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预制体织造过程的数字单元法模拟研究

南京航空航天大学学报 2022年第5期54卷 889-898页

作者：檀晨晨单忠德孙正王尧尧南京航空航天大学机电学院

预制体作为复合材料的增强相，决定着复合材料的性能。而预制体的性能往往取决于纱线的空间结构，为了反映织物内部纤维束的宏观三维空间结构和微观截面几何构型，通过将纱线离散化，用数值模拟和仿真方法模拟织造过程。本文综述了复合... 详细信息

预制体作为复合材料的增强相，决定着复合材料的性能。而预制体的性能往往取决于纱线的空间结构，为了反映织物内部纤维束的宏观三维空间结构和微观截面几何构型，通过将纱线离散化，用数值模拟和仿真方法模拟织造过程。本文综述了复合材料预制体织造过程的数字单元法模拟研究进展。在微观几何结构方面，详述了数字单元法研究由理论到应用的发展历程，对先进的数字单元建模方法进行了介绍，指出当前模型对于数字单元法模拟纺织过程较为理想化，未考虑纤维的抗弯刚度、空气阻尼效应以及横向压缩引起的能量损失等工艺参数，指出今后的研究中可进一步优化数字单元法，实现参数化建模，深入研究纤维束变形机理以获得纤维更为真实的微观几何结构模型。

关键词：纺织复合材料织造过程数字单元法摩擦磨损微观几何结构

基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模

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纺织学报 2020年第7期41卷 59-66页

作者：马莹何田田陈翔禄盛王友棋重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 堪萨斯州立大学复合材料实验室堪萨斯66506 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室陕西西安710049

为了反映织物内部纱线的空间构型和微观几何结构,针对在织物建模过程中,因忽略纤维间的相互作用而引起的纱线截面形状变化的问题,基于数字单元法理论,提出了一种计算纤维间摩擦力的方法。通过纱线纤维化离散,用数值模拟和仿真方法模拟... 详细信息

为了反映织物内部纱线的空间构型和微观几何结构,针对在织物建模过程中,因忽略纤维间的相互作用而引起的纱线截面形状变化的问题,基于数字单元法理论,提出了一种计算纤维间摩擦力的方法。通过纱线纤维化离散,用数值模拟和仿真方法模拟三维正交织物成型过程,建立了5种精度递进的微观几何结构数值模型。5种模型中的每根纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维表征。研究结果表明:随着纱线纤维化离散程度的提高,仿真时间延长,织物厚度减小,纤维体积分数增大,节点平均作用力下降速度变缓,势能变小;当每根纱线由19根数字纤维组成时,所建织物的微观几何结构数值模型与真实织物样本在显微镜下的内部切片图像较为吻合。

关键词：三维机织复合材料三维正交织物数字单元法微观几何结构纱线纤维化离散

2.5D机织浅交弯联复合材料数字单元建模分析

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航空学报 2023年第9期44卷 214-226页

作者：王宏越王兵方国东孟松鹤哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室哈尔滨150001

2.5D机织浅交弯联复合材料具有优良的力学性能及结构整体性,现已广泛应用于航空航天结构中,正确表征材料内部发生挤压或偏转变形的纤维结构形态是从微细观角度研究材料性能的关键。数字单元法是模拟材料内部纤维束形态的有效途径,但得... 详细信息

2.5D机织浅交弯联复合材料具有优良的力学性能及结构整体性,现已广泛应用于航空航天结构中,正确表征材料内部发生挤压或偏转变形的纤维结构形态是从微细观角度研究材料性能的关键。数字单元法是模拟材料内部纤维束形态的有效途径,但得到的纤维束形态依赖于选取的仿真参数。基于2.5D机织浅交弯联SiO2f/SiO2复合材料的Micro-CT观测,利用ABAQUS软件建立了材料的数字单元有限元模型,施加温度载荷及边界约束,模拟织物变形过程,并且提取织物变形后的数字单元特征信息,结合纤维束中心路经及横截面形状离散算法得到纤维束的结构形态。通过分析选取的单元类型、数字单元赋予的弹性性能、单元数、摩擦系数对模拟结果的影响,确定选取模拟参数的主要原则,得到了能反映该材料纱线变形特征的几何模型,并且与Micro-CT观测结果吻合。该方法具有普适性,可指导类似织物复合材料的数字单元建模。

关键词：机织复合材料数字单元法 Micro CT切片高保真建模几何重构

三维正交织物织造过程模拟及其微观几何结构预测

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纺织学报 2023年第6期44卷 105-113页

作者：马莹向卫宏赵洋邓聪颖禄盛曾宪君重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 重庆邮电大学高等教育学院重庆400065 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室陕西西安710049 重庆交通大学绿色航空技术研究院重庆401135

为获得更为精确的织物模型,以满足织物及其纺织复合材料力学性能和破坏机制分析的需要,针对多尺度材料几何结构建模中存在宏观和介观尺度理想化假设,从而导致织物微结构特征缺失的问题,基于数字单元法理论,在纤维尺度提出一种织物织造... 详细信息

为获得更为精确的织物模型,以满足织物及其纺织复合材料力学性能和破坏机制分析的需要,针对多尺度材料几何结构建模中存在宏观和介观尺度理想化假设,从而导致织物微结构特征缺失的问题,基于数字单元法理论,在纤维尺度提出一种织物织造过程动态仿真方法。该方法建立了织机关键部件的几何模型,由织造矩阵控制开口运动,通过计算纤维间的相互作用力,模拟织机五大运动,得到4个处于不同织造时期的单胞组成的三维正交织物数值模型。研究结果表明:织物单胞的微观几何结构受相邻单胞的影响,在织造过程中发生变化;最上层和最下层纬纱的应力高于中间层纬纱;模型较为准确地描述了纱线的卷曲、路径和横截面形状等织物的主要特征。

关键词：织造过程数字单元法三维正交织物微观几何结构应力分布

基于芳纶平纹织物微观几何结构的纱线抽拔力学性能分析

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纺织学报 2022年第4期43卷 47-54页

作者：马莹刘岳岩赵洋陈翔禄盛胡瀚杰重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室陕西西安710049 重庆交通大学绿色航空技术研究院重庆401120

为研究芳纶平纹织物纱线抽拔力学性能及各参数的影响规律,建立纱线抽拔数学模型,为后续数值模型提供理论基础。采用数字单元法模拟芳纶平纹织物织造过程,获得其微观几何模型,并计算得出纱线轮廓。在此基础上,使用ABAQUS模拟单纱抽拔过程... 详细信息

为研究芳纶平纹织物纱线抽拔力学性能及各参数的影响规律,建立纱线抽拔数学模型,为后续数值模型提供理论基础。采用数字单元法模拟芳纶平纹织物织造过程,获得其微观几何模型,并计算得出纱线轮廓。在此基础上,使用ABAQUS模拟单纱抽拔过程,建立纱线厚度方向单层网格划分准则和纱线材料属性,获得横向预紧力、纱线间摩擦因数对纱线抽拔力学性能的影响规律及能量转换机制。结果表明:仿真所得抽拔力峰值和横向预紧力峰值与实验值仅差5.96%和-8.51%,外力做功主要通过摩擦耗散;随着横向预紧力和纱线间摩擦因数的增大,抽拔力峰值增长速度逐渐减缓,所建模型可较为准确地预测纱线抽拔性能。

关键词：芳纶平纹织物微观几何模型纱线抽拔抽拔力峰值数字单元法

三维机织物织造过程模拟及其抽拔力学性能分析

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三维机织物织造过程模拟及其抽拔力学性能分析

作者：向卫宏重庆邮电大学

学位级别：硕士

芳纶织物由于具有较高的比强度、柔韧性、抗腐蚀性等特点,被广泛应用于人体和装备防护领域。当子弹冲击织物时,织物通过三种典型的破坏模式耗散和吸收子弹的能量。这三种破坏模式分别为冲击中心区域纱线的断裂、纱线从织物中拔出和远场... 详细信息

芳纶织物由于具有较高的比强度、柔韧性、抗腐蚀性等特点,被广泛应用于人体和装备防护领域。当子弹冲击织物时,织物通过三种典型的破坏模式耗散和吸收子弹的能量。这三种破坏模式分别为冲击中心区域纱线的断裂、纱线从织物中拔出和远场纱线的失效。由于子弹冲击织物是一个高瞬态过程,充分理解其作用机理较为困难。因此,为了更好的理解弹道侵彻行为,在准静态条件下对纱线抽拔行为进行了研究。现有纱线抽拔实验已对影响抽拔力峰值的诸多因素进行了研究,但未能揭示载荷在织物中的传递方式和能量吸收机制。而现有的有限单元法仿真分析由于使用了理想化截面形状和路径以及将非连续体的纱线建模为实体单元,使得仿真结果相较于实验数据有较大误差。为了解决上述问题,本文在亚纱线尺度对织物动态织造过程进行了建模,得到织物亚纱线尺度几何模型,并在此基础上,在亚纱线尺度对纱线抽拔行为进行了研究。本课题主要研究内容和研究结果如下:(1)首先,分析贾卡织机的组成部件和运行模式,对其关键部件及织造过程五大运动进行了建模。以正交机织物为研究对象,建立织造矩阵和织机交织运动的映射关系,并基于数字单元法对其动态织造过程进行模拟,得到亚纱线尺度织物几何结构数值模型。结果表明:织物的某个单胞在织造完成后,单胞的截面形状、厚度、宽度、卷曲角等几何结构仍受后续织造过程的影响,并在继续织造完成两个单胞后趋于稳定。在经纱、接结纱张力分别为0.16N和0.02N时,对比织物样本的显微图像,织物厚度和卷曲角的差距分别为1.39%和1.29%,验证了动态织造过程建模的有效性。织物的应力分布与纱线的类型和纤维的分布位置具有较强的关联性。(2)其次,分析了纱线张力、卷取长度对织物几何结构和筘所受作用力的影响规律。结果表明:当接结纱张力或卷取长度增大时,织物的厚度和卷曲角随之减小,经纱张力反之。当接结纱张力和经纱张力比值一定时,织物几何结构参数较为稳定。接结纱张力对织物几何结构和筘所受作用力的影响要远大于经纱张力,其与筘所受作用力呈正相关。(3)最后,基于中心差分显式算法,设计了增量形式的弯曲剪力计算方法,并确定了节点力计算方法及初始条件,在亚纱线尺度对纱线抽拔进行仿真分析。结果表明:纱线横向预紧过程中,应力逐渐由预紧端向另一端传递,预紧纱线中部纤维的应力高于边缘纤维。纱线抽拔过程根据抽拔力-位移曲线的特征可以分为静摩擦阶段和动摩擦阶段。静摩擦阶段的抽拔力线性增加,织物产生剪切变形,与此同时,被抽出的纱线和与之相交的纬纱发生屈曲互换,屈曲互换的幅度自抽拔端至自由端逐渐降低。动摩擦阶段的抽拔力以类似正弦曲线的方式振荡下降。主纱的轴向应力在抽拔端的一小段范围内几乎不发生变化,随后沿抽拔端至自由端方向逐渐降低至零。主纱所受摩擦力和与其相交的纬纱相对位置有关,自抽拔端至自由端呈现先振荡上升,随后振荡下降的变化趋势。

关键词：芳纶平纹织物织造过程数字单元法亚纱线尺度纱线抽拔

不同纱线张力下的三维正交织物微观几何结构建模

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复合材料科学与工程 2021年第1期 19-27页

作者：刘岳岩马莹禄盛邓聪颖陈翔赵洋重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 堪萨斯州立大学复合材料实验室曼哈顿堪萨斯66506

从织物组织入手,建立纱线截面形状为圆形的三维正交织物拓扑结构。在此基础上,采用数字单元法理论在纱线首尾两端施加周期性边界和恒定张力,并通过纱线纤维化离散方法,将纱线分为既定数量的数字纤维,进而改变其截面形状和空间构型,实现... 详细信息

从织物组织入手,建立纱线截面形状为圆形的三维正交织物拓扑结构。在此基础上,采用数字单元法理论在纱线首尾两端施加周期性边界和恒定张力,并通过纱线纤维化离散方法,将纱线分为既定数量的数字纤维,进而改变其截面形状和空间构型,实现织物织造成型过程的动态仿真。研究结果表明,施加较大的经纬纱张力及较小的接结纱张力,所得数值模型的经纱与纬纱厚度均匀且能保持伸直状态,接结纱截面变化情况与真实正交织物相符。当经纬纱线张力为0.2 N、接结纱张力为0.01 N时,织物数值模型厚度与实验值仅差9.55%,其微观几何结构与织物样本显微图像吻合度较高,验证了数字单元法理论在织物亚纱线尺度建模的有效性。

关键词：三维正交织物亚纱线尺度纱线张力数字单元法周期性边界条件复合材料

Kevlar 49平纹织物微观尺度建模及其纱线抽拔力学性能分析

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Kevlar 49平纹织物微观尺度建模及其纱线抽拔力学性能分析

作者：刘岳岩重庆邮电大学

学位级别：硕士

Kevlar 49织物具有高比强度和绝热阻燃等特点,是抵抗弹道冲击的优质材料。然而,由于纱线空间构型的复杂多样性和冲击加载所带来的高瞬态、高度非线性等问题,为该研究带来巨大挑战。纱线抽拔作为弹丸冲击织物的主要失效形式,可在抽拔载... 详细信息

Kevlar 49织物具有高比强度和绝热阻燃等特点,是抵抗弹道冲击的优质材料。然而,由于纱线空间构型的复杂多样性和冲击加载所带来的高瞬态、高度非线性等问题,为该研究带来巨大挑战。纱线抽拔作为弹丸冲击织物的主要失效形式,可在抽拔载荷作用下实时观察织物的受力过程,是研究织物冲击性能的重要途径。现有纱线抽拔实验未能揭示抽拔过程中的应力传播和能量转换机理,而现有仿真分析所用的织物模型忽略纤维间的相对运动,理想化假设纱线截面形状不发生改变,且未能有效解决纤维强度、刚度和杨氏模量等力学属性对抽拔性能的影响。针对以上问题,本文以Kevlar 49平纹织物作为研究对象,在亚纱线尺度建立其微观几何结构模型,并在此基础上应用ABAQUS对其进行纱线抽拔力学性能分析。本课题主要研究内容和研究结果如下:(1)基于数字单元法理论,建立三维正交织物拓扑结构。对纱线首尾两端施加周期性边界和恒定张力,并通过纱线纤维化离散方法,将纱线分为既定数量的数字纤维,进而改变其截面形状和空间构型,实现织物织造成型过程的动态仿真。结果表明:当经纬纱线张力为0.3N、接结纱张力为0.02N时,织物数值模型厚度与实验值仅差6.32%,其微观几何结构与织物显微图像吻合度较高,验证了数字单元法理论在织物亚纱线尺度建模的有效性。(2)动态模拟Kevlar 49平纹织物织造过程,获得其微观几何模型,并计算得出纱线轮廓。使用ABAQUS模拟纱线抽拔过程,建立纱线厚度方向单层网格划分准则并计算纱线材料属性。将仿真结果与实验进行对比,结果表明:仿真所得抽拔力峰值和横向预紧力峰值与实验仅相差5.96%和-7.84%,所建模型可以较为准确地预测纱线抽拔性能。(3)分析横向预紧力、纱线间摩擦系数对纱线抽拔力学性能的影响规律及能量转换机理。结果表明:外力做功主要通过摩擦耗散;横向预紧力越大,峰值抽拔力增长速度逐渐减缓;纱线间摩擦系数越大,峰值抽拔力增长速度逐渐加快。

关键词： Kevlar 49平纹织物微观尺度几何模型纱线抽拔抽拔力峰值数字单元法

三维正交机织物微观结构数值建模及其拉伸力学性能分析

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三维正交机织物微观结构数值建模及其拉伸力学性能分析

作者：何田田重庆邮电大学

学位级别：硕士

三维机织复合材料因其高比刚度、高比强度、抗冲击和耐疲劳等诸多优异力学性能,在航空航天、军事、生物等诸多领域得到广泛的应用。三维机织物作为复合材料增强体,其基本力学性能直接影响了复合材料的力学性质。目前,国内外对三维机织... 详细信息

三维机织复合材料因其高比刚度、高比强度、抗冲击和耐疲劳等诸多优异力学性能,在航空航天、军事、生物等诸多领域得到广泛的应用。三维机织物作为复合材料增强体,其基本力学性能直接影响了复合材料的力学性质。目前,国内外对三维机织物力学性能的研究从传统高成本实验测试和低效率数学建模理论分析逐步转为以低成本可控性高的数字模拟为主的方法。本文以三维正交机织物作为研究对象,在时域中对其织造过程进行模拟,在近似纤维尺度建立其微观几何结构模型,并在此基础上应用ABAQUS对其拉伸性能进行分析。此方法不仅降低了实验成本,还提高了可研究范围。本课题主要研究内容和研究结果如下:（1）以数字单元法为理论基础,通过分析该方法在织物织造行为模拟中的作用机理,提出了一种计算纤维间摩擦力的方法。通过纱线纤维化离散,用数值模拟和仿真方法模拟三维正交织物成型过程,建立了5个精度递进的微观几何结构数值模型。5个模型中的每根纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维表征。通过实验对比,得出当每根纱线由19根数字纤维组成时,所建织物的微观几何结构数值模型与真实织物样本在显微镜下的内部切片图像最为吻合。（2）在第二章的研究基础上,采用数字单元法建立了由三层经纱、四层纬纱组成的三维正交机织物等比例模型和单胞模型,然后导入ABAQUS/CAE前处理建立两种模型的有限元模型。分别分析了两种模型拉伸过程和结果,并与文献中的拉伸实验结果对比得出:单胞模型和织物等比例模型都可使用ABAQUS进行拉伸性能分析,其中等比例模型能够从宏观角度更全面分析三维正交机织物拉伸变形情况,而单胞模型能够从细观角度反应织物拉伸变形情况,并且计算时间较快。（3）在第三章的基础上,采用有限元分析法研究了织物参数对其拉伸力学性能的影响。结果表明:纱线纤维密度、纱线模量和摩擦系数增加,有限元分析应力-应变曲线峰值也增加;当泊松比从0.1增加至0.25时,应力-应变曲线斜率无明显变化,曲线峰值无差异。

关键词：三维正交机织物数字单元法有限元织物拉伸力学性能