一种基于数字单元法的三维正交织物织造过程建模方法

技术领域

本发明属于织物建模领域，涉及一种基于数字单元法的三维正交织物织造过程建模方法。

背景技术

近年来，众多学者在不同尺度下对三维机织物几何结构的建模方法展开了研究。马崇启等使用二段三次Bezier曲线拟合纱线轴心线，假定纱线截面形态为椭圆形，通过放样建模方法得到了织物几何模型；朱建华等将纱线截面假定为椭圆形，纱线轨迹使用三次B样条曲线表示，建立了三维多层织物几何模型。王旭等假设纱线截面为圆形，不考虑挤压等导致的截面及轴线变形，在3ds Max软件中对三维正交织物几何结构进行了参数化建模。上述模型均基于理想化纱线截面和路径假设，事实上，真实纱线由成百上千根纤维组成，纤维随织造过程的移动使得纱线截面形状不规则，同时也会随纱线路径发生改变。

为了精确表征纱线截面形态和纱线路径信息，以下学者将纱线离散成多根纤维对织物进行了建模。Ying等和Daelemans等将纤维模拟为桁架单元组成的数字链，分别在亚纱线尺度建立了三维正交织物和角联锁织物几何模型。Green等将纱线模拟为由61根梁单元链组成的纤维集合体，对单胞施加周期性边界条件，并对织物成形过程进行了仿真。

上述研究均在亚纱线尺度开展，建模方法仅对织物单胞进行建模，然后将单胞沿纬向和经向进行复制拼接，获得特定尺寸的织物。然而，织物的形成是一个动态的过程，织造过程中多种因素共同决定织物微观几何结构。相邻单胞之间也存在着差异，上述建模方法均未考虑到这一因素。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对现有建模方法难以考虑织造过程对织物成型作用的问题，提供一种基于数字单元法的三维正交织物织造过程建模方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于数字单元法的三维正交织物织造过程建模方法，通过对织机关键部件以及织造过程五大运动建模，建立三维机织物微观几何结构，包括以下步骤：

S1：通过研究贾卡织机机构，建立织机关键部件模型，并输入材料参数和织机参数；

S2：根据织物单胞在织造时经纱和接结纱的运动规律，构建织造矩阵和织物单胞几何结构的映射关系；

S3：通过逐步模拟织机五大运动，建立在不同经纱和接结纱张力比下的纤维尺度织物单胞模型，并与织物样本进行对比分析；

S4：通过仿真与实验对比分析，揭示经纱和接结纱张力比对织物厚度、宽度以及筘张力的影响规律。

进一步，步骤S1中，织机关键部件包括综丝、综眼、筘、梭、张力装置、弹簧单元、卷取辊。

进一步，在步骤S2中，根据织物单胞结构，使用包含“-1”“1”的织造矩阵来表示织造过程中经纱和接结纱的运动规律。

进一步，在步骤S4中，建立5组不同纱线张力组合的三维正交织物几何结构数值模型来预测和探究真实织物微观几何结构。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法在亚纱线尺度对织物的织造过程进行建模，织物随着织造过程的进行，结构逐渐由松散变得紧密，最终趋于稳定。建立的织物数值模型与织物样本显微图片吻合度高，可为后续进行干织物或织物增强复合材料的力学性能分析奠定基础。建立的5组不同纱线张力组合的三维正交织物几何结构数值模型表明了织造过程中经纱张力和接结纱张力对织物微观几何结构的影响规律，可为实际织造过程提供参考。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述基于数字单元法的三维正交织物织造过程建模方法流程示意图；

图2为三维织机关键部件示意图；

图3为正交织物织造过程示意图；

图4为单胞组织结构图；

图5为织造过程中织物结构变化；

图6为织物数值模型与织物样本显微图像对比；

图7(a)-(b)分别为经纱张力和接结纱张力对筘张力的影响；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，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。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模方法，包括以下步骤：

步骤一：输入材料和织造参数并建立织机织造运动模型

分析贾卡织机的运动机构，对其关键部件进行建模。图2为贾卡织机关键部件的示意图。输入材料参数和织造参数。本例模拟的三维正交织物由Nicalon CG纤维构成，其主要参数包括纱线横截面积、纤维纵向弹性模量、横向弹性模量、纤维强度、密度和每根纱线包含的纤维根数。织机的参数包括织机高度、长度、筘幅、筘距、筘的直径和卷取频率。

步骤二：建立织造矩阵和织物单胞几何结构的映射关系

通过织物单胞几何结构推测织物真实织造过程经纱/接结纱的运动，然后根据经纱和接结纱的运动规律，构建织造矩阵。

具体方法如下所示：图3为一个纬纱层数为2，列数为2的织物单胞织造过程示意图。每一个子图上方均有一个织造矩阵与之对应，1

根据上述织物单胞几何结构与织造矩阵的映射算法，对具有如图4所示拓扑结构的单胞进行建模，对应的织造矩阵如表1所示。

步骤三：建立5种张力组合的织物模型并与织物样本显微图片进行对比

按照比例调整经纱和接结纱张力，得到5组织物数值模型。其中经纱张力和接结纱张力分别为0.16,0.02的数值模型与织物样本的结构最为契合。以该张力组合为例，其织造过程中织物的几何结构变化如图5所示。从图5可知，随着织造的持续进行，先前形态未稳定的单胞受经纱、接结经纱张力和打纬力作用，结构逐渐紧密，几何结构逐渐稳定。图6左图为织物样本显微图像，中图为数值模型，右图为两者的拟合。从图中可以看出仿真所得模型的接结经纱厚度和路径、纬纱截面形状和位置与显微图像高度吻合。

步骤四：仿真与实验对比分析

表2对5组张力组合的数值模型与织物样本的定量分析进行了总结。从表2中可以分析得到，接结纱和经纱张力分别与厚度和卷曲角度成反比和正比。当接结纱张力增加一倍时，织物厚度减少25％。对比第5组和第1组，当经纱张力增加一倍时，织物厚度增加了22％。对比第3组与第5组，当经纱和接结纱张力同时增加一倍时，织物厚度仅减少3.5％，这表明织物厚度主要取决于经纱和接结纱的张力比。考虑到接结纱的张力是经纱张力的一半，接结纱张力在决定织物结构方面起着更重要的作用。

经纱张力对筘的张力的影响如图7所示。从图7中可以看到，筘的张力每隔20步就会出现一次峰值，间隔的步数与形成半个单胞所需步数一致，峰值的大小约为平均值的5到10倍。如图7(a)所示，筘张力与接结纱张力与成正比。而图7(b)表明，经纱张力对筘张力影响不大。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

表1三维正交织物织造矩阵

表2纱线张力组合对织物厚度和卷曲角的影响

真实织物样本的厚度和卷曲角分别为0.00359m和78.23°。