问题。

质点-弹簧模型已被广泛运用于纺织物受力过程、医学血管类手术过程等领域的模拟。然而，造纸纤维具有明显区别于纺织纤维和动物血管的特点，其长径比远大于纺织纤维和动物血管，无法直接使用现有文献中介绍的质点-弹簧模型。为了实现准确快速的单根造纸纤维特性及其动态形变过程模拟，参考上述质点-弹簧模型，亟待提出一种新的模拟方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，通过新型质点-弹簧模型提出了一种针对造纸单根纤维特性及动态形变过程的计算机模拟方法，在保证模拟准确度的同时提高了模拟速度，为最终模拟成纸结构并预测成纸性能提供可行性。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

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，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，如重力、拉力、剪切力等，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。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：