[論文レビュー] Finite element simulation of textile materials at the fiber scale

Damien Durville|ArXiv.org|Dec 7, 2009

Textile materials and evaluations参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ビーム要素と接触・摩擦アルゴリズムを用いた有限要素法を提示し、織り繊維材料の繊維スケールでの機械的挙動をシミュレートする。大変位および複雑な相互作用を高精度にモデル化可能である。この手法は、繊維の軌跡、テープ断面形状、さまざまな荷重条件下での機械的応答を的確に予測でき、コーティング織り繊維材料のサンプルで検証された。

ABSTRACT

A general approach to simulate the mechanical behavior of textile materials by taking into account all their constitutive elementary fibers and contacts between them is presented in this paper. A finite element code, based on an implicit solver, is develop to model samples of woven fabrics as assemblies of beams submitted to large displacements and developing contactfriction interactions between themselves. Special attention is paid to the detection and modeling of the numerous contacts occurring in this kind of structures. Robust models and efficient algorithms allow to consider samples made of few hundreds of fibers. The unknown initial configuration of the woven fabric is obtained by simulation according to the chosen weaving pattern, providing useful informations on fibers trajectories and tows crosssections shapes. Various loading cases can then be applied to the textile sample, in presence of an elastic matrix, so as to identify its mechanical behavior under different solicitations. Results of simulations performed on coated fabric samples are given to illustrate the approach.

研究の動機と目的

• 個々の繊維およびそれらの相互作用を考慮した、織り繊維材料の繊維スケールにおける詳細な機械的シミュレーションの開発。
• 織り構造内の繊維間における大変位および複雑な接触・摩擦相互作用のモデル化。
• 指定された織りパターンに基づいて、布地の初期平衡配置を特定すること。
• 弾性マトリックスの存在を含めた、さまざまな荷重条件下での機械的挙動のシミュレーションを可能にすること。
• 織り複合材料における繊維の軌跡およびテープ断面形状の理解を深めること。

提案手法

• 非線形性を考慮した幾何的非線形式を用いて、大変位運動学を組み込んだ、暗黙的解法に基づく有限要素コードを開発し、織り繊維サンプルをビーム要素の集合としてモデル化。
• 接触検出とモデリングを最優先とし、多数の繊維同士の相互作用を扱うための安定したアルゴリズムを採用。
• 指定された織りパターンに基づいて、織り布地の初期配置をシミュレーションにより計算。
• 幾何的非線形式を用いて、大変位運動学を組み込み。
• 接触摩擦のモデリングには、安定性と正確性を確保するための専用接触アルゴリズムを採用。
• マトリックスの影響を評価するため、シミュレーションに弾性マトリックスを組み込み。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 与えられた織りパターンから、織り繊維の初期平衡配置をどれほど正確にシミュレートできるか。
• RQ2 繊維間の接触および摩擦が、織り繊維材料のマクロな機械的挙動に果たす役割は何か。
• RQ3 大変位および非線形変形が、織り繊維における繊維の軌跡およびテープ断面形状にどのように影響を与えるか。
• RQ4 繊維スケールの有限要素モデルは、コーティング織り複合材料の機械的挙動をどの程度正確に予測できるか。
• RQ5 弾性マトリックスの組み込みが、織り繊維構造のシミュレートされた機械的挙動にどのように影響を与えるか。

主な発見

• シミュレーションは、織りパターンに基づき、繊維の軌跡およびテープ断面形状を含めた布地の初期配置を的確に再現した。
• 強固な接触アルゴリズムにより、複雑な相互作用を有する数百本の繊維の安定的かつ正確なモデリングが可能となった。
• 本手法は、機械的荷重下における繊維材料の典型的な大変位および非線形挙動を捉えている。
• コーティング織り繊維材料のシミュレーションは、さまざまな荷重条件下での機械的応答の予測能力を示した。
• 弾性マトリックスの組み込みにより、マトリックス強化織り複合材料の現実的なシミュレーションが可能となり、予測の正確性が向上した。