二步法圆形织编结构的建模表达与结构仿真.pdf

　二步法圆形织编结构的建模表达与结构仿真　　２０１６年１月　　二步法圆形织编结构的建模表达与结构仿真　宁方刚，于伟东　　　　　　　（东华大学纺织学院，产业用纺织品教育部工程研究中心，上海２０１６２０）　摘要：在对玫瑰曲线研究的基础上，对玫瑰曲线进行拓展，获得广义玫瑰曲线，并对广义玫瑰曲线中的相关参数对结构的　　影响情况进行了详细的分析和讨论。在此基础上将其应用在管状编织结构的建模中，结果显示基于广义玫瑰线的二步法圆形　　编织结构可以较好地反映编织结构中股线相互穿插交织规律，为该类结构的设计和仿真提供模型。　　关键词：二步法圆形编织；广义玫瑰线；三维编织复合材料；结构建模　　　　　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０ｌ６）０１－００４０－０５　三维编织复合材料是将古老的编织技术与现代　复合材料成型技术有机地融于一体而形成的一种具　　　　有独特结构的复合材料，它从根本上克服了单向增　强的复合材料层板易分层、开裂等缺点，具有高的比　　　　　　强度、比刚度，优良的抗冲击损伤性能、抗疲劳断裂　　性能、耐烧蚀性能、结构整体性和可设计性等１］，因　　　　此倍受工程界的普遍关注，在航空、航天、国防、体育　　　用品和生物医疗等领域得到了广泛应用ｊ。　　　二步法是步骤最少的三维编织方法］。携纱　　　器的编织运动规律相对简单，因而能编织结构比较　　　复杂的预制件。又因轴纱不运动，轴纱按预制件的　　　形状排列，所以预制件的纤维含量较高，力学性能比　　　　　较好，特别是在轴向方向的力学性能较其他的编织　　方法好，因此二步法编织的零件适用于主承力为轴　　向力的地方。二步法虽然运动步骤少，但是二步法　　　的工艺是在四步法之后提出的，提出较晚］。纵观　　　　三维编织复合材料方面的研究，大部分都是对四步　　　法的研究，对二步法的研究较少，许多基础理论研究　　　不足，特别是在微观结构的分析方面研究得比较少，　　　　　　结构模型存在着许多缺陷和局限性］，这就导致　　了力学性能预测方面存在许多局限性，理论数据和　实验数据总是相差很大，这就严重影响了理论应用　　　于实践，严重影响了二步法的推广。虽然二步法运　　　动步骤比较少，但是其运动线路并非像四步法那样　　　是水平和竖直运动的，其运动过程的计算机仿真比　　　　　较困难，进一步影响了二步法在实践中的应用］。　　　对于圆形三维编织结构，由于结构复杂，没能够　　　　提出一个确定的数学表达和分析，一般的方法是通　　　过对其编织轨迹进行分析，然后抽象出点运动的规　　　律，然后通过样条曲线，采用描点的方法来实现对其　　空间拓扑结构的表达，具体的工具包括三大类¨　　，一　　　　类是动画设计性的软件，包括３ＤＭａｘ等，另一　　　　　　类是机械设计类软件１２，１３１，包括ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、Ｐｒｏ．Ｅ　等，还有通过数学工具如ＭＡＴＬＡＢ等¨　　实现的。根　据该方法建立的结构在一定程度上可以描述纱线在　编织结构中的空间构型，但是没有给出明确的数学　　　模型。对于结构和过程相对简单的圆形编织结构，　　　　基本上沿用了同样的方法，同样没有给出相应的数　　学模型。　　本文就以上问题，针对编织规律较为明显、结构　较为简单的二步法圆形编织结构提出一种基于广义　　玫瑰线的数学模型，并基于该类数学模型建立了二　步法圆形编织结构的空问模型。　　１二步法圆形编织原理　二步法圆形编织结构秉承了方形编织结构的思　　　　　路，采用对角线交织的方式，不同的是，在圆形编织　　中，对角线变成了内外圈上不同半径上的点。通过　　“”　　偏转一定角度的方式，完成对角线交织。二步法　　圆形编织股线轨迹路径如图１所示。　（ａ）第一步　（ｂ）第二步　　　图１二步法圆形编织股线轨迹路径　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｐａｔｈｓｏｆｓｔｒａｎｄｉｎｔｗｏｓｔｅｐｃｉｒｃｌｅｂｒａｉｄ　　——　收稿１３期：２０１５０８０４　　作者简介：宁方刚（１９８２．），男，博士，主要从事绳缆及复合材料编织结构设计。　　　　　　通讯作者：于伟东（１９５６一），男，博士，教授，主要从事纺织材料结构与性能研究。　罔辫　　　『ｏ．１　　２０１６年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　４３　　达式，二步法圆形编织结构一根股线的空间结构如　　　图７所示。　　　图７股线的空间结构　　　　　　　Ｆｉｇ．７Ｓｐａｔｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｓｔｒａｎｄ　　４二步法圆形编织结构的结构仿真　　　　基于二步法圆形编织结构股线的空间方程，借　助三维建模软件可以建立二步法圆形编织结构的结　　　构模型。本文以ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１３为例，首先建立３Ｄ　　　草图，在草图上选择方程式驱动曲线选项，在对话框　　　　中输入空间股线的参数方程，即可完成单根股线中　　　　　心线，然后以股线截面为截面，以股线中心线为轨迹　　进行实体扫描，获得编织股线的实体模型。股线结　构是建立编织结构的基础和最重要的单元。利用相　同的方法完成另一侧股线的建模，然后在转配体中　　将两个方向的股线进行装配。同向股线之间空间形　　　态完全相同，只是初始相位不同，因此，同向股线可　以通过旋转复制来实现。这样就可以完成最终编织　　结构的建模，如图８所示。　皇　　《麓冒圈　淫雪重　≥　　《罄冒　　《圉露霜　　ｏｏ　（ａ）单根股线　（ｂ）编织结构　（ａ）Ｓｉｎｇｌｅｓｔｒａｎｄ　　（ｂ）Ａｓｓｅｍｂｌｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　图８二步法圆形编织结构　　　　　　Ｆｉｇ．８Ｔｗｏ・ｓｔｅｐｃｉｒｃｌｅｂｒａｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　５结论　　　　本文通过对玫瑰线进行讨论和推广，分析了广　　　义玫瑰线的结构特点和形貌特征，并以此为基础建　立了广义玫瑰线同二步法圆形编织结构股线之间的　　对应关系，得出了二步法编织结构股线可以通过广　　　　义玫瑰线进行模拟的结论，进而给出了二步法圆形　　　编织结构股线的空间方程。基于该方程，结合建模　　　软件建立了二步法编织结构股线空间结构，通过装　　　　配完成了二步法圆形编织结构的建模。通过对模型　　　观察可以看出，利用广义玫瑰线方法建立的二步法　　编织结构模型能够反映二步法编织结构中股线之间　的交织形态和规律。　参考文献　　　　　　［１］Ｌｉａｏ，Ｔ．，Ｓ．Ａｄａｎｕｒ．．３Ｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｕｂｕｌａｒｂｒａｉｄｅｄ　　—　　　　ｆａｂｒｉｃｓｆｏｒｎｅｔｓｈａｐｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＴｅｘｔｉｌｅＲｅｓｅａｒｃｈＪｏｕｒｎａｌ＂，—　２０００，７０（４）：２９７３０３．　　　　［２］Ｌｏｍｏｖ，Ｓ．Ｖ．，ｅｔａ１．Ｔｅｘｔｉｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ：ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ［Ｊ］．　　　　　　　ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＡ：ａｐｐｌｉｅｄｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００１，３２—　（１０）：１３７９１３９４．　　［３］昝修平，杨彩云．芳纶编织绳与加捻绳的拉伸曲线比较分析　　［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（ｏ４）：１７－１９．　［４］孙志宏，阮谷萍．圆形编织法的工艺参数对编织物结构的影响　—　［Ｊ］．纺织学报，１９９９，（０６）：３５３＆　　　　　　　　　　［５］张小萍，王君泽．二步法三维编织物仿真模型［Ｊ］．纺织学报，—　２０１１，（１Ｏ）：１４７１５２．—　　　　　　［６］Ｄｕ，Ｇ．Ｗ．，Ｆ．Ｋ．Ｋｏ．ＵｎｉｔＣｅｌｌＧｅｏｍｅｔｒｙｏｆ３－ＤＢｒａｉｄｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　　　　　　［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓａｎｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，１９９３，１２（７）：—　７５２７６８．　　　　　　　　［７］毛立民，杜彬，裴会成．双二步法三维管状编织工艺原理研究　—　［Ｊ］．上海纺织科技，２０１２，（１１）：３４３６．　　　　　　［８］柴雅凌．矩形和圆形三维编织预制件中纱线的拓朴学结构［Ｊ］．　—　纤维复合材料，１９９６，（Ｏ１）：２３３Ｏ．　［９］王毅强，张立同，成来飞．三维编织体复合材料空间几何结构的—　计算机模拟［Ｊ］．航空材料学报，２００８，（０２）：９５９８．　　［１０］王书文，黄星梅．管状螺旋曲面的数学建模与ＣＡＤ绘图［Ｊ］．　　　机械设计与制造，２００８，（２）：６４－６６．　　　　　　　［１１］王晋．编织家居产品的数字化设计技术研究［Ｄ］．浙江：浙江　　　工业大学，２０１１．　　　　　　　　［１２］Ｓｔａｎｏｖａ，Ｅ．，ｅｔａ１．Ｃｏｍｐｕ￣ｒｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｗｉｒｅｓｔｒａｎｄｓａｎｄｒｏｐｅｓ　　　　　　　ＰａｒｔＩ：Ｔｈｅｏｒｙａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＥｎ－　—　ｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｆｔｗａｒｅ，２０１１，４２（６）：３０５３１５．　［１３］王时龙．多股螺旋弹簧的空间曲线模型研究［Ｊ］．中国机械工　　程，２００７，（１１）：１２６９－１２７２．　　［１４］张美忠．三维整体编织Ｃ／Ｃ复合材料预制体结构仿真与弹性　　　　　　性能预测［Ｄ］．西安：西北工业大学，２００６．　［１５］金义明，张三元．广义玫瑰线及其应用［Ｊ］．计算机应用研究，　２００４，３：２．　　　　　　［１６］Ｇｏ￣ａｎｃ，Ｓ．Ｒｏｓｅｓｕｒｆａｃｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｆｏｒ　　—　ｇｅｏｍｅｔｒｙａｎｄｇｒａｐｈｉｃｓ，２０１０，１３（１）：５９６７．　二步法圆形织编结构的建模表达与结构仿真　　２０１６牟１月　　　　　　　’　　　　ＴＨＥＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡＬＭＯＤＥＬＳＡＮＤＳＩＲＵＣＴＵＩＩＡＬＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＦ０Ｒ　　　　　　ＴＷｏＳＴＥＰＣＩＲＣＬＥＢＲＡＩＩ）ＥＤＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ　—　　—　ＮＩＮＧＦａｎｇｇａｎｇ．ＹＵＷｅｉｄｏｎｇ　　　　　　　　（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＴｅｘｔｉｌｅｓ，ＴｅｘｔｉｌｅＣｏｌｌｅｇｅ，ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　　　Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｅｒｏｓｅｃｕｒｖｅｔｏｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｒｏｓｅｃｕｒｖｅ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｏｓｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｃｕｒｖｅａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｌａｔｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｒｏｓｅｃｕｒｖｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａ・　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｐｅｒａｐｐｌｉｅｄｔｈｉｓｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｒｏｓｅｃｕｒｖｅｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｗｏｓｔｅｐｃｉｒｃｌｅｂｒａｉｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｓｃｏｕｌｄｒｅ　　　　　　　　　　　ｆｌｅｃｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｅａｒａｎｃｅｏｆｔｗｏｓｔｅｐｃｉｒｃｌｅｂｒａｉｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｗｏｓｔｅｐｃｉｒｃｌｅｂｒａｉｄ；ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｒｏｓｅｃｕｒｖｅ；３Ｄｂｒａｉｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ　　（上接第９１页）　　　　　　—　［４１］ＯｌｉｖｅｉｒａＲＤ，ＬａｖａｎｃｈｙＳ，ＣｈａｔｔｏｎＲ，ｅｔａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉ　　　　　　　　　　　—　ｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｍｏｕｌｄｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐ　　　　　　　　　ｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｅｓｓｅｓｄｕｒｉｎｇｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　　　　　［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＡＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００８，—　３９（７）：１０８３１０９０．　［４２］卢少微，马克明，熊需海，等．复合材料真空袋成型加压点的　　光纤光栅监测及优化［Ｊ］．中国激光，２０１４，４１（８）：１７５－１７９．　［４３］岳广全，张嘉振，张博明．模具对复合材料构件固化变形的影　　—　响分析［Ｊ］．复合材料学报，２０１３，３０（４）：２０６２１０．　　［４４］田恒，王继辉，冀运东，等．布拉格光栅监测不同厚度方向的—　固化残余应力［Ｊ］．功能材料，２０１２，４３（１９）：２６７１２６７４．　　　　　　—　［４５］ＭｕｌｌｅＭ，ＣｏｌｌｏｍｂｅｔＦ，ＯｌｉｖｉｅｒＰ，ｅｔａ１．Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｃｕｒｅ　　　　　　　　—　ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒａｉｎｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎ－ｅｐｏｘｙｌａｍｉｎａｔｅｓｕ　　　　　　ｓｉｎｇＦＢＧｓ，ＰａｒｔＩ：Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｓｐｅｃｉｍｅｎ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＡ：　　　　ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００９，４０（１）：９４－１０４．　　　　　　　［４６］ＭｕｌｌｅＭ，ＣｏｌｌｏｍｂｅｔＦ，ＯｌｉｖｉｅｒＰ，ｅｔａ１．Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｃｕｒｅ．　　　　　　—　　　ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒａｉｎｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎｅｐｏｘｙｌａｍｉｎａｔｅｓｕ・　　　　　　ｓｉｎｇＦＢＧｓＰａｒｔＩＩ：Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｓｐｅｃｉｍｅｎ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔ　　　　　　　　Ａ：ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００９，４０（１０）：　１５３４．１５４４．　　’　　　　　　　　　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮｏＦＩＢＥＲＢＲＡＧＧＧＩＴＩＮＧｏＮＣＵＲＥＰＲｏＣＥＳＳＲＥＳＥＡＲＣＨ　　　ｏＦＡＤＶＡＮＣＥＤＣＯＭＰＯＳＩＴＥ　—　—　ＺＨＡＮＧＹｏｎｇａｎ，ＺＨＡＮＬｉｈｕａ　　　　　　　　　（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｖａｎｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓａｐｐｌｉｅｄｗｉｄｅｌｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆａｅｒｏｓｐａｃｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｕｔｏｃｌａｖｅｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｈａｓｂｅｃａｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｂｕｔｔｈｉｓｐｒｏｃｅｓｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｅｘｉｓｔｓｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｈｉｇｈｃｏｓｔ，ａｎｄｔｈｅｃｕｒｅｓｔｒａｉｎｃａｕｓｅｄｉｎｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｉｌｌａｆｆｅｃｔｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　　　—　　　　　　　　　　　ｑｕａｌｉｔｙ．ＢｙｕｓｉｎｇＦＢＧｓｅｎｓｏｒｔｏｉｎｓｉｔｕｍｏｎｉｔｏｒｓｔｒａｉｎ／ｓｔｒｅｓｓ，ｉｔｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｍａｋｉｎｇｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｒｏｃｅｓｓ　　　　　　　　　　　　　　ａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｑｕａｌｉｔｙ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｃｒｏｓｓ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆＦＢＧｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎａｕｔｏｃｌａｖｅ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＴｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｕｒｉｎｇｍｏｌｄｉｎｇｂｙｕｓｉｎｇＦＢＧｉｎｓｉｔｕ　　　　　　　　　　　　　　　—　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄｄｕｎｎｇｔｈｅｐａｓｔｙｅａｒｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｓｏｍｅｃｏｎｓｉｄ　　　　　　　　　　—　　　　　ｅｒａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔａｎｄｕｒｇｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆＦＢＧｉｎｓｉｔｕｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．　　　—　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ；ｃｕｒｅｉｎｄｕｃｅｄｓｔｒａｉｎ；ｉｎ－ｓｉｔｕｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｑｕａｌｉｔｙ