基于多體系統(tǒng)動力學的機織織物力學建模與仿真研究.pdf

1、機織織物在許多實際領域中都有著廣泛地應用，諸如:服裝、紡織纖維增強復合材料和防彈衣等領域。由于機織織物的紗線間存在復雜的耦合作用，即使是相對簡單的機織平紋織物，其力學性能都是非常復雜的。因此，為了更好的掌握機織織物的力學性能，更好地指導機織織物的實際應用，迫切需要建立能準確反映機織織物力學性能的力學模型。針對機織織物力學建模與動態(tài)仿真研究，也一直是織物研究的熱點和難點問題之一。
　　 考慮到機織織物屬于復雜多體系統(tǒng)，同時考慮到計

2、算多體系統(tǒng)動力學在處理復雜的工程問題方面具有明顯優(yōu)勢，并已在航空航天工程系統(tǒng)、車輛工程系統(tǒng)和生物醫(yī)學系統(tǒng)等方面獲得了較廣泛的應用，因此，本論文基于計算多體系統(tǒng)動力學理論，以平紋機織織物為典型研究對象，在針對紗線的力學特性和織物因編織結構而具有的特殊力學性能的深入研究分析的基礎上，進行了機織織物的力學建模與動態(tài)仿真研究。
　　 本論文的創(chuàng)新點主要在于提出了三個機織織物力學模型，即:機織織物的非線性粒子模型(MNPF)、機織織物的多

3、剛體模型(MRBF)和機織織物的改進的多剛體模型(IMRBF)。為了驗證MNPF、MRBF和IMRBF模型的創(chuàng)新性、正確性和高效性，本論文分別進行了基于MNPF的機織棉織物窗簾的懸垂特性仿真研究、基于MRBF的機織織物的KES(KawabataEvaluationSystemforFabrics)單軸拉伸的仿真研究和基于IMRBF的機織織物的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)出較強的非線性特性，因

4、此，我們應用非線性動力學理論，對紗線非線性力學性能進行了分析;將非線性項引入拉伸力元表達式，改進了已有的粒子模型，提出了機織織物的非線性粒子模型(MNPF)。數值仿真分析表明:相比于已有的粒子模型，MNPF對于織物的超彈性現(xiàn)象有較好地抑制作用，獲得的仿真結果更加真實，能更好地反映織物的力學性能。
　　 本論文考慮機織織物的因編織結構而具有的復雜力學特性，應用計算多體動力學理論建立了機織織物的多剛體模型(MRBF)。針對KES單軸

5、拉伸作用下的機織織物的動力學響應，進行了動力學定性和定量分析。通過定性分析揭示了紗線之間的強耦合作用和屈曲互換機理，并為定量分析指明了方向。通過定量分析獲得了織物KES單軸拉伸變形的仿真結果。將數值結果與定性分析結果和實驗結果進行對比分析，驗證了MRBF模型的正確性和有效性。
　　 考慮到MRBF存在以下不足:1）采用歐拉四元數描述剛體轉動，造成系統(tǒng)位形坐標的冗余，仿真效率受到影響;2）兩個建模環(huán)節(jié)，其一將單個織物胞內紗線間的相

6、互作用處理為擠壓力元，其二將彎曲力元的作用點處理在剛體質心，使得MRBF與實際織物的力學性能存在一定的偏差。
　　 針對上述問題，考慮到MRBF中的剛體為細直桿，本論文采用改進的卡爾丹角坐標描述剛體轉動，大大降低了系統(tǒng)動力學方程的維數，提高了計算效率。同時，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生側壓作用以阻止織物胞的旋轉變形，本論文將側壓作用處理為接觸力元，使模型更接近于實際織物的力學特性。
　　 基于上

7、述兩方面的改善，本論文提出了改進的平紋織物多剛體模型(IMRBF)。通過織物KES單軸拉伸的數值仿真及相應對比分析，驗證了IMRBF的有效性，說明了IMRBF相對于MRBF在計算效率方面的改進。通過織物KES剪切的數值仿真結果與實驗結果的對比分析，進一步表明了IMRBF的正確性、有效性和較廣泛的適用性。
　　 本論文所提出的機織織物的非線性粒子模型(MNPF)、機織織物的多剛體模型(MRBF)和機織織物的改進的多剛體模型(IMR

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

9、性優(yōu)于已有的粒子模型，所建立的系統(tǒng)動力學方程維數較少。MRBF在考慮機織織物因編織結構而具有的力學特性方面優(yōu)于MNPF，在模型準確性方面獲得了較大的改進。IMRBF通過對物體廣義坐標和力元的完善，進一步提高了模型的準確性和簡潔性，使得IMRBF相對于MRBF在計算效率和適用性方面均有明顯的改進。
　　 本論文的研究工作不僅豐富了機織織物的動力學模型，為機織織物的實時動態(tài)仿真提供了一種更為有效的研究途徑，而且，進一步拓寬了計算多體