[发明专利]一种2.5维编织复合材料几何拓扑模型的建模方法

说明书

本发明公开了一种2.5维编织复合材料几何拓扑模型的建模方法，包括以下步骤：一、利用XCT技术获得2.5维编织复合材料纬向切片图；二、对步骤一得到的切片图内同层纬纱位置进行测定与统计；三、对步骤一得到的切片图内相邻两层的上层两纬纱相对下层纬纱的位置进行测定与统计；四、基于步骤二与步骤三所得的纬纱位置，对此切片层内经纱轨迹与纬纱轮廓采用余弦函数曲线模拟；五、基于步骤四建立的经纱纬纱二维结构模型进行三维拉伸，得到纬纱平直的三维模型，进行有限元离散，得到三维有限元模型；六、利用网格分组对三维有限元模型的表层纬纱进行修改，使表层纬纱在与经纱交织处弯曲，最终建立贴近2.5维编织复合材料几何拓扑结构的模型。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种2.5维编织复合材料几何拓扑模型的建模方法。

背景技术

2.5维编织复合材料采用新的编织技术将不同层的纤维束进行编织，其结构主要特点是不同向的纤维束之间相互正交交织，进而实现层与层之间的铰接，也提高了材料的剪切强度，增强了厚度方向的性能。编织复合材料由于其结构复杂，对其进行科学合理的力学性能分析需要充分考虑到材料的内部几何结构、内部组分材料的力学性能以及其受力状况等，而编织材料内部由于纱线相互交织所造成内部结构不均匀性使德对其性能的预报更为复杂，如在纤维束曲段存在力学性能较直段力学性能降低，在网状结构中存在贫树脂区与富树脂区等，这就要求在对其力学性能研究时首先要对其内部细观结构进行研究，三维编织复合材料在成型过程中为了提高生产效率，其机织过程往往具有周期性，这就使得三维编织复合材料的内部结构同样具有周期性，一般通过对编织材料最小周期内的结构进行研究代替对整个材料的研究以降低计算规模，这种最小周期性单元又被称为“单胞”，通过对单胞的研究代替对整个材料的研究降低计算成本提高提高计算效率。

发明内容

本发明针对现有2.5维编织复合材料建模方法的不足，提供了一种新的2.5维编织复合材料几何拓扑模型的建模方法，使建立的几何模型贴近材料实际的几何拓扑结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种2.5维编织复合材料几何拓扑模型的建模方法，包括以下步骤：

步骤一、利用XCT技术获得2.5维编织复合材料纬向切片图；

步骤二、对步骤一中得到的切片图内同层纬纱位置进行测定与统计；

步骤三、对步骤一中得到的切片图内相邻两层的上层两纬纱相对下层纬纱的位置进行测定与统计；

步骤四、基于步骤二所测定的同层纬纱位置与步骤三所测定的相邻两层的上层两纬纱相对下层纬纱的位置，对步骤一中获得的XCT切片图内经纱轨迹与纬纱轮廓采用余弦函数曲线模拟，建立经纱纬纱二维结构模型；

步骤五、利用软件对步骤四建立的经纱纬纱二维结构模型进行三维拉伸，得到纬纱平直的2.5维编织复合材料三维模型，并进行有限元离散，得到三维有限元模型；

步骤六、基于步骤五所建立的三维有限元模型，利用网格分组对位于三维有限元模型表层的纬纱进行修改，使该表层的纬纱在与经纱交织处弯曲，最终建立贴近2.5维编织复合材料几何拓扑结构的模型。

进一步的，所述步骤一中，XCT所拍摄的切片图包含一个以上的单胞结构。

进一步的，所述步骤一中，在XCT所拍摄的切片图中，对内层纬纱截面采用双透镜假设，表层不与经纱交织的纬纱截面采用矩形截面假设，表层与经纱交织的纬纱截面采用双透镜假设。

进一步的，所述步骤二中，对切片图按纬纱层数划分五条基准线，测定并统计同层纬纱距离此层基准线相对高度来比较同层纬纱相对位置。

进一步的，所述步骤三中，以某纬纱中心点建立竖直基准线，测定并统计相邻两层的上层两纬纱相对下层纬纱的水平距离来比较相邻层纬纱相对位置。

进一步的，所述步骤四中，