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《东华大学》 2010年
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基于多体系统动力学的机织织物力学建模与仿真研究

肖明兴  
【摘要】:机织织物在许多实际领域中都有着广泛地应用,诸如:服装、纺织纤维增强复合材料和防弹衣等领域。由于机织织物的纱线间存在复杂的耦合作用,即使是相对简单的机织平纹织物,其力学性能都是非常复杂的。因此,为了更好的掌握机织织物的力学性能,更好地指导机织织物的实际应用,迫切需要建立能准确反映机织织物力学性能的力学模型。针对机织织物力学建模与动态仿真研究,也一直是织物研究的热点和难点问题之一 考虑到机织织物属于复杂多体系统,同时考虑到计算多体系统动力学在处理复杂的工程问题方面具有明显优势,并已在航空航天工程系统、车辆工程系统和生物医学系统等方面获得了较广‘泛的应用,因此,本论文基于计算多体系统动力学理论,以平纹机织织物为典型研究对象,在针对纱线的力学特性和织物因编织结构而具有的特殊力学性能的深入研究分析的基础上,进行了机织织物的力学建模与动态仿真研究。 本论文的创新点主要在于提出了三个机织织物力学模型,即:机织织物的非线性粒子模型(MNPF)、机织织物的多刚体模型(MRBF)和机织织物的改进的多刚体模型(IMRBF)。为了验证MNPF、MRBF和IMRBF模型的创新性、正确性和高效性,本论文分别进行了基于MNPF的机织棉织物窗帘的悬垂特性仿真研究、基于MRBF的机织织物的KES(Kawabata Evaluation System for Fabrics)单轴拉伸的仿真研究和基于IMRBF的机织织物的KES单轴拉伸和剪切仿真研究。 考虑到在拉伸作用下,纱线表现出较强的非线性特性,因此,我们应用非线性动力学理论,对纱线非线性力学性能进行了分析;将非线性项引入拉伸力元表达式,改进了已有的粒子模型,提出了机织织物的非线性粒子模型(MNPF)。数值仿真分析表明:相比于已有的粒子模型,MNPF对于织物的超弹性现象有较好地抑制作用,获得的仿真结果更加真实,能更好地反映织物的力学性能。 本论文考虑机织织物的因编织结构而具有的复杂力学特性,应用计算多体动力学理论建立了机织织物的多刚体模型(MRBF)。针对KES单轴拉伸作用下的机织织物的动力学响应,进行了动力学定性和定量分析。通过定性分析揭示了纱线之间的强耦合作用和屈曲互换机理,并为定量分析指明了方向。通过定量分析获得了织物KES单轴拉伸变形的仿真结果。将数值结果与定性分析结果和实验结果进行对比分析,验证了MRBF模型的正确性和有效性。 考虑到MRBF存在以下不足:1)采用欧拉四元数描述刚体转动,造成系统位形坐标的冗余,仿真效率受到影响;2)两个建模环节,其一将单个织物胞内纱线间的相互作用处理为挤压力元,其二将弯曲力元的作用点处理在刚体质心,使得MRBF与实际织物的力学性能存在一定的偏差。 针对上述问题,考虑到MRBF中的刚体为细直杆,本论文采用改进的卡尔丹角坐标描述刚体转动,大大降低了系统动力学方程的维数,提高了计算效率。同时,考虑到在剪切变形下,织物纱线间的接触作用将在纱线间产生侧压作用以阻止织物胞的旋转变形,本论文将侧压作用处理为接触力元,使模型更接近于实际织物的力学特性。 基于上述两方面的改善,本论文提出了改进的平纹织物多刚体模型(IMRBF).通过织物KES单轴拉伸的数值仿真及相应对比分析,验证了IMRBF的有效性,说明了IMRBF相对于MRBF在计算效率方面的改进。通过织物KES剪切的数值仿真结果与实验结果的对比分析,进一步表明了IMRBF的正确性、有效性和较广泛的适用性。 本论文所提出的机织织物的非线性粒子模型(MNPF)、机织织物的多刚体模型(MRBF)和机织织物的改进的多刚体模型(IMRBF),均属于织物的离散力学模型。其创新意义主要在于:与连续力学模型相比,它们均具有建模灵活和计算高效的显著特征。与已有的离散力学模型相比,基于MNPF、MRBF和IMRBF三个模型所建立的系统动力学方程维数均较少且刚性较小。从而,有利于降低数值计算的难度,提高计算效率。由于三个模型相对于已有模型表达的织物力学性能更加准确,从而所建立的响应动力学系统具有更好的稳定性,获得的仿真结果更加真实。MNPF能较好的抑制超弹性现象,数值仿真的真实性优于已有的粒子模型,所建立的系统动力学方程维数较少。MRBF在考虑机织织物因编织结构而具有的力学特性方面优于MNPF,在模型准确性方面获得了较大的改进。IMRBF通过对物体广义坐标和力元的完善,进一步提高了模型的准确性和简洁性,使得IMRBF相对于MRBF在计算效率和适用性方面均有明显的改进。 本论文的研究工作不仅丰富了机织织物的动力学模型,为机织织物的实时动态仿真提供了一种更为有效的研究途径,而且,进一步拓宽了计算多体动力学理论的应用范围,具有重要的理论意义和实际意义。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TS101

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