基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模

发布时间：2021-10-18 06:50

　　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。 

【文章来源】：纺织学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

摩擦力计算方法示意图

本文建立的三维正交织物模型由低结晶碳化硅纤维组成，纱线截面积为8.66×10-8m2，纤维轴向弹性模量为190 GPa，纤维横向弹性模量约为轴向的1/10，纤维密度为2 500 kg/m3。三维正交织物组织结构如图3所示，可以看出虚线框内为1个代表性体积单元。该单元内2根结构对称的接结经纱捆绑1列纬纱，浮长为1个组织点。由真实织物样本测得该结构代表性体积单元长度、宽度及厚度，分别为0.002 903、0.001 587 5和0.003 82 m。织物拓扑结构建立步骤:1)将经纱、纬纱和接结经纱分别定义为3种不同的纱线类型。纬向包含纬纱，经向包含经纱、接结经纱。2)依次将纬纱、经纱和接结纱结构转换为矩阵表征。由图3可以看出:经纱共有9列，由上至下分别对应编号1#～9#;纬纱共有10行，由上至下依次对应编号11#～20#;经纬纱线交替排列，经纱列数比纬纱行数少1。经纱的位置矩阵由与纬纱的相对位置决定。令位于19#和20#纬纱之间的9#经纱位置矩阵为(1,1)，位于18#和19#纬纱之间的8#经纱位置矩阵为(2,2)，以此类推。

数字单元法主要包括3个基本要素:数字纤维、数字纱线和接触单元，如图1所示。可以看出，数字纤维由节点和杆单元链接而成，节点与杆单元间无摩擦作用。当杆单元长度趋近于零时，数字纤维可灵活弯曲，可模拟出实际织物中纤维单丝的真实形态，并赋予其真实材料属性。数字纱线由多根数字纤维组成，数字纤维的数量由真实纱线所包含的纤维数量和组成符合真实纱线截面形状所需数字纤维数量共同决定。数字纱线通常包含10～100根数字纤维，数字纤维的排列方式决定了纱线的截面形状。在仿真过程中，当相邻纤维之间的间距小于数字纤维直径时，建立接触单元。数字单元法仿真结果的准确性主要由网格划分精细程度决定，使用该方法进行织造过程的仿真，通过网格划分的纱线纤维化离散和纤维离散实现。在纱线纤维化离散中，1根纱线被离散为与原有纱线路径平行的多根数字纤维，且离散前后纱线截面积和所有数字纤维的截面积总和保持不变。在纤维离散中，组成数字纤维的杆单元长度减小，节点数量增加，且杆单元长度与数字纤维直径呈定比。在张力的作用下，因纱线纤维化离散产生的数字纤维间发生相对运动，纱线截面形状沿轴线方向发生变化。纤维离散保证了计算纤维间作用力的准确性，2种离散机制的共同作用实现了三维机织物微观尺度几何结构预测，因此，纱线中的数字纤维数量和杆单元长度是影响仿真结果准确性的重要因素。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3442433