[发明专利]一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法

说明书

本发明涉及一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，属于织物建模领域，包括S1：通过研究三维正交织物组织结构关键点位置，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构；S2：在时域中对三维正交织物的织造行为进行模拟，建立5个精度递进的变截面单胞模型，其中每个模型的纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维组成；S3：通过实验对比分析，揭示纱线纤维化离散程度对仿真时间、织物厚度、渗透率和纱线空间构型的影响规律。本发明能达到模拟和预测实际织物内部微观几何结构的作用，可为后续研究以其为增强结构相的复合材料力学性能奠定良好的理论基础。

技术领域

本发明属于织物建模领域，涉及一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法。

背景技术

目前已有众多学者应用多种建模软件对不同三维织物进行了细观结构建模，从理论上分析了织物的细观结构。王旭等通过3ds Max软件基于曲线控制点的纱线轴线生成方法，结合截面曲线放样技术建立了三维细观模型；陈振等在TexGen软件建模中，将纱线假定为连续实体，虽然仿真模型几何结构与真实织物图像对比有较高的拟合度，但并不能完全反应真实的纱线形态。

上述建模方法较为真实地反映了三维织物细观几何结构，然而所建数值模型大多以纱线为最小单位，将纱线横截面理想化假设为椭圆、跑道、凸透镜等形状，但实际织造过程中织物横截面是动态变化的，与假设恒定截面形状存在较大差异。因此，为了建立更加接近三维织物真实形态的数值模型，以下学者在原有理想模型基础上提出了多种改进方法，Green等建立了一种用于预测三维织物在织造和压实过程中变形情况的精确模型；Fredrik等提出了一种在细观尺度上实现内部链几何建模的方案，可展现链的路径细节和光滑变化的截面尺寸和形状。

从国内外学者对三维织物的研究体现了正确建立织物微观模型的重要性。织物模型的准确建立是研究其力学性能的第一步，然而目前已有的研究大多都是参考织物截面显微镜照片，假定其理想几何结构形状，在建模软件中进行参数设置后一步成型，不能有效反应织物内部微观几何结构。

堪萨斯州立大学复合材料团队研发了一种纺织建模软件DFMA，该软件以数字单元法为理论基础，可用于三维织物织造过程动态仿真及其微观几何结构数值模拟，现已被业界广泛用于构建二维平纹、三维正交、角联锁等复杂织物微观几何结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对现有建模方法中理想化假设纱线截面形状恒定不变的问题，提供一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，通过纺织建模软件DFMA对三维织物织造过程进行动态仿真，以及对微观几何结构进行数值模拟，包括以下步骤：

S1：输入材料参数，通过研究三维正交织物组织结构关键点位置，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构；

S2：设置迭代参数，在时域中利用多次迭代分析对三维正交织物的织造行为进行模拟，建立5个精度递进的变截面单胞模型，其中每个模型的纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维组成；

S3：通过实验对比分析，揭示纱线纤维化离散程度对仿真时间、织物厚度、渗透率和纱线空间构型的影响规律。

进一步，步骤S1中，所述材料参数包括纱线截面积、纤维轴向弹性模量、纤维横向弹性模量、纤维密度、纤维拉伸强度和单根纱线所含纤维数量。

进一步，在步骤S1中，确定三维正交织物组织结构关键点位置，将纬纱，经纱及接结经纱结构转换为矩阵表征，利用数字单元法映射机制建立其织物组织拓扑结构。

进一步，步骤S2中所述建立5个精度递进的变截面单胞模型，包括在数值模拟中设置同等大小的纱线张力，将纱线离散为5种数量的数字纤维，在时域中模拟三维正交织物的织造过程，最后得到5个变截面单胞模型。