[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种基于梁单元和接触-摩擦算法的有限元方法，用于在纤维尺度上模拟机织纺织品的力学行为，能够准确模拟大位移和复杂的相互作用。该方法成功预测了纤维轨迹、束带截面形状以及在各种加载条件下的力学响应，已在涂覆织物样品上得到验证。

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.

研究动机与目标

• 开发一种考虑单根纤维及其相互作用的机织纺织品纤维尺度详细力学仿真方法。
• 对机织结构中纤维之间的大位移和复杂接触-摩擦相互作用进行建模。
• 基于选定的编织图案，确定织物的初始平衡构型。
• 实现对各种加载条件（包括弹性基体存在时）下力学行为的模拟。
• 提供对机织复合材料中纤维轨迹和束带截面形状的深入理解。

提出的方法

• 开发基于隐式求解器的有限元代码，将纺织样品建模为梁单元的集合。
• 优先处理接触检测与建模，采用稳健算法以应对大量纤维-纤维相互作用。
• 基于指定的编织图案，通过仿真计算织物的初始构型。
• 采用几何非线性公式，引入大位移运动学。
• 采用专用接触算法对纤维间的摩擦接触进行建模，以确保计算的稳定性和准确性。
• 在仿真中引入弹性基体，以研究其对整体力学响应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何基于给定的编织图案准确模拟机织纺织品的初始平衡构型？
• RQ2 纤维之间的接触与摩擦在决定纺织材料宏观力学响应中起什么作用？
• RQ3 大位移和非线性变形在多大程度上影响机织织物中纤维轨迹和束带截面形状？
• RQ4 纤维尺度有限元模型在多大程度上能够预测涂覆纺织复合材料的力学行为？
• RQ5 引入弹性基体在多大程度上影响纺织结构模拟的力学响应？

主要发现

• 仿真成功基于编织图案再现了织物的初始构型，包括纤维轨迹和束带截面形状。
• 稳健的接触算法实现了对数百根纤维及其复杂相互作用的稳定且精确的建模。
• 该方法能够捕捉纺织材料在机械载荷下典型的大位移和非线性行为。
• 对涂覆织物样品的仿真表明，该模型能够准确预测在各种载荷工况下的力学响应。
• 引入弹性基体使得对基体增强型纺织复合材料的仿真更加真实，显著提升了预测的保真度。