圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法技术

本发明专利技术公开一种圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法，属于复合材料编织技术领域。以从复合材料上截取的扇形块作为单胞研究基础，简化扇形块的截面，将从简化得到的梯形体块上划分出的内部单胞实体视为内胞模型；根据圆型编织运动规律，得到编织纱与轴纱运动轨迹；基于电镜图对内胞内部编织纱与轴纱因相互挤压形成的截面进行合理假设，利用布尔运算得到基体实体，最终根据内胞几何参数、编织纱及轴纱截面参数建立内胞模型。本申请公开的单胞处理方式能直接反映出圆型材料内部的纱线结构，建模准确度高，以此为基础建立的内胞模型用于对三维编织圆管复合材料或曲面立体复合材料做力学性能分析，分析方便，误差小，数据真实可靠。数据真实可靠。数据真实可靠。

【技术实现步骤摘要】
圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法


[0001]本专利技术属于复合材料编织
，具体涉及一种圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法。

技术介绍

[0002]圆型三维五向编织复合材料因具有耐高温、耐腐蚀、高强度等优异性能而常被用作航空航天、建筑、交通领域的功能构件和承力构件，但是由于三维编织方法及工艺固有的复杂性，使得其在细观尺寸上具有复杂的结构特征，难以直接利用有限元软件对其进行计算方法，通常需要建立单胞模型来解决相应问题。
[0003]如中国专利CN 112001060 A公开一种三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法，具体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。但是需要注意的一点是，该方案中，方案提出者为了方便对三维五向编织复合材料的内部纤维束结构进行几何分析以快速构建内胞模型，在确定单胞划分方式前，其先对编织好的三维五向预制件进行了加热、压缩预处理，复合材料经过加热融化、冷却加固过程后，变成了一整块矩形体状的三维编织复合材料。该矩形体块单胞模型针对于层合板复合材料的内部纱线结构能够较为真实地描绘，且对于层合板复合材料的力学性能分析较为准确，但是对于三维编织圆管复合材料或是其他曲面立体复合材料，该单胞模型将不适用，并且无法较为准确地描绘出三维编织圆管复合材料或其他曲面立体复合材料的内部纱线结构。且在后续研究过程中，以由此建立的内胞模型为基础进行力学分析时，误差也会比较大。
[0004]因此，有必要对圆型三维五向编织复合材料内胞模型的建模方法进行更进一步地优化，使得所建立的内胞模型能更为准确的体现出圆型复合材料内部的纱线结构，减少分析误差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的问题，提出一种圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法，更为真实地模拟出圆型三维五向编织复合材料的空间结构，起到了指导三维建模的作用。
[0006]本专利技术的技术方案为：圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1、根据圆型三维五向编织复合材料的编织规律，从中截取一块截面为扇形的子料；
[0008]步骤2、根据微分概念对截取的子料进行简化，将其截面简化为等腰梯形，并保持总体积不变；
[0009]步骤3、将子料划分为上表面单胞实体、内部单胞实体和下表面单胞实体三个部
分，内胞模型代指内部单胞实体模型；
[0010]步骤4、将梯形体状的内部单胞实体模型沿其径向划分为四层空间结构，形成内胞内部结构线，内部包括轴纱纱线轨迹和编织纱纱线轨迹空间运动轨迹，根据内胞几何参数、编织纱及轴纱截面参数建立内胞模型。
[0011]进一步地，梯形体状的内胞实体由编织纱实体、轴纱实体和基体实体密实贴合缠绕而成。
[0012]进一步地，基体实体是由梯形体状的内部单胞实体模型结合编织纱实体模型和轴纱实体模型进行布尔运算差集得到。
[0013]进一步地，内部单胞实体模型的具体建模过程如下：
[0014]1)根据电镜扫描图像，将编织纱纱线截面视为规则六边形，轴纱纱线截面视为规则等腰三角形；
[0015]2)根据轴纱的截面面积S1、轴纱的密度ρ1、轴纱纱线密度λ1、纱线填充因子ε确定轴纱纱线截面和编织纱纱线截面的尺寸参数，包括等腰三角形状的轴纱截面的高a1和底边b1，六边形状的编织纱截面的长度a1和宽度b1，编织纱截面顶角角度α，轴纱顶角角度
[0016]3)根据圆型三维五向编织复合材料的内径R
in
、外径R
out
以及圆心角Δθ得出内部单胞实体的下底长度T1、上底长度T2、宽度h和厚度W
h
；
[0017]4)确定内部单胞实体里轴纱纱线轨迹的空间位置，内胞里9条轴纱纱线轨迹分别位于等腰梯形截面内胞模型的上下表面梯形的四个腰位置处、左右竖直面的横向中线处、上下表面等腰梯形中线处以及内胞模型的中间位置处；
[0018]5)确定内胞模型中编织纱纱线轨迹在内胞模型中的空间位置，内胞中16根编织纱纱线均为直线，以柱坐标系为准，确定内胞模型的整体坐标系，这16条编织纱线轨迹首尾坐标位置为标位置为
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]其中，M代表预制体编织纱数目；
[0028]6)根据确定好的轴纱纱线轨迹和编织纱纱线轨迹的空间位置，以及编织纱纱线截面和轴纱纱线截面的尺寸参数，将编织纱纱线截面和轴纱纱线截面建立局部坐标，利用建模命令“V”，结合编织纱纱线截面和编织纱纱线轨迹建立编织纱实体模型，结合轴纱纱线截面和轴纱纱线轨迹建立轴纱实体模型，利用“布尔运算命令”将内胞模型的编织纱实体模型与轴纱实体模型裁剪掉得到基体实体模型；
[0029]7)编织纱实体模型、轴纱实体模型和基体实体模型共同组成了内胞实体模型，内胞模型建立完毕。
[0030]进一步地，所述轴纱纱线轨迹和编织纱纱线轨迹均为直线。
[0031]进一步地，内胞几何参数以及编织纱、轴纱截面关系如下：
[0032]根据样件编织参数确定内部编织角γ的数值，γ为内胞中编织纱与预制体成型方向的夹角，即与坐标轴z方向的夹角；
[0033]参数a1、b1、α、的计算过程如下：
[0034][0035][0036]在编织纱的六边形截面建立局部坐标系，过顶角的六边形那条倾斜直线方程在局部坐标系下表示为：
[0037][0038][0039][0040]根据内部编织角γ和式(1
‑
1)
‑
(1
‑
5)可以得出编织纱六边形截面的长度a1与宽度b1、轴纱等腰三角形截面的底边b1与高a1、编织纱截面顶角角度α轴纱顶角角度
[0041]圆型三维五向编织复合材料的内径R
in
、外径R
out
以及圆心角Δθ，以及简化后的内胞模型截面由扇形截面简化为等腰梯形截面，那么内胞的下底长度T1、上底长度T2表示如下：
[0042]T1＝Δθ
×
R
out (1
‑
6)
[0043]T2＝Δθ
×
R
in (1
‑
7)
[0044][0045]在已知预制体编织纱数目M下，由式(1
‑
4)、(1
‑
5)、(1
‑
6)求出内胞长度：
[0046]h＝R
out
‑
R
in (1
‑
9)
[0047]根据式(1
‑
9)可以求出内部单胞宽度h，
[0048]根据编织纱线投本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、根据圆型三维五向编织复合材料的编织规律，从中截取一块截面为扇形的子料；步骤2、根据微分概念对截取的子料进行简化，将其截面简化为等腰梯形，并保持总体积不变；步骤3、将子料划分为上表面单胞实体、内部单胞实体和下表面单胞实体三个部分，内胞模型代指内部单胞实体模型；步骤4、将梯形体状的内部单胞实体模型沿其径向划分为四层空间结构，形成内胞内部结构线，内部包括轴纱纱线轨迹和编织纱纱线轨迹空间运动轨迹，根据内胞几何参数、编织纱及轴纱截面参数建立内胞模型。2.如权利要求1所述的圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法，其特征在于，梯形体状的内胞实体由编织纱实体、轴纱实体和基体实体密实贴合缠绕而成。3.如权利要求1所述的圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法，其特征在于，基体实体是由梯形体状的内部单胞实体模型结合编织纱实体模型和轴纱实体模型进行布尔运算差集得到。4.如权利要求1所述的圆型三维五向编织复合材料内胞模型的简化建模方法，其特征在于，内部单胞实体模型的具体建模过程如下：1)根据电镜扫描图像，将编织纱纱线截面视为规则六边形，轴纱纱线截面视为规则等腰三角形；2)根据轴纱的截面面积S1、轴纱的密度ρ1、轴纱纱线密度λ1、纱线填充因子ε确定轴纱纱线截面和编织纱纱线截面的尺寸参数，包括等腰三角形状的轴纱截面的高a1和底边b1，六边形状的编织纱截面的长度a1和宽度b1，编织纱截面顶角角度α，轴纱顶角角度3)根据圆型三维五向编织复合材料的内径R
in
、外径R
out
以及圆心角Δθ得出内部单胞实体的下底长度T1、上底长度T2、宽度h和厚度W
h
；4)确定内部单胞实体里轴纱纱线轨迹的空间位置，内胞里9条轴纱纱线轨迹分别位于等腰梯形截面内胞模型的上下表面梯形的四个腰位置处、左右竖直面的横向中线处、上下表面等腰梯形中线处以及内胞模型的中间位置处；5)确定内胞模型中编织纱纱线轨迹在内胞模型中的空间位置，内胞中16根编织纱纱线均为直线，以柱坐标系为准，确定内胞模型的整体坐标系，这16条编织纱线轨迹首尾坐标位置为置为置为置为置为
其中，M代表预制体编织纱数目；6)根据确定好的轴纱纱线轨迹和编织纱纱线轨迹的空间位置，以及编织纱纱线截面和轴纱纱线截面的尺寸参数，将编织纱纱线截面和轴纱纱线截面建立局部坐标，利用建模命令“V”，结合编织纱纱线截面和编织纱纱线轨迹建立编织纱实体模型，结合轴纱纱...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨兴林，张昇雨，陈波，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：