[논문 리뷰] Finite element simulation of textile materials at the fiber scale

Damien Durville|ArXiv.org|2009. 12. 07.

Textile materials and evaluations참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비틀어진 섬유의 기계적 거동을 섬유 척도에서 정확하게 모의하기 위해 비틀림 요소와 접촉-마찰 알고리즘을 사용하는 유한요소법을 제시한다. 이는 큰 변위와 복잡한 상호작용을 정확히 모의할 수 있도록 한다. 이 방법은 코팅된 직물 샘플을 대상으로 검증되었으며, 섬유 궤적, 토우 단면형태 및 다양한 하중 조건 하에서의 기계적 반응을 성공적으로 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 개별 섬유와 그 상호작용을 고려하여 직물 섬유 척도에서 세밀한 기계적 시뮬레이션을 개발하기 위해.
• 직물 구조 내 섬유 간의 큰 변위와 복잡한 접촉-마찰 상호작용을 모의하기 위해.
• 선택된 직조 패턴에 기반하여 직물의 초기 평형 구성 상태를 결정하기 위해.
• 탄성 매트릭스 존재 시를 포함한 다양한 하중 조건 하에서 기계적 거동 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 직물 복합재에서 섬유 궤적과 토우 단면형태에 대한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 암시적 해법 기반의 유한요소 코드를 개발하여 직물 샘플을 비틀림 요소의 조합으로 모델링한다.
• 접촉 탐지 및 모의를 우선시하며, 수많은 섬유-섬유 상호작용을 처리하기 위한 강력한 알고리즘을 사용한다.
• 지정된 직조 패턴에 기반하여 유한요소 시뮬레이션을 통해 직물의 초기 구성 상태를 계산한다.
• 기하학적으로 비선형 형식을 사용하여 큰 변위 운동학을 통합한다.
• 안정성과 정확성을 확보하기 위해 특수한 접촉 알고리즘을 사용하여 섬유 간 마찰 접촉을 모의한다.
• 전반적인 기계적 반응에 미치는 영향을 연구하기 위해 시뮬레이션에 탄성 매트릭스를 포함시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주어진 직조 패턴으로부터 직물 섬유의 초기 평형 구성 상태를 어떻게 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 섬유 간의 접촉과 마찰은 직물 재료의 거시적 기계적 반응에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 큰 변위와 비선형 변형은 직물 섬유의 궤적과 토우 단면형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 섬유 척도의 유한요소 모델은 코팅된 직물 복합재의 기계적 거동을 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 탄성 매트릭스의 포함 여부는 직물 구조의 시뮬레이션 기계적 반응에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 시뮬레이션은 주어진 직조 패턴에 기반하여 섬유 궤적과 토우 단면형태를 포함한 직물의 초기 구성 상태를 성공적으로 재현한다.
• 강력한 접촉 알고리즘이 수백 개의 섬유 간 복잡한 상호작용을 안정적이고 정확하게 모의할 수 있도록 한다.
• 이 방법은 기계적 하중 하에서 직물 재료가 보이는 큰 변위와 비선형 거동을 정확히 포착한다.
• 코팅된 직물 샘플의 시뮬레이션은 다양한 하중 조건 하에서 기계적 반응을 예측할 수 있음을 보여준다.
• 탄성 매트릭스의 포함은 매트릭스 강화 직물 복합재의 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 하여 예측 정확도를 향상시킨다.