纺织结构复合材料三维模型设计[1]

纺织结构复合材料三维模型设计
Design3D Models of Textile St ruct ural Composites
杨朝坤,朱建勋,张建钟,徐正亚,胡方田
(中材科技股份有限公司南京210012)
YAN G Chao2kun,ZHU Jian2xun,
ZHAN G Jian2zhong,XU Zheng2ya,HU Fang2tian
(Sinoma Science&Technology Co.Lt d.,Nanjing210012,China)
摘要:根据纺织复合材料结构和工艺的特点,考虑到空间纤维束的相互纽结和紧密挤压而造成的纤维束的弯曲和截面变形,建立了机织和编织三维实体几何模型和工艺过程的动画模拟。

所建模型与通过切片制作、数据采集和处理的图像进行比较并修正,取得了较为合理的纤维束中心线拟合效果。

为纺织结构复合材料的有效弹性性能预报和R TM工艺模拟仿真奠定了模型基础。

关键词:纺织结构复合材料;三维模型;纤维束;图像处理
文献标识码:A 文章编号:100124381(2007)Suppl20207205
Abstract:The t hree2dimension Woven and braided geomet rical model and t he animating simulation of t he craft process is p ropo sed based on t he characteristics of t he textile st ruct ural composites and craft. t he state of intertwisted and tightly squeezing yarns in model is taken into account which result s in yarns curving and deforming.Wit h comparing t he established model and images which obtaining f rom slice2making and data acquisition and image processing,reasonable fitting curves of yarn center line are achieved.The investigation offers a f undamental support to predict effective elastic properties and R TM simulating work.
K ey w ords:textile st ruct ural compo sites;t hree2dimension model;fibre tow;image p rocessing
在先进航空材料中,纺织结构复合材料占有重要的一席之地。

纺织结构复合材料是用于结构或承载的包含纺织物的刚性材料。

随着三维纺织预形体(t hree -dimensional textile p reforms)技术的快速发展,逐渐形成了3D机织(t hree2dimensional weaving)、3D编织(braiding)、穿刺(stitching)和针织(knitting)为主的复合材料增强织物产业。

采用纺织结构复合材料具有以下优点:(1)净尺寸贴模仿形,如各种叶片、起落架、雷达罩等;(2)纤维分布的细观结构和复合材料力学性能可以根据用途要求进行设计;(3)减重和提高刚/强度。

随着R TM(resin t ransfer moulding)工艺模拟仿真技术的迅速发展,提出了在等温和非等温条件下的三维仿真模型的要求,迫切需要3D纺织结构模型作基础模型,为准确计算渗透率提供依据。

纺织结构复合材料的力学性能主要由纺织预形体的细观结构参数所决定,这些参数包括:纤维分布方向角、纤维体积含量、纤维束体积含量、纤维束截面形状及其形心迹线规律等。

Xuekun Sun[1,2]建立了剔除物理意义的数字单元,该模型更有利于描述纤维束的弯曲路径;王君泽[3]在三维编织计算机仿真方面作了研究,利用计算机三维动画技术3DSMAX,动态模拟出来各种结构的编织物以及不同工艺的编织过程;张小萍和王君泽[4]利用虚拟现实构造语言(V RML)结合VB语言构建的三维编织仿真设计系统可在虚拟环境中实现自由缩放、移动、旋转织物模型功能,清除展现编织纤维束的运动过程。

本研究根据纺织复合材料结构和工艺的特点,考虑到空间纤维束的相互纽结和紧密挤压而造成的纤维束的弯曲和截面变形,建立了机织和编织三维实体几何模型和工艺过程的动画模拟,所建模型与通过切片制作、数据采集和处理的图像进行比较并修正,取得了较为合理的纤维束中心线拟合效果。

为纺织结构复合材料的有效弹性性能预报和R TM工艺模拟仿真奠定了模型基础。

1　纺织结构三维模型的设计
工程中一般要求三维织物的纤维体积含量尽量高,因此,纤维束在织物中呈紧密接触状态,而多数情
况下的纤维束又呈弯曲紧密接触状态,这就为模型建
立带来了一定的困难。

利用三维设计技术模拟出纤维束的截面和形心迹线,通过拟合使其更接近试验观测的真实状态,纤维束的紧密接触问题也解决的较好。

纺织结构复合材料三维模型设计主要包括三个步骤:(1)3D 模型设计;(2)工艺模拟;(3)有限元分析。

模型建立和工艺模拟是为准确预报复合材料的有效弹性性能和工艺参数优化作准备的。

1.1　三维模型设计
三维数字模型设计是指采用试验的或数字的方法,对产品的实际状态进行描述并获得数字模型。

这种模型除了提供精确的几何形状外,还包括了诸如重量、材料需求量、价格、计划和人员资源配备要求之类的特性。

这种数字模型应是向织造厂传递织物设计信息的主要手段,也可促进各部门之间的统一交流与协调。

在交货时,这种“建造的”三维产品模型可为复合材料部件在使用期内进行生命力分析、姿态控制、状态维护和后勤保障管理提供依据。

具有各向异性特征的纤维束在3D 织物模型中始终存在着紧密堆砌问题。

为避免织物中出现缺陷,保证纤维束在细观结构中的均匀分布,工程中一般要求织物中纤维束的堆砌要紧密且均匀一致。

以圆形或椭圆形截面纤维束作三维实体模型模拟,如图1和图2所示。

图1　以圆形截面纤维束作三维实体模型模拟
Fig.1　Circular section of yarns in simulating
model
图2　以椭圆形截面纤维束作三维实体模型模拟
Fig.2　Elliptical cross section of yarns in simulating model
1.2　工艺模拟
根据纤维束的运动规律或运动循环,考虑到纤维
束在x -y -z 坐标内的分解运动轨迹,可确定每根纤维束在空间的位置和形状的对应关系。

根据不同的纺织工艺类型并输入相应的结构参数,即可生成所需的模拟工艺,并实现纤维束实体模型的动画演示功能。

如图3和图4所示。

图3　三维编织全貌演示图
Fig 13　Overall view of 3D braiding animating
simulation
图4　三维编制工艺演示底盘携纱器运动演示图
Fig 14　Simulating carriers running rules on
base frame of 3D braiding
1.3　有限元分析
在模型中,可将复合材料看作是由两种材料组成,
一种为树脂基体,另一种为纤维与树脂的混合体。

设基体为各向同性材料;对于纤维束而言,在局部坐标系下,将其看成是横观各向同性的,纤维沿纵向被看作是随着纤维束中心线取向角的变化而变化的各向异性材料。

然后根据有限元法离散性的特点,得出不同位置
离散单元的质心点坐标以及沿纤维束中心线方程f (x ,y ,z )
的取向角,再将局部坐标系下的弹性常数转换到整体坐标系下。

在模型的不同面上连续施加一定的应变量,在其余各面上施加相应的位移约束,同时将纤维束与基体接触面上的节点耦合,然后可根据有限元软件计算出相应面上的节点支反力,再由以下公式计算出该方向上的弹性常数,即
E ij =1Αεi ∑
F n
i
(1)其中,i 为施加在第i 方向上的节点应变量;F i 为该方
向上节点的支反力;A 为施加应变面的面积;n 为第i 面上节点的数量。

可见,在三维纺织实体模型中,纤维束中心线曲线方程f (x ,y ,z )的确定是计算的关键。

本研究采用试样切片制作结合图像处理法,可拟合出较合理的纤维束中心线曲线方程。

2　纤维束形态提取与图像处理
2.1　试样切片制作
通过制作复合材料切片的方法来提取纤维束形态数据。

以T300碳纤维(3K ),B 型石英纤维(190Tex )采用5种不同股数纤维织造试样各5件,分三维编织与三维机织两种,先进行切片制作,然后对各种试件的各个切面进行拍照,取得切面的数字照片,建立立体织物图片数据库。

拍照前,先用150目的水磨砂纸对切割面进行轻微的抛光以提高照片质量。

切面的湿度对碳纤维为主体试件照片质量有较大影响,必须待其完全干燥后再进行拍照才能取得质量较好的照片,否则照出的照片基本很难分辨清楚示迹纱的位置。

织物内纤维束的走向与截面形状,部分照片如图5所示。

图5　部分纺织复合材料切片局部照片
Fig.5　Some slices photos of textile structural composites
2.2　图像处理
为使所拍照片更能精确的反应出现实的织物纤维
束走向与截面形状,使用Visual C ++编写了一套专用图形处理软件,用以完成从照片中的数据采集到构建示迹纱空间构型的全过程,软件界面如图6所示。

该软件上方为标题栏、菜单和工具栏,左边为操作面板区,中间主体部分是图形工作区。

图形工作区又
分为四个部分,左上部分图片处理区,用于示迹纱的图像采集;右上部分曲线拟合区,用于将处理所得的示迹线截面轮廓线点阵根据用户所选取的边界点构造封闭多边形,然后采用B 样条曲线拟合出光滑的示迹纱截面的轮廓线,同时给出截面的高度、宽度、面积和截面形心坐标;左下部分为纤维束显示区,根据各个切片层拟合出的示迹纱轮廓的样条曲线和各切片层的纵深坐
图6　图像处理软件界面
Fig.6　Interface of image processing software 标插值出示迹纱在空间的三维构型。

右下部分为仿真演示区,用于纤维束结构的仿真演示。

图7和图8分别为三维机织和三维编织部分切片照片经过图象处理后的拟合结果。

可以看出在三维机织物中的经纱呈现出明显的周期性波动,且每一个周期的波动比较均匀,纬纱比较平直,波动很小。

三维编织内部单胞的拟合结果近似于直线,表面单胞部分纤维束存在明显的弯曲,并有一定程度的扭转。

对纤维束中心线的空间拟合曲线的数学描述,需要进一步作解析分析。

确定了纤维束中心线的曲线方程f(x,y,z)以后,就可实时地、定量地分析三维纺织结构模型的生成状态,这对渗透率的研究以及刚/强度性能预测具有积极的意义。

图7　三维机织物的纤维束拟合结果
Fig.7　Effect s of simulating for yarns in3D
weaving
图8　三维编织物中纤维束拟合结果
Fig.8　Effect s of simulating for yarns in3D braiding
3　结论
(1)纤维束在织物中呈紧密接触状态,而多数情况下的纤维束又呈弯曲紧密接触状态,这就为模型建立带来了一定的困难。

利用三维设计技术模拟出纤维束的截面和形心迹线,通过拟合使其更接近试验观测的真实状态,纤维束的紧密接触问题也解决的较好。

(2)三维机织物中的经纱呈现出明显的周期性波
动,且每一个周期的波动比较均匀,纬纱比较平直,波动很小。

三维编织内部单胞的拟合结果近似于直线,面胞部分纤维束存在明显的弯曲,并有一定程度的扭转。

(2)根据纺织复合材料结构和工艺的特点,考虑到空间纤维束的相互纽结和紧密挤压而造成的纤维束的弯曲和截面变形,建立了机织和编织三维实体几何模型和工艺过程的动画模拟,所建模型与通过切片制作、数据采集和处理的图像进行比较并修正,取得了较为合理的纤维束中心线拟合效果。

参考文献
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作者简介:杨朝坤(1965-),男,博士,高工,主要从事纤维复合材料结构、工艺、力学、仿真及成型领域的研究,通讯地址:南京市雨花西路安德里30号,中材科技股份有限公司(南京玻璃纤维研究设计院)特纤事业部(210012)。

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