一种柔性纤维建模方法及应用

本发明属于天然纤维和化学纤维建模与仿真，涉及一种柔性纤维建模方法及应用。

背景技术：

1、纺丝品是由纤维制造而来，纤维在生产制造工艺过程中，其中水洗工艺发挥了重要的作用。在此过程中，流体流动中的柔性纤维受到来自流体分布力的影响，纤维之间也存在相互作用，导致纤维变形(如：拉伸、弯曲和扭曲)，纤维在流体中产生的动态行为影响纺丝品中纤维的取向、分布和构型，从而决定最终产品质量。同时，由于在许多情况下，纺织生产过程中涉及的流场是内部流动，纤维与固定或移动的机械部件会产生接触碰撞，导致纤维运动形态的改变，所以，纤维和固体壁之间的相互作用是不可忽视的。因此，通过分析纤维在壁界流场中的动态行为，能够有效地预测纺织品的结构和性能，优化纺织品的生产工艺和机器具有重要意义。因此，为研究柔性纤维在流体流动中的动态行为，需要提出一种柔性纤维建模与仿真方法。

2、然而，现有技术中针对柔性体的建模方法主要基于珠杆模型和珠链模型，其所建柔性体对象主要为植被类，如：烟草、稻草及杆茎等，其特点为所建柔性体长径比较大。珠杆模型主要是采用球与杆相连接的方式进行建模，其较长部分为刚性体，与真实柔性体存在一定误差，而珠链模型其特点为接触半径始终要大于颗粒半径，在建立较长的柔性时需要较多的颗粒数量，大大增加了模型建立和仿真的计算量，降低了仿真效率。

3、如专利cn109800462a公开了一种空心杆柔性体动力学特性的建模与仿真方法，该方法是通过长度为l的弹性虚拟键将空心圆体连接在一起，以达到柔性体建模的目的，其特征为采用珠杆模型建立空心杆状柔性体，用于描述农作物茎秆，但该专利未对柔性体力学特性理论参数进行标定，不具有表征柔性体力学的特性。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种柔性纤维建模方法及应用，可以实现柔性纤维的建模和生产工艺水洗过程中管道输运纤维动力学仿真，对生产过程进行可视化。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种柔性纤维建模方法，步骤如下：

4、s1、获取被仿真柔性纤维的物理属性与力学特性；

5、物理属性包括直径、长度和密度；

6、s2、将被仿真柔性纤维离散成一串相互接触的球颗粒，球颗粒的直径等于被仿真柔性纤维的直径，球颗粒的密度等于被仿真柔性纤维的密度，球颗粒的数量由被仿真柔性纤维的长度除以被仿真柔性纤维的直径后取整数得到；

7、s3、将相邻的球颗粒通过虚拟粘结键粘结在一起得到柔性纤维理论模型，球颗粒之间的粘结力和力矩通过虚拟粘结键传递，虚拟粘结键可以承受切向和法向的运动，在外力的作用下，球颗粒间的相对运动会导致虚拟粘结键的变形，从而实现纤维体的柔性变形；

8、s4、确定柔性纤维理论模型中刚度和粘结键半径的最佳组合，得到柔性纤维离散元模型。

9、作为优选的技术方案：

10、如上所述的一种柔性纤维建模方法，步骤s1中，被仿真柔性纤维包括短切柔性纤维和长柔性纤维。

11、如上所述的一种柔性纤维建模方法，步骤s1中，力学特性包括弹性模量e、泊松比μ及抗拉强度rm。

12、如上所述的一种柔性纤维建模方法，步骤s1中，力学特性是通过三点弯曲试验与拉伸试验得到的，其中：

13、e＝σ/ε；

14、μ＝εh/εz；

15、rm＝f/s；

16、式中，σ为应力，gpa；ε为应变；εh为横向应变，mm；εz为纵向应变，mm；f为试样拉断时所承受的最大的力，n；s为原始纤维横截面积，mm2。

17、如上所述的一种柔性纤维建模方法，步骤s3中，球颗粒之间的粘结力和力矩根据下式从零开始每一时间步进行迭代和进行调整：

18、

19、

20、δmn＝-ωnstjδt；

21、

22、式中，代表任一球颗粒i与其相邻的球颗粒j上的由接触产生的拉伸力，n；代表球颗粒i与球颗粒j上的由弯矩产生的力，n；vn和vt分别对应为球颗粒i的法向速度和切向速度，mm/s，初始值为设定值；sn和st分别对应为球颗粒i的法向刚度和切向刚度，n/m3；rb为粘结键半径，mm；δt为时间步长，s；mn代表法向力矩，n·m；mt代表切向力矩，n·m；ωn和ωt分别对应为球颗粒i的法向角速度和切向角速度，rad/s；j代表粘结截面的极惯性矩，mm4，

23、如上所述的一种柔性纤维建模方法，步骤s4中，刚度和粘结键半径为rb、sn、st，确定柔性纤维理论模型中刚度和粘结键半径的最佳组合的步骤如下：

24、s41、以rb、sn、st、误差为因素设计四因素三水平试验，共计九组rb、sn、st的组合，其中，rb记为因素a，sn记为因素b，st记为因素c，误差记录因素d(在正交试验中用于判定一些除因素外的可能存在的因素)；

25、s42、针对每组rb、sn、st的组合，分别对柔性纤维理论模型进行三点弯曲仿真试验，得到弹性模量仿真值；

26、s43、将因素i为水平j时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为kji，i为a、b或c，j为1、2或3；将kji/3记为kji；将min{k1i,k2i,k3i}对应的因素i的水平记为因素i的最佳水平；因素a、因素b、因素c均为最佳水平时的组合，即为柔性纤维理论模型中rb、sn、st的最佳组合；

27、将因素i为水平j时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为kji的具体说明如下：

28、将因素a为水平1时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k1a，将因素b为水平1时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k1b，将因素c为水平1时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k1c；

29、将因素a为水平2时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k2a，将因素b为水平2时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k2b，将因素c为水平2时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k2c；

30、将因素a为水平3时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k3a，将因素b为水平3时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k3b，将因素c为水平3时，步骤s42得到的所有的弹性模量仿真值的加和记为k3c；

31、将kji/3记为kji即：将k1a/3记为k1a，将k2a/3记为k2a，将k3a/3记为k3a，将k1b/3记为k1b，将k2b/3记为k2b，将k3b/3记为k3b，将k1c/3记为k1c，将k2c/3记为k2c，将k3c/3记为k3c；

32、将min{k1i,k2i,k3i}对应的因素i的水平记为因素i的最佳水平的具体说明如下：

33、将min{k1a,k2a,k3a}对应的因素a的水平记为因素a的最佳水平,将min{k1b,k2b,k3b}对应的因素b的水平记为因素b的最佳水平,将min{k1c,k2c,k3c}对应的因素c的水平记为因素c的最佳水平。

34、本发明还提供如上所述的一种柔性纤维建模方法的应用，用于获取被仿真柔性纤维的弹性模量仿真值。

35、作为优选的技术方案：

36、如上所述的应用，具体步骤如下：

37、(a)在离散元仿真软件edem中，添加bulk material模块，并将被仿真柔性纤维的力学特性对应设置，勾选contact radius；创建meta-particle颗粒元，对被仿真柔性纤维的物理属性进行定义；选用bonding-v2系统模型，设置rb、sn、st的最佳组合，工作环境设置默认；

38、(b)在工作环境中创建颗粒工厂，在particle generation中设置total number，在generation rate中设置target mass，设置瑞利步数，在time integration中选择euler，设置仿真时间，设置保存时间步长，设置网格尺寸，进行仿真，生成柔性纤维理论模型，存储为dem文件；

39、(c)在离散元仿真软件edem中读取rb、sn、st的最佳组合对应的dem文件，并在geometries中导入试验夹具几何模型mes文件，设置夹具直线运动速度，进行三点弯曲仿真试验，得到被仿真柔性纤维的弹性模量仿真值。

40、本发明还提供如上所述的一种柔性纤维建模方法的应用，用于获取被仿真柔性纤维的抗拉强度仿真值。

41、作为优选的技术方案：

42、如上所述的应用，具体步骤如下：

43、(a)在离散元仿真软件edem中，添加bulk material模块，并将被仿真柔性纤维的力学特性对应设置，勾选contact radius；创建meta-particle颗粒元，对被仿真柔性纤维的物理属性进行定义；选用bonding-v2系统模型，设置rb、sn、st的最佳组合，工作环境设置默认；

44、(b)在工作环境中创建颗粒工厂，在particle generation中设置total number，在generation rate中设置target mass，设置瑞利步数，在time integration中选择euler，设置仿真时间，设置保存时间步长，设置网格尺寸，进行仿真，生成柔性纤维理论模型，存储为dem文件；

45、(c)在离散元仿真软件edem中读取rb、sn、st的最佳组合对应的dem文件，并在geometries中导入试验夹具几何模型mes文件，设置夹具直线运动速度，进行拉伸仿真试验，得到被仿真柔性纤维的抗拉强度仿真值。

46、本发明还提供如上所述的一种柔性纤维建模方法的应用，用于获取被仿真柔性纤维在搅拌场中运动纠缠行为规律。

47、作为优选的技术方案：

48、如上所述的应用，具体步骤如下：

49、(1)利用三维建模软件solidwoks建立烧杯和搅拌棒几何模型，将烧杯和搅拌棒几何模型导入cfd模块中进行试验模型网格构建，并输出mes文件；

50、(2)在离散元仿真软件edem中，添加bulk material模块，并将被仿真柔性纤维的力学特性对应设置，勾选contact radius；创建meta-particle颗粒元，对被仿真柔性纤维的物理属性进行定义；选用bonding-v2系统模型，设置rb、sn、st的最佳组合，工作环境设置默认；

51、(3)在工作环境中创建颗粒工厂，在particle generation中设置total number，在generation rate中设置target mass，设置瑞利步数，在time integration中选择euler，设置仿真时间，设置保存时间步长，设置网格尺寸，进行仿真，生成柔性纤维理论模型，存储为dem文件；

52、(4)在离散元仿真软件edem读取rb、sn、st的最佳组合对应的dem文件，并将mes文件导入离散元仿真软件edem中，在geometries模块中设置烧杯与搅拌棒type为physical，搅拌棒添加旋转驱动，设置开始时间，设置结束时间，设置旋转速度，设置瑞利步数，在timeintegration中选择euler，设置仿真时间，设置保存时间步长，设置网格尺寸，进行仿真，得到被仿真柔性纤维在搅拌场中运动纠缠行为规律。

53、有益效果：

54、(1)本发明所述方法可以应用在纺织制造过程中数值模拟领域，特别适合于分析纺丝工艺水洗过程流场流动特性对柔性纤维间碰撞与纠缠行为的作用规律，进而实现对水洗装置结构及工艺参数的优化设计。

55、(2)本发明的柔性纤维离散元模型可以用于柔性纤维生产工艺过程中的水洗、纤维团开松等机理的研究，表征柔性纤维生产输运过程缠绕或打结行为物理现象，实现可视化，从而，为指导生产过程工艺参数的优化或输运设备的设计与优化提供参考。

56、(3)本发明所建柔性纤维离散元模型能较好的表征仿真对象的力学特性，与被仿真柔性纤维的测量值相差较小。