本发明专利技术涉及机织复合材料建模领域，具体为一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法，所述方法包括建立复合材料机织物代表性体积单元微观几何模型，经过计算后输出表面三角面片模型；将三角面片模型周期性映射到复合材料域中，计算网格线域三角面片的表面交点；沿网格线方向修复不同纱线间的渗透和窄间隙；调整网格节点坐标以匹配邻接表面交点并设置网格节点标签；根据六面体单元表面的四个节点判断表面的拆分模式；根据表面的拆分模式将六面体单元再次拆分为四面体、金字塔和三棱柱单元，按照单元的标签类型为单元设置对应的标签集，同时保存单元对应的材料方向。本发明专利技术能建立高趋真机织复合材料的有限元模型，具有十分广泛的应用前景。分广泛的应用前景。分广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法
[0001]本专利技术涉及机织复合材料建模领域，具体为一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法。
技术介绍
[0002]机织复合材料作为一种新型的高性能复合材料，具有高比模量、高比强度和良好的工艺性等特点，在航天航空、军事等领域得到了广泛的应用。机织复合材料中的机织物增强体是通过经纱、纬纱和接结纱按照特定的拓扑结构规律地编织而成，具有明显的多尺度特性，其微观结构和细观结构直接影响复合材料的宏观性能。
[0003]机织复合材料细观尺度单胞由纱线和基体构成，其中纱线由纤维丝束和渗入纤维间的基体组成。然而由于纤维丝束间在织造过程中会发生相互挤压变形，导致机织复合材料的细观纱线具有复杂的几何形状。在以往的建模研究工作中，会对细观纱线的截面、路径进行一定的理想假设，但真实的细观纱线的截面是随路径动态变化的，理想假设往往会与真实结构有一定的差距，因此为了能够更加真实的反映机织复合材料的细观纱线结构，需要在建模时充分考虑织物的变形。
[0004]对于机织复合材料的细观建模，通常的方法是基于扫描电镜、光学显微镜和Micro
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CT扫描结果，对纱线进行一定的截面、路径假设，从而通过参数化的方式创建机织复合材料细观结构理想模型。但理想几何建模方法多用于低纤维体积含量的机织复合材料，当纤维体积含量较高时，由于纱线间的相互挤压变形会导致纱线具有不同的波纹度且纱线截面存在一定的非对称性和扭转。理想几何模型所假设的规则纱线形态、轨迹与真实模型差距较大，甚至纱线几何模型会出现一定的干涉，无法满足力学性能分析的需要。
[0005]基于有限元的数值计算方法是研究复合材料的一种重要且有效的方法。该方法需要建立材料的有限元模型，模型能否有效地反应材料的内部结构直接影响后续预报材料各项力学性能的精度；中国专利CN113987882 A提供了一种机织复合材料细观纱线结构的数字化建模方法，该方法实现了复合材料增强体的几何建模，但是该方法无法实现复合材料基体建模和整体的网格划分。
[0006]目前，传统网格划分方法仅适用于理想化(纱线截面为椭圆、跑道型和透镜形等)机织复合材料细观结构的网格划分，且仅针对增强体每根纱线和基体分别进行网格划分，然后组合增强体和基体网格为复合材料网格，使得纱线
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纱线和纱线
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基体界面间的网格存在一定干涉，影响后续有限元仿真结果。
技术实现思路
[0007]基于现有技术存在的问题，本专利技术目的在于提供一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法，本专利技术基于机织物微观几何模型不仅能建立精确的几何模型，同时考虑机织复合材料各组分间界面关系，消除纱线间干扰和狭窄的间隙，生成精确的机织复合材料有限元模型。基于微观尺度的机织物单胞模型快速的建立复合材料高趋真有限元
模型，提高有限元力学性能预测精度，适用于开发各种几何结构的二维、三维机织复合材料，极大的提升机织物复合材料的开发效率、降低开发成本，具有十分的应用前景。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法，包括以下步骤：
[0010](1)建立机织物的代表性体积单元微观几何模型；
[0011](2)基于代表性体积单元微观几何模型计算纱线轴线方向，输出机织物纱线的表面三角形面片模型；
[0012](3)建立复合材料域，添加基质材料并将复合材料域离散为六面体单元；
[0013](4)将步骤(2)中纱线的表面三角形面片模型映射到复合材料域中，计算三角形面片与复合材料域中网格线的交点，并保存网格线表面交点的拓扑关系；
[0014](5)沿网格线方向修复不同纱线间因尺度转换导致的纱线间渗透和窄间隙；
[0015](6)调整复合材料域的网格节点到邻接网格线表面交点，并设置网格节点的拓扑标签；
[0016](7)遍历六面体单元表面，根据每个表面的四个网格节点判断相应六个表面的拆分模式，并确定出拆分线；
[0017](8)根据六面体单元中六个表面的拆分模式将六面体单元再次拆分为四面体、金字塔和三棱柱单元，按照各单元的标签存储为对应组分单元集，并得到各单元对应的材料方向。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有的有益之处包括：
[0019]本专利技术可以进行完全数字化的进行机织复合材料产品的开发，不需要真实的织物。极大减少了产品开发的周期。同时，基于微观几何结构重建的有限元模型的趋真度能够得到有效的保证，基于整体的网格划分能识别并修复不同纱线间的渗透和窄间隙，匹配纱线
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纱线和纱线
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基体界面使所有部件完美啮合在一起。本专利技术能够提高复机织复合材料力学性能预测的精度，很好的指导机织复合材料产品的开发与验证。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例的一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法流程图；
[0021]图2为本专利技术实施例的三维正交织物代表性体积单元拓扑结构示意图；
[0022]图3为本专利技术实施例的三维正交织物代表性体积单元微观几何模型；
[0023]图4为本专利技术实施例的三维正交织物纬纱截面切片纤维节点示意图；
[0024]图5为本专利技术实施例的三维正交织物纬纱截面边界节点示意图；
[0025]图6为本专利技术实施例的三维正交织物表面三角面片模型；
[0026]图7为本专利技术实施例的三角面片与复合材料域映射示意图；
[0027]图8为本专利技术实施例的网格线表面交点计算示意图；
[0028]图9为本专利技术实施例的纱线间渗透与窄间隙调整示意图；
[0029]图10为本专利技术实施例的网格节点调整示意图；
[0030]图11为本专利技术实施例的六面体单元表面拆分模式示意图；
[0031]图12为本专利技术实施例的六面体单元拆分示意图；
[0032]图13为本专利技术实施例的三维正交织物复合材料有限元网格模型。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0035]图1为本专利技术实施例的一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法流程图；如图1所示，本专利技术所述的一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法，包括以下步骤：
[0036](1)建立机织物的代表性本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法，包括以下步骤：(1)建立机织物的代表性体积单元微观几何模型；(2)基于代表性体积单元微观几何模型计算纱线轴线方向，输出机织物纱线的表面三角形面片模型；(3)建立复合材料域，添加基质材料并将复合材料域离散为六面体单元；(4)将步骤(2)中纱线的表面三角形面片模型映射到复合材料域中，计算三角形面片与复合材料域中网格线的交点，并保存网格线表面交点的拓扑关系；(5)沿网格线方向修复不同纱线间因尺度转换导致的纱线间渗透和窄间隙；(6)调整复合材料域的网格节点到邻接网格线表面交点，并设置网格节点的拓扑标签；(7)遍历六面体单元表面，根据每个表面的四个网格节点判断相应六个表面的拆分模式，并确定出拆分线；(8)根据六面体单元中六个表面的拆分模式将六面体单元再次拆分为四面体、金字塔和三棱柱单元，按照各单元的标签存储为对应组分单元集，并得到各单元对应的材料方向。2.如权利要求1所述的一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法，其特征在于：所述步骤(1)，具体如下：(1.1)定义机织物的各组分纱线参数、代表性体积单元的尺寸及其组织的关键节点，建立机织物代表性体积单元拓扑结构；(1.2)设置拓扑结构边界条件并施加纱线张力，通过纱线纤维离散化和纤维数字单元离散化将纱线离散为微观几何单元，对离散后的纱线进行数值计算获得微观几何单胞模型。3.如权利要求1所述的一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法，其特征在于：所述步骤(2)，具体如下：(2.1)获取步骤(1)中模型的纤维节点三维坐标数据并记录其相应拓扑关系；(2.2)通过节点三维坐标计算纱线中轴路径节点，沿每根纱线的路径方向将纱线截面均匀切片，并获取每根纤维在纱线截面上的插值点；(2.3)采用Delaunay三角化算法和Alpha
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shape算法自适应获取步骤(2.2)中纱线截面插值点的边界，得到纱线截面多边形边界轮廓；(2.4)对步骤(2.3)中的截面多边形进行均匀化插值得到三角形面片的顶点，然后按照特定的顺序生成纱线的表面三角形面片模型。4.如权利要求1所述的一种基于微观几何模型的织物复合材料有限元建模方法，其特征在于：所述步骤(3)，具体如下：(3.1)读取织物代表性体积单元的尺寸，设置复合材料域的min和max两个关键节点；(3.2)根据织物的纤维尺寸和横截面参数设置合适的六面体单元尺寸...
【专利技术属性】
技术研发人员：马莹，何志飞，禄盛，邓聪颖，赵洋，陈翔，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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