[发明专利]一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法

权利要求书

1.一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，其特征在于，

步骤1：对编织好的三维五向预制件以加热、压缩的形式，复合材料经过加热融化、冷却加固这个过程，形成一整块矩形三维编织复合材料；

步骤2：将该矩形三维五向编织复合材料横截面区域划分为表面区域(1)、内部区域(2)和棱角区域(3)三个部分，所述内胞模型指的就是内部区域(2)中的一个单胞；

所述内胞模型是一个六面体内胞实体(12)模型，由由轴向纱实体(9)、编织纱实体(10)和基体实体(11)紧密贴合在一起组成；

步骤3：将六面体内胞实体(12)模型的内部空间分为上下四层，形成了六面体内胞内部结构线(6)，在六面体内胞内部结构线(6)里，包括了轴纱纱线轨迹(4)和编织纱纱线轨迹(5)空间运动轨迹，最后根据内胞几何参数、编织纱及轴向纱截面参数建立单胞模型。

2.根据根据权利要求1所述的一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，其特征在于，所述基体实体(11)由六面体内胞实体(12)结合轴向纱实体(9)模型和编织纱实体(10)模型进行布尔运算差集得到。

3.根据根据权利要求1所述的一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，其特征在于，具体建模过程如下：

首先，根据轴向纱横截面面积S_a、轴向纱线密度λ_a(g/m)、轴向纱填充因子ε_a确定轴纱纱线截面(7)和编织纱纱线截面(8)的尺寸参数δ、k、l和e，

其次，先确定一个六面体内胞实体(12)的外形尺寸，其长宽高分别用W_i，T_i及h来表示，根据前面获得的参数δ、k、l和e，并将其内部空间平均分为上下四个部分，建立出六面体内胞内部结构线(6)；

接着，确定内胞里的轴纱纱线轨迹(4)的空间位置，一个内胞里包括9根轴纱纱线轨迹(4)，将六面体内胞内部结构线(6)从顶层往底层分析，这9根轴纱纱线轨迹(4)分别位于六面体内胞内部结构线(6)的四个竖直棱线处、四个竖直面的中线处和上线表面中点的连线处；

再次，确定内胞里的编织纱纱线轨迹(5)的空间位置，一个内胞里包括10根编织纱纱线轨迹(5)，这10根纱线均为直线，确定该六面体内胞实体(12)的整体坐标系XYZ，并定义该六面体内胞实体(12)的XYZ方向单位长度划分为4个单位长度，则这10根编织纱纱线轨迹(5)其首尾坐标位置为((0，3，0)；(1，4，1)),((2，1，0)；(3，0，1)),((2，3，0)；(0，1，2))，((4，1，0)；(1，4，3)),((3，4，1)；(4，3，2)),((1，0，1)；(4，3，4)),((0，3，2)；(2，1，4)),((4，1，2)；(3，0，3)),((1，0，3)；(0，1，4)),((3，4，3)；(2，3，4))；

最后，根据已经确定好的内胞里轴纱纱线轨迹(4)和编织纱纱线轨迹(5)的空间位置，以及轴纱纱线截面(7)和编织纱纱线截面(8)的尺寸参数，将轴纱纱线截面(7)和编织纱纱线截面(8)平行于X-Y平面放置，利用建模命令“单轨扫描”，结合轴纱纱线截面(7)和轴纱纱线轨迹(4)得到轴向纱实体(9)，结合编织纱纱线截面(8)和编织纱纱线轨迹(5)得到编织纱实体(10)，将六面体内胞实体(12)采用建模命令“布尔差集”裁切掉轴向纱实体(9)和编织纱实体(10)，剩余的模型就是基体实体(11)。

4.根据权利要求1所述的一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，其特征在于，所述轴纱纱线截面(7)和编织纱纱线截面(8)是根据电镜扫描图像，将轴纱纱线截面(7)近似为一个规则六边形，编织纱纱线截面(8)为规则正方形。

5.根据权利要求1所述的一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，其特征在于，所述轴纱纱线轨迹(4)和编织纱纱线轨迹(5)均为直线。

6.根据权利要求1所述的一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，其特征在于，六面体内胞实体(12)的内部空间结构为六面体内胞内部结构线(6),分为四层空间结构，内部包括了轴纱纱线轨迹(4)和编织纱纱线轨迹(5)。

7.根据权利要求2所述的一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，其特征在于，具体内胞几何参数、编织纱及轴向纱截面参数关系如下：

所述尺寸参数δ、k、l和e计算如下：

根据样件编织参数确定内部编织角γ的数值，γ为内胞中编织纱与z方向的夹角；

S_a为轴向纱横截面面积，λ_a为轴向纱线密度(g/m)，ρ_a为轴向纱体积密度(g/cm³)，ε_a为轴向纱填充因子，e为轴向纱横截面边长。

S_a＝e² (1-2)

根据式(1-1)，(1-2)可求出轴向纱横截面边长e；

根据内部编织角γ，可由式(1-3)求得编织纱截面顶角角度δ；

根据式(1-3)求出的δ，以及已知的编织纱线密度λ_b(g/m)，编织纱体积密度ρ_b(g/cm³),编织纱填充因子ε_b，可由式(1-4)，(1-5)求出编织纱截面宽度k；

由(1-1)至(1-5)求得e，k，带入式(1-36可求出内胞宽度W_i，内胞胞厚度T_i；

α为表面编织角，式(1-6)已求得W_i，联立1-7，1-8可求出单胞花节高度h；

l＝l′×cosγ (1-9)

式(1-6)已求得T_i,联立式(1-9)，(1-10)可求得编织纱长度l，l′为电镜扫描截面上编织纱的长度；根据式(1-1)至(1-10)可得到内胞几何参数和纱线截面参数，可在三维建模软件中建立出内胞模型。