一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法技术

本发明专利技术公开了一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，根据矩形四步法规律，得出编织纱和轴向纱运动轨迹。根据携纱器位置的对偶交换特性，可知三维五向编织预制体由单胞重复组成，对预制体进行划分得出内胞、面胞和角胞区域。基于电镜对样件截面的扫描图片，对内胞中编织纱和轴向纱截面及编织纱和轴向纱挤压关系进行合理假设，建立了内胞几何模型、编织纱和轴向纱截面参数、编织角和纱线规格间的参数关系。利用三维建模软件将截面和轨迹结合实体化，得出编织纱和轴向纱实体模型，用编织纱轴向纱实体模型对内胞六面体整体几何模型进行布尔运算差集得到基体部分。这样，编织纱实体、轴纱实体和基体部分可组成三维五向编织复合材料的内胞模型。

【技术实现步骤摘要】
一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法
本专利技术属于复合材料编织
，涉及一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法。
技术介绍
近年来，三维五向编织复合材料以其高比强度比模量、疲劳性能优秀、耐腐蚀性强及可设计性强等特点成为航天航空部分特殊主承力构件和功能构件的理想候选结构材料。但是，三维五向编织复合材料在细观尺寸上具有复杂的结构，不便采用有限元软件对其结构进行计算分析。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，能够真实模拟三维五向编织复合材料空间形态的同时又能起到指导三维建模的作用。本专利技术所采用的技术方案是，一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，具体操作步骤如下：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、内部区域和棱角区域三个部分，内胞模型指的就是内部区域中的一个单胞；内胞模型是一个六面体内胞实体模型，由由轴向纱实体、编织纱实体和基体实体紧密贴合在一起组成；步骤3：将六面体内胞实体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，在六面体内胞内部结构线里，包括了轴纱纱线轨迹和编织纱纱线轨迹空间运动轨迹，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。本专利技术的特点还在于：基体实体是在由六面体内胞实体基础上，结合轴向纱实体模型和编织纱实体模型，进行布尔运算差集得到。具体建模过程如下：首先，根据轴向纱横截面面积Sa、轴向纱线密度λa(g/m)、轴向纱填充因子εa确定轴纱纱线截面和编织纱纱线截面的尺寸参数δ、k、l和e，其次，先确定一个六面体内胞实体的外形尺寸，其长宽高分别用Wi，Ti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；接着，确定内胞里的轴纱纱线轨迹的空间位置，一个内胞里包括根轴纱纱线轨迹，将六面体内胞内部结构线从顶层往底层分析，这9根轴纱纱线轨迹分别位于六面体内胞内部结构线的四个竖直棱线处、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的空间位置，一个内胞里包括10根编织纱纱线轨迹，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的XYZ方向单位长度划分为4个单位长度，则这根编织纱纱线轨迹其首尾坐标位置为((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和编织纱纱线轨迹的空间位置，以及轴纱纱线截面和编织纱纱线截面的尺寸参数，将轴纱纱线截面和编织纱纱线截面平行于X-Y平面放置，利用建模命令“单轨扫描”，结合轴纱纱线截面和轴纱纱线轨迹得到轴向纱实体，结合编织纱纱线截面和编织纱纱线轨迹得到编织纱实体，将六面体内胞实体采用建模命令“布尔差集”裁切掉轴向纱实体和编织纱实体，剩余的模型就是基体实体。轴纱纱线截面和编织纱纱线截面是根据电镜扫描图像，将轴纱纱线截面近似为一个规则六边形，编织纱纱线截面为规则正方形。轴纱纱线轨迹和编织纱纱线轨迹均为直线。六面体内胞实体的内部空间结构为六面体内胞内部结构线,分为四层空间结构，内部包括了轴纱纱线轨迹和编织纱纱线轨迹。具体内胞几何参数、编织纱及轴向纱截面参数关系如下：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；Sa为轴向纱横截面面积，λa为轴向纱线密度g/m，ρa为轴向纱体积密度g/cm3，εa为轴向纱填充因子，e为轴向纱横截面边长。Sa＝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λb(g/m)，编织纱体积密度ρb(g/cm3),编织纱填充因子εb，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(1-3)可求出内胞宽度Wi，内胞胞厚度Ti；α为表面编织角，式(1-6)已求得Wi，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Ti,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。本专利技术的有益效果是，本专利技术的一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法通过对四步法编织规律的分析，模拟了纱线运动轨迹，基于电镜扫描样件截面给出了内胞中纱线横截面及编织纱和轴向纱的挤压关系的合理假设，利用三维建模软件实现了对内胞模型的建立，为三维五向编织复合材料内胞模型的建立提供了一种方法。附图说明图1是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的流程图；图2是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的单胞选取方式；图3是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的内胞中编织纱和轴向纱纱线轨迹；图4是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的电镜扫描样件的截面图；图5是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的初始编织纱和轴向纱截面形状；图6是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的电镜扫描样件理想截面图；图7是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的编织纱与轴向纱实体模型；图8是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的内胞六面体整体几何模型；图9是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的基体实体模型；图10是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的内胞细观实体模型；图11是本专利技术一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法的三维软件中具体建模过程；图中，1.表面区域，2.内部区域，3.棱角区域，4.轴纱纱线轨迹，5.编织纱纱线轨迹，6.六面体内胞内部结构线，7.轴纱纱线截面，8.编织纱纱线截面，9.轴向纱实体，10.编织纱实体，11.基体实体，12.六面体内胞实体。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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Sa、轴向纱线密度λa(g/m)、轴向纱填充因子εa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Wi，Ti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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭鹏，唐欣尧，刘峰峰，刘舒伟，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61