圆环面上纤维轨迹的计算机辅助设计

曲面上的曲线造型是计算机图形领域的一个新的研究热点 ,而且它们在纤维织物编织、三维服装裁剪以及复合材料的纤维缠绕轨迹设计等领域有十分广泛的应用 .为了解决圆环面上纤维轨迹的计算机辅助设计问题 ,研究了圆环面上测地线的解析解以及拟测地线数值求解的具体算法并给出了其表达式 .测地线是曲面上两点之间最短距离的曲线段 ,在一般曲面上没有解析解 ,但是在圆环面上却可求出其精确的解析解 .但在曲面的边沿部分 ,测地线因不能实现自然的折返过渡 ,于是拟测地线就被引进到曲面上的曲线造型设计之中 ,在拟测地线分析研究基础上 ,给出了圆环面上拟测地线的方程及数值解法 ,通过其在一个实例中的应用结果证明 。

网格圈型集聚纺集聚区纤维运动轨迹模拟分析

为获得网格圈型集聚纺集聚区的纤维运动轨迹,首先由流场模拟获得了集聚区的速度场,然后建立了纤维微元在气流场中动力学模型,最后通过MatLab编程模拟了不同初始位置的单纤维运动轨迹。研究结果表明:不同初始位置的纤维在气流作用下的运动轨迹不同,纤维之间发生相互穿插现象;纤维在Y轴向气流作用下逐渐靠近并贴伏在网格圈表面;不同初始位置的纤维运动轨迹反映出集聚区须条集聚过程可分为快速集聚区、调整集聚区和稳定集聚区。

基于有限元模型的喷气涡流纺纤维运动轨迹模拟

为模拟喷气涡流纺气流加捻过程中自由端纤维的运动轨迹,针对喷气涡流纺气流加捻过程中自由端纤维柔性体的动力学特点,基于弹性细杆单元建立纤维有限元模型,结合喷气涡流纺气流加捻腔内流场的气压、速度分布特征,确立自由端纤维柔性体有限元动力学微分方程,遵循力学平衡、能量守恒、质量守恒和动量守恒等原理,解析自由端纤维柔性体有限元动力学微分方程的待定系数,数值模拟自由端纤维在加捻腔内高速旋转气流作用下的运动轨迹;利用示踪纤维法对有限元模拟纤维运动轨迹的理论结果进行验证。结果表明,基于弹性细杆单元的有限元模型对于模拟纤维运动轨迹具有一定可行性和有效性。

熔喷过程中纤维直径再次变大的模拟与验证

为直观表达熔喷过程中气流对纤维的拉伸作用,对熔喷过程中的纤维运动进行了数值模拟。首先将熔喷过程中的纤维看作是由麦克斯韦(Maxwell)元件连接的珠子;之后将已知的纤维速度、纤维温度数据加载到纤维模型上,通过拉格朗日法数值模拟预测纤维在熔喷过程中的运动速度、纤维直径等信息。模拟结果表明,纤维在远离喷丝孔的过程中,由于气流速度、气流温度逐渐衰减,致使纤维受到气流力的作用逐渐减弱,若气流力小于纤维自身的黏弹力,纤维会在黏弹力的作用下回缩,在宏观上表现为纤维直径的再次增大。最后在一定实验条件下,利用线下方法测量了熔喷纤维的直径,实验结果也验证了熔喷过程中纤维直径会有再次变大的现象。

节能型无堵塞纸浆泵的关键技术研究与产业化(系列报道之一) 旋转直扩张通道内纤维悬浮流的数值模拟

采用Jeffery方程对旋转直扩张通道内的纤维悬浮流进行数值模拟,研究进口速度、旋转速度、纤维初始位置及初始取向对纤维运动的影响,同时,在考虑纤维间相互作用的情况下,通过求解取向概率分布函数,来研究稳态时的纤维取向分布。

节能型无堵塞纸浆泵的关键技术研究与产业化(系列报道之二) 弯曲扩张通道内纤维悬浮流数值模拟

采用Jeffery方程方法,对弯曲扩张通道内悬浮流中纤维初始取向、进口速度、纤维初始位置及长径比rp数对纤维取向的影响作了研究。同时采用Fokker-Planck方程方法,研究通道内的纤维平面取向的稳态分布。

大开孔结构变角度纤维铺层优化设计研究

变角度纤维铺层能有效地增强结构刚度、减小应力集中,在很多领域得到广泛应用。本文对比了分区域设计直纤维铺层和变角度纤维铺层零件结构的优缺点,基于Patran的PCL语言开发出了纤维轨迹主应力法优化程序,以某飞机襟副翼复合材料层压板树脂传递模塑成形(RTM)支臂为例进行了纤维轨迹优化设计,分析了不同变角度纤维铺层数目和迭代次数对设计结果的影响,并和传统的分区域设计直纤维铺层模型进行了对比,得出了变角度纤维铺层能明显改善模型应变和位移的结论,且通过承载能力试验分析对比了分区域设计直纤维铺层和最外两层更换为变角度纤维铺层的RTM支臂的试验结果,得出了变角度纤维铺层能提高结构孔边强度和整体刚度的结论,验证了变角度纤维铺层的可行性及其优点。大开孔结构变角度纤维铺层优化设计对大开孔复合材料结构设计具有重要意义。

丝束变角度层合板频率性能的参数化分析与优化

为有效设计丝束变角度(VAT)层合板的频率性能,首先基于纤维方向角的线性变化定义建立了VAT层合板参数化有限元模型,开展了VAT层合板频率性能的参数化研究;其次,基于纤维轨迹的周期性特征,对比分析了VAT层合板不同长宽比和厚度对频率性能的影响;最后,结合序列响应面方法,完成了不同边界下最优化VAT层合板频率特性的纤维轨迹参数设计。计算结果表明,VAT层合板的一阶频率基本不受纤维参考方向角影响,而优化纤维参考方向角能有效提高一二阶频率带隙;特征长度对频率特性的影响随长宽比增大而衰减;越薄的VAT层合板其频率特性受纤维轨迹的影响越大。研究结果为VAT层合板的频率性能设计提供了参考。

丝束变角度层合板屈曲性能的参数化研究

通过选择合适的纤维轨迹,丝束变角度(VAT)层合板相对于直纤维层合板能拥有更好的抗屈曲特性。为研究纤维轨迹特征长度和定向坐标系偏角对VAT层合板屈曲性能的影响,首先对原始的纤维角度线性变化方法进行改进,提出了一种纤维角度分段线性变化方法,拓展了纤维轨迹的设计空间;其次,采用改进后的纤维轨迹定义方法构建了一系列变刚度层合板;最后,基于有限元方法,从内力分布角度对变刚度层合板不同承载情况下的屈曲性能进行研究和探讨。数值结果表明:单向轴压工况下,采用半边长的特征长度和90°偏角的纤维轨迹,能使层合板的稳定性最好;双向轴压工况下,应将特征长度和定向坐标系偏角作为额外的设计变量,并通过优化获得最优的纤维轨迹。