三维四向编织复合材料的几何建模及刚度预报

提出了四步法三维四向矩形编织复合材料的单胞几何模型, 该模型考虑了空间纤维束的相互扭结和挤压而造成的纤维束弯曲和截面形状变化。基于刚度体积平均思想, 采用微元段直纤维的单向层板刚度分析方法建立了相应的刚度预报模型, 得到了材料的工程弹性常数, 数值结果表明了该模型的有效性;分析了工艺参数和纤维束横截面形状对弹性常数的影响规律, 得到了一些有益结论。     

基于预制体边界反射方法的三维四向编织复合材料几何建模

针对预制体中纱线路径复杂,几何建模耗时较长的问题,提出了一种预制体边界反射(PBR)方法,有效地缩短了几何建模过程中建立纱线运动模型的计算时间.在此基础上,开发了基于SolidWorks软件的CAD仿真建模系统,可模拟不同编织参数下的三维编织预制体整体结构.与传统建模方法相比,PBR方法可在不影响预制体几何建模精度的前提下,明显缩短仿真时间.因此,可明显提高编织工艺设计的效率.该方法为复杂几何结构预制体的细观结构和机械性能研究奠定了基础.     

四步法三维矩形编织复合材料的细观结构模型

基于现有实验研究和编织工艺中携纱器的运动规律, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了材料的三维实体细观结构模型。该模型不仅体现了内部纱线因打紧工序而形成的紧密接触和截面变形, 而且考虑了内部和表面区域纱线因挤紧状态不同所造成的纱线填充因子变化。基于一种单胞取向平行于材料横截面边界方向的新划分方案, 解决了45°单胞划分方案的不足, 建立了便于力学性能分析的单胞几何模型, 并指出了编织工艺参数和模型宏细观结构参数的关系。模型数值结果与试件实测数据吻合, 表明了该模型的合理有效性,为材料后续力学性能分析奠定了基础。      

用空间群推导三维编织的几何结构

三维编织复合材料的几何结构和性能研究主要集中在四步法、二步法三维编织,包括以这两种编织方法为基础在不同方向增加增强纱的多向编织方法。本文论述用点群、点阵和空间群推导三维编织几何结构的方法。用编织点群、平移群和点式空间群的矩阵表示对代表性纱线段进行变换,可以推得三维空间纱线交叉几何结构。研究结果表明,用该方法不仅可以验证原有三维编织几何结构的对称性,而且还可以推导出新的三维编织几何结构,为新三维编织方法的开发研究提供了理论支持。     

三维四步编织复合材料刚度和强度的数值模拟

为了研究三维四步法编织复合材料的力学性能,利用ANSYS有限元软件对材料的细观体胞模型进行数值模拟,计算三维编织复合材料的宏观弹性常数,讨论了纤维编织角和体积比对弹性常数的影响。采用不同的强度准则分别对纤维束和基体材料进行强度校核,从而得到材料发生破坏时失效单元的体积百分比。根据失效单元的分布情况分析材料的破坏机理,进而预报材料的拉伸强度。模拟计算结果与实验值吻合较好。     

三维管状编织复合材料及其构件可变微单元几何分析模型

针对工程实际中的管状和空间三维编织复合材料构件中力学性能存在梯度的情况,提出一种性能可以变化的六面体微单元几何模型来描述三维编织复合材料及其构件的几何特性。这种微单元的结构根据三维编织立体几何结构的不同而不同。找出微单元几何形状的变化规律和编织纱线在单元中的位置及体积百分数的变化趋势,为确定这些因素与微单元局部力学性能的关系提供了一种切实可行的分析模型。以轴线为直线的管状三维编织复合材料为例,建立了可变微单元几何模型,详细分析了各个参数之间的变化关系。这里等轴向编织花节矩形断面复合材料分析成为可变微单元分析方法的一种特殊情况,同时这种模型还可用于描述空间复杂形状多维编织复合材料的几何特性描述,有助于这类材料及构件的力学分析。      

三维编织复合材料理论研究进展

有关三维编织复合材料的理论分析研究归纳为:基于细观结构几何模型的物理性能研究和力学性能研究两部分.纤维体积分数是物理性能研究的最主要参数,力学分析以复合材料的弹性性能为主.合理的几何模型决定了力学性能分析与试验结果的一致性.建立在代表性体积单元尺度的几何模型应用最为广泛,得到了力学性能的试验验证.三维编织复合材料的力学性能的数值仿真主要以有限元方法为主,然而仅仅依赖于对其弹性性能的研究结果还远远不能满足三维编织复合材料作为关键结构部件的使用要求,建立完善的断裂准则是编织复合材料大量使用的理论依据.特殊形状的一次性编织复合材料的力学性能研究有待进一步深入.     

三维编织复合材料预制体孔隙的几何仿真

根据四步编织法的纱线运动规律及实验观察,结合纱线截面的挤压变形,提出了用数值元分离连续纱线确定其空间形态的方法.借助VC 及SolidWorks软件的参数化图形建模特点,建立了能模拟各种编织参数预制体孔隙实体,计算孔隙体积及其表面积的软件系统.对编织角为25°和35°,主体纱数为2×4和3×3,纤维体积分数为30%和40%的预制体孔隙进行了模拟和计算.结果表明,在其它参数不变的情况下,随着编织角或纤维体积分数的增大,纱线间孔隙的总体积和表面积减小,单位体积表面积增加;预制体孔隙模拟值与体积理论值的相对误差低于5%.孔隙模拟实体清晰地反映了一个组织循环内孔隙的分布和形状随参数变化而改变的形貌.     

三维编织多功能结构复合材料的发展

在某些实际应用中,需要复合材料不仅具有多种功能,例如抗烧蚀、抗冲击、隔热等,而且还能作为结构材料使用,这种复合材料可以称为多功能结构复合材料.在多功能结构复合材料设计中需要按不同的功能应用和力学特性进行分层设计.利用三维编织技术可以实现多功能结构复合材料的分层异形整体编织,为多功能结构复合材料的发展提供了可能性.本文介绍了三维编织复合材料的性能和制作多功能结构复合材料所采用的三维编织技术.      

复合材料三维整体编织结构技术与特性

复合材料三维整体编织技术是国外八十年代发展起来的高新纺织技术。采用这种技术,创造了一类新的复合材料结构型式,显著改善了多方面的力学特性。已有的应用表明.这种高新技术与结构型式,可广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、武器装备、体育用品等诸多领域。本文综述了复合材料三维整体编织工艺的特点,三维编织结构物,以及某些优异的特性。     

玉米雌穗几何造型研究

通过对玉米雌穗形态结构的观测分析,提出了基于形态结构特征参数的玉米雌穗三维形态教学模型和可视化实现方法.根据玉米雌穗结构特征,雌穗建模过程包括雌穗轴线设计、果穗柄造型、穗轴造型、苞叶造型和籽粒造型5个阶段.对于不同玉米品种,通过设置模型参数,即可在计算机上实现雌穗的三维显示,具有较强的真实感效果.该模型可控性强,易于操作,可满足玉米雌穗数字化设计的需要.     

水工复杂曲面尾水管的几何建模与形态分析

尾水管是水工建筑物中比较复杂的空间曲面之一，采用计算机辅助设计软件Auto CAD及造型软件3DSMAX对尾水管进行拟实建模及形态分析，加深了人们对其复杂结构、曲面类型、工作原理的理解，提升了尾水管制图的精度，降低了设计难度。研究中所积累的技术与方法能够促进计算机拟实技术的发展，为更多水工曲面的研究提供借鉴，也可为其他领域的设计工作提供帮助。     

Geometric mapping of yarn structures due to shape change in 3-D braided composites

The internal yarn structure in 3-D braided preforms possesses a certain topological character which is unique to the braiding method used. Hence, preforms of different shapes but braided by the same method have topologically similar yarn structures. This unique property offers the possibility that the yarn structure in preform of one shape may be geometrically mapped to that in another shape, and vice versa.

This study discusses a geometric mapping methodology, the objective of which is to obtain the appropriate mapping which analytically links the yarn structures in two preforms of different shapes; if the yarn structure in one preform is known, the yarn structure in the other can be determined by the derived geometric mapping.

Two broad classes of mapping are discussed. The first concerns mapping between two preforms that are braided directly in two different shapes; the second concerns mapping between the initial and final shapes of one single preform which is deformed after braiding. In each case, the mathematical forms of the desired mapping functions are obtained, satisfying the geometric constraints imposed by the internal yarns in the respective preforms. The determined mapping functions are then used to investigate the braidability and/or deformability of the considered preforms. Specifically, limiting windows for the braiding parameters that insure the braidability and/or deformability of the preforms are obtained using the appropriately derived mapping functions.

The 4-step 1 × 1 braiding method is used throughout this paper to illustrate the general mapping procedure; rigorous and explicit geometric relationships are derived leading to mapping functions between preforms of rectangular and curvilinear cross-sections. Numerical examples involving mapping between preforms of rectangular and tubular cross-sections are investigated in detail, along with examination of the preform braidability and/or formability.     

异径蛇形管的三维建模

利用工程数学及画法解析几何的方法,分析并建立了异径蛇形管在三维状态下的展平曲线方程,同时编写了MATLAB 程序。目的是解决异径蛇形管在角度、直径、球心距等任意变化条件下的展平曲线的位置坐标以及函数关系问题。     

弧面凸轮三维图形软件的开发

利用VBA开发的弧面凸轮三维图形软件,对弧面凸轮三维图形进行了化设,绘制了复杂弧面凸轮的三维线架图,这对于进行复杂弧面凸轮的工程图交流,对设计阶段把握弧面凸轮的外形、压力角、脊部宽度与机械强度、减少和避免设计失效,都有着重要的应用价值。     

Microstructural Modeling and Second-Order Two-Scale Computation for Mechanical Properties of 3D 4-Directional Braided Composites

This study is concerned with the microstructural modeling and mechanical properties computation of three-dimensional (3D) 4-directional braided composites. Microstructure of the braided composite determines its mechanical properties and a precise geometry modeling of the composite is essential to predict the material properties. On the basis of microscopic observation, a new parameterized microstructural unit cell model is established in this paper. And this model truly simulates the microstructure of the braided composites. Furthermore, the mathematical relationships among the structural parameters, including the braiding angle, fiber volume fraction and braiding bitch, are derived. By using the unit cell model, the second-order two-scale (SOTS) method is applied to predict the mechanical properties of 3D 4-directional braided composites, including stiffness parameters and strength parameters. Besides, the effects of the braiding angle and fiber volume fraction on the elastic constants are investigated in detail. Numerical results show that the predictive stiffness and strength parameters are in good agreement with the available experimental data, which demonstrate that the established unit cell model is applicable and the second-order two-scale method is valid to predict the mechanical properties of 3D 4-directional braided composites.     

非圆齿轮三维造型设计系统的开发

基于非圆形节曲线的非圆齿轮设计和计算要比圆齿轮复杂得多。由于非圆齿轮各轮齿的形状不尽相同,因此无法使用阵列、镜像等方法进行建模。目前的三维机械CAD软件还不能直接进行非圆齿轮实体建模。文章利用Visual Basic语言对三维软件SolidEdge进行二次开发,实现了齿轮的根切校验、凸性校验、压力角计算等功能,建立了非圆齿轮的三维建模系统,为非圆齿轮三维建模参数化设计提供了一种方法。生成的齿轮三维实体可用于装配设计、运动仿真及计算机辅助教学中。     

基于自由度分析的三维模型几何约束求解

针对三维几何约束模型的求解问题,在充分研究了二维几何约束模型自由度分析技术的基础上,采用几何推理的方法,给出了一种三维模型几何约束求解的自由度分析算法,该算法可归纳为活动分析和场所分析两个过程.算法为三维几何约束模型提供了一种求解方案,解决了过约束和欠约束状态时的约束求解问题,并展示了一个实例.     

虚拟家居系统的局部调整式墙体建模算法

阐述了虚拟家居漫游系统的功能体系结构，分析了虚拟家居漫游系统中墙体建模的特殊性，建立了墙体的5层信息模型，构造了墙体生成前用户交互语义的确定算法、局部调整式墙体生成算法和相应的后处理算法，该算法既满足了三维环境中交互编辑结果的连续性保存，又使得算法简明易用。最后提供了一个实例，表明基于该算法的漫游系统已经在实际应用中取得了满意的效果。