纺织复合材料多尺度网格划分方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29180

材料工程与机械制造

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纺织复合材料多尺度网格划分方法

马莹¹^,², 陈奡¹, 邓聪颖¹, 陈翔¹, 禄盛¹^,²(), 曾宪君³

^1.重庆邮电大学先进制造工程学院，重庆 400065
^2.重庆邮电大学高等教育研究院，重庆 400065
^3.重庆交通大学绿色航空技术研究院，重庆 400074

收稿日期:2023-06-15 修回日期:2023-07-17 接受日期:2023-08-03 出版日期:2024-05-25 发布日期:2023-08-11
通讯作者: 禄盛 E-mail:lusheng@cqupt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金青年科学基金(12002070);重庆市自然科学基金面上项目(022NSCQ-MSX3803);重庆市留学人员回国创业创新项目(cx2018126)

A multiscale mesh generation method for textile composite

Ying MA¹^,², Ao CHEN¹, Congying DENG¹, Xiang CHEN¹, Sheng LU¹^,²(), Xianjun ZENG³

^1.School of Advanced Manufacturing Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China
^2.Institute for Advanced Study，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China
^3.The Green Aerotechnics Research Institute of Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China

Received:2023-06-15 Revised:2023-07-17 Accepted:2023-08-03 Online:2024-05-25 Published:2023-08-11
Contact: Sheng LU E-mail:lusheng@cqupt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation Youth Science Foundation of China(12002070);Natural Science Foundation of Chongqing(022NSCQ-MSX3803);Entrepreneurship and Innovation Project for Returned Overseas Personnel of Chongqing(cx2018126)

摘要/Abstract

摘要：

针对现有纺织复合材料网格划分时，由不规则纱线截面形状和材料边界引起的失真、干涉和锐化等问题，提出了一种基于织物微观几何结构的复合材料网格划分方法和单元拆分机制。该方法借助专业纺织建模软件DFMA建立织物单胞几何结构点云。首先，基于结构点云，计算纱线路径并采用Delaunay三角网改进的Alpha-shape算法计算纱线截面轮廓，依此获得纱线表面初始网格。然后，将该网格置于体素网格中，通过网格映射方法引入周期性边界，并与体素网格节点相匹配，进而消除纱线间的渗透和窄间隙。最后，拆分体素单元，以保证材料的连续性。采用该方法建立了平纹、三维整体正交和层间正交复合材料网格模型，并基于应变连续损伤准则与指数衰减模型建立了纺织复合材料的损伤起始与演化准则，模拟了平纹编织复合材料在剪切载荷作用下的力学性能。结果表明，与四面体和六面体网格划分方法相比，所提网格划分方法能够较为准确地还原复合材料内部几何结构，处理二维和三维机织物结构中的尖锐边界和复杂曲面，获得光滑的纱线表面和清晰的轮廓；网格数量适中，计算耗时仅为TexGen模型的15%。剪切模量和强度的仿真结果与实验结果对比分别相差8.93%和3.73%，验证了模型的有效性与可靠性。

关键词: 纺织复合材料, 网格划分, 织物微观几何结构, 体素网格, 剪切性能

Abstract:

In order to solve the problem of distortion， interference and sharpening caused by irregular cross-sectional yarn shape and material boundaries， a mesh method and unit splitting mechanism for textile composites based on fabric microstructure are proposed. In this method， the point cloud of fabric unit-cell micro-geometry is established by textile modeling software DFMA. Based on the structural point cloud， the yarn path and cross-sectional shape are calculated， implementing the modified Delaunay triangulation Alpha-shape algorithm. The yarn surface mesh is then placed in and match with the voxel mesh. The periodic boundary is introduced by grid mapping. Penetration and narrow gap between yarns are eliminated. Finally， split the voxel units to ensure the continuity of the material. The mesh models of plain weave， three-dimensional integral orthogonal and interlayer orthogonal composites are generated using the proposed method. The damage initiation and evolution criteria of textile composites were established based on the strain-continuous damage criterion and exponential decay model. The mechanical properties of plain weave composites under shear load are simulated. The results show that， compared with tetrahedral and hexahedral meshing methods， the proposed mesh method is capable of more accurately restoring the internal geometry of woven composite materials， dealing with sharp borders and complex surfaces in 2D and 3D fabric structures， and obtaining smooth yarn surfaces and clear cross-sectional shapes. The total number of meshes of the proposed mesh model is moderate， and the calculation time is only 15% of that of the TexGen model. The difference between simulation results and experimental results of shear modulus and strength is 8.93% and 3.73% respectively， which verifies the validity and reliability of the model.

Key words: textile composite, mesh generation, fabric micro-geometry, voxel grid, shear property

中图分类号:

V258

马莹, 陈奡, 邓聪颖, 陈翔, 禄盛, 曾宪君. 纺织复合材料多尺度网格划分方法[J]. 航空学报, 2024, 45(10): 429180-429180.

Ying MA, Ao CHEN, Congying DENG, Xiang CHEN, Sheng LU, Xianjun ZENG. A multiscale mesh generation method for textile composite[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(10): 429180-429180.

图/表 20

图1

图2

图3

图4

图5

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图11

图12

表 1

表 2

表 3

表 4

图13

表 5

图14

图15

参考文献 37

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

划分方法	单元类型	耗时/s	单元数量/10⁵	纱线尺度纺织复合材料模型
划分方法	单元类型	耗时/s	单元数量/10⁵	织物	树脂	复合材料
方法1^［24］	六面体	5.85	1.87
方法2^［15］	四面体	95.47	22.63
方法3	六面体、四面体、三棱柱、金字塔	13.95	3.44

划分方法	经纱截面与纬纱轨迹	纬纱截面与经纱轨迹	接结经纱轨迹
样品显微图像
方法1^［24］
方法2^［15］
方法3

参数	数值
参数	纤维束复合材料	树脂
E₁₁/GPa	23.508	9.36
E₂₂=E₃₃/GPa	9.404	9.36
G₁₂=G₁₃/GPa	9.404	3.52
G₂₃/GPa	4.348	3.52
ν₁₂=ν₁₃	0.137	0.33
ν₂₃	0.312	0.33
X_1t/MPa	490.52	82
X_1c/MPa	143.93	100
X_2t=X_3t/MPa	24.7	82
X_2c=X_3c/MPa	8.2	100
S₁₂=S₁₃/MPa	68.3	50
S₂₃/MPa	68.3	50
剪切模量G/（N·mm^-1）	6	1

类型	剪切模量		剪切强度		失效应变
类型	数值/ GPa	误差/ %	数值/ MPa	误差/ %	数值	误差/ %
实验结果	3 607.8		49.39		0.013 90
Zeng 模型^［34］	3 957.26	9.69	55.85	13.08	0.017 51	25.97
本文模型	3 929.89	8.93	51.23	3.73	0.013 26	4.60

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