基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的機(jī)織織物力學(xué)建模與仿真研究.pdf

1、機(jī)織織物在許多實(shí)際領(lǐng)域中都有著廣泛地應(yīng)用，諸如:服裝、紡織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和防彈衣等領(lǐng)域。由于機(jī)織織物的紗線間存在復(fù)雜的耦合作用，即使是相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)織平紋織物，其力學(xué)性能都是非常復(fù)雜的。因此，為了更好的掌握機(jī)織織物的力學(xué)性能，更好地指導(dǎo)機(jī)織織物的實(shí)際應(yīng)用，迫切需要建立能準(zhǔn)確反映機(jī)織織物力學(xué)性能的力學(xué)模型。針對(duì)機(jī)織織物力學(xué)建模與動(dòng)態(tài)仿真研究，也一直是織物研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。
　　 考慮到機(jī)織織物屬于復(fù)雜多體系統(tǒng)，同時(shí)考慮到計(jì)

2、算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在處理復(fù)雜的工程問題方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，并已在航空航天工程系統(tǒng)、車輛工程系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等方面獲得了較廣泛的應(yīng)用，因此，本論文基于計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，以平紋機(jī)織織物為典型研究對(duì)象，在針對(duì)紗線的力學(xué)特性和織物因編織結(jié)構(gòu)而具有的特殊力學(xué)性能的深入研究分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)織織物的力學(xué)建模與動(dòng)態(tài)仿真研究。
　　 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要在于提出了三個(gè)機(jī)織織物力學(xué)模型，即:機(jī)織織物的非線性粒子模型(MNPF)、機(jī)織織物的多

3、剛體模型(MRBF)和機(jī)織織物的改進(jìn)的多剛體模型(IMRBF)。為了驗(yàn)證MNPF、MRBF和IMRBF模型的創(chuàng)新性、正確性和高效性，本論文分別進(jìn)行了基于MNPF的機(jī)織棉織物窗簾的懸垂特性仿真研究、基于MRBF的機(jī)織織物的KES(KawabataEvaluationSystemforFabrics)單軸拉伸的仿真研究和基于IMRBF的機(jī)織織物的KES單軸拉伸和剪切仿真研究。
　　 考慮到在拉伸作用下，紗線表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特性，因

4、此，我們應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)紗線非線性力學(xué)性能進(jìn)行了分析;將非線性項(xiàng)引入拉伸力元表達(dá)式，改進(jìn)了已有的粒子模型，提出了機(jī)織織物的非線性粒子模型(MNPF)。數(shù)值仿真分析表明:相比于已有的粒子模型，MNPF對(duì)于織物的超彈性現(xiàn)象有較好地抑制作用，獲得的仿真結(jié)果更加真實(shí)，能更好地反映織物的力學(xué)性能。
　　 本論文考慮機(jī)織織物的因編織結(jié)構(gòu)而具有的復(fù)雜力學(xué)特性，應(yīng)用計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)理論建立了機(jī)織織物的多剛體模型(MRBF)。針對(duì)KES單軸

5、拉伸作用下的機(jī)織織物的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)定性和定量分析。通過(guò)定性分析揭示了紗線之間的強(qiáng)耦合作用和屈曲互換機(jī)理，并為定量分析指明了方向。通過(guò)定量分析獲得了織物KES單軸拉伸變形的仿真結(jié)果。將數(shù)值結(jié)果與定性分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了MRBF模型的正確性和有效性。
　　 考慮到MRBF存在以下不足:1）采用歐拉四元數(shù)描述剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，造成系統(tǒng)位形坐標(biāo)的冗余，仿真效率受到影響;2）兩個(gè)建模環(huán)節(jié)，其一將單個(gè)織物胞內(nèi)紗線間的相

6、互作用處理為擠壓力元，其二將彎曲力元的作用點(diǎn)處理在剛體質(zhì)心，使得MRBF與實(shí)際織物的力學(xué)性能存在一定的偏差。
　　 針對(duì)上述問題，考慮到MRBF中的剛體為細(xì)直桿，本論文采用改進(jìn)的卡爾丹角坐標(biāo)描述剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，大大降低了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的維數(shù)，提高了計(jì)算效率。同時(shí)，考慮到在剪切變形下，織物紗線間的接觸作用將在紗線間產(chǎn)生側(cè)壓作用以阻止織物胞的旋轉(zhuǎn)變形，本論文將側(cè)壓作用處理為接觸力元，使模型更接近于實(shí)際織物的力學(xué)特性。
　　 基于上

7、述兩方面的改善，本論文提出了改進(jìn)的平紋織物多剛體模型(IMRBF)。通過(guò)織物KES單軸拉伸的數(shù)值仿真及相應(yīng)對(duì)比分析，驗(yàn)證了IMRBF的有效性，說(shuō)明了IMRBF相對(duì)于MRBF在計(jì)算效率方面的改進(jìn)。通過(guò)織物KES剪切的數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，進(jìn)一步表明了IMRBF的正確性、有效性和較廣泛的適用性。
　　 本論文所提出的機(jī)織織物的非線性粒子模型(MNPF)、機(jī)織織物的多剛體模型(MRBF)和機(jī)織織物的改進(jìn)的多剛體模型(IMR

8、BF)，均屬于織物的離散力學(xué)模型。其創(chuàng)新意義主要在于:與連續(xù)力學(xué)模型相比，它們均具有建模靈活和計(jì)算高效的顯著特征。與已有的離散力學(xué)模型相比，基于MNPF、MRBF和IMRBF三個(gè)模型所建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程維數(shù)均較少且剛性較小。從而，有利于降低數(shù)值計(jì)算的難度，提高計(jì)算效率。由于三個(gè)模型相對(duì)于已有模型表達(dá)的織物力學(xué)性能更加準(zhǔn)確，從而所建立的響應(yīng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，獲得的仿真結(jié)果更加真實(shí)。MNPF能較好的抑制超彈性現(xiàn)象，數(shù)值仿真的真實(shí)

9、性優(yōu)于已有的粒子模型，所建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程維數(shù)較少。MRBF在考慮機(jī)織織物因編織結(jié)構(gòu)而具有的力學(xué)特性方面優(yōu)于MNPF，在模型準(zhǔn)確性方面獲得了較大的改進(jìn)。IMRBF通過(guò)對(duì)物體廣義坐標(biāo)和力元的完善，進(jìn)一步提高了模型的準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)潔性，使得IMRBF相對(duì)于MRBF在計(jì)算效率和適用性方面均有明顯的改進(jìn)。
　　 本論文的研究工作不僅豐富了機(jī)織織物的動(dòng)力學(xué)模型，為機(jī)織織物的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真提供了一種更為有效的研究途徑，而且，進(jìn)一步拓寬了計(jì)算多體