一种基于环形编织的任意截面芯轴的纱线轨迹求解方法
【专利说明】一种基于环形编织的任意截面芯轴的纱线轨迹求解方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种纱线轨迹的计算方法，具体涉及一种基于环形编织的任意截面芯 轴的纱线轨迹求解方法，属于纺织织造技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 环形编织是一种古老的技术。由于环形编织一体成型的高性能织物的力学特性， 所以该种复合材料已经被广泛地应用于航空、航天、汽车、造船等领域，已应用的部件有：飞 机螺旋桨叶片、火箭喉衬、风力发电机翼片、碳纤维车架和汽车部件等。
[0003] 随着环形编织复合材料的应用需求向广度和深度发展，环形编织加工技术在工厂 中也得到普及。但是大部分加工的是普通的管状形编织成型物，而对于复杂的芯轴活着任 意截面的芯轴并没有一种有效的快速成形的预测轨迹方法。这也给制造加工带来了很大的 麻烦，由于没有有效的仿真手段，常常在加工会出现一些意想不到的错误，正是这些错误使 得加工效率极低，得到的编织成型物的精度和力学性能与预期的大不相同。
[0004] 因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的基于环形编织的任意截面 芯轴的纱线轨迹求解方法，以克服现有技术中的所述缺陷。 【
【发明内容】
】
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于一种基于环形编织的任意截面芯轴的纱 线轨迹求解方法，其针对任意截面的芯轴来精确预测纱线轨迹，能大大提高编织成型物的 精度和力学性能。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于环形编织的任意截面芯轴 的纱线轨迹求解方法，环形编织机中包括卷取机构、芯轴、纱线、纱锭、导向环以及大圆盘； 设定芯轴向左的卷取速度设为字母V，纱锭转动角速度设为co s，导向环半径为Rg;纱线和导 向环接触的点设为q，纱线和芯轴接触的点叫做落点P，纱线落点到导向环的距离设为H。，纱 线在导向环上的接触点角速度亦为co s;其包括如下步骤：
[0007] 1)，将一个任意截面芯轴的表面分割：先在旋转方向上将芯轴分割成诺干个长方 形块，再轴向上根据一定的轴向步长均匀分割，最后连接每个矩形的对角线得到最小单元 三角网格；其中每个长方形块在旋转方向上都占有一个角度
[0008] 2)，设置每根纱线的初始落点p。和导向环上的初始接触点q。；
[0009] 3)，给定时间步长Δ t，根据角速度Cos和卷取速度V就能得到下个导向环上接触 点Q1，并且做Q 1在初始落点P c所在三角面元上的投影点V :，然后连接投影点V :和初 始落点Pc会交于该三角面的某一条边从而得到交点，该交点就是下一个落点P 1;反复使用 上述方法得到纱线的所有落点，从而构成一条轨迹；
[0010] 4)，纱线轨迹求得后，通过两个相邻纱线落点计算编织角，公式如下：
[0012] 其中K两个相邻落点的连线的矢量，??^表示坐标z轴投影在两个相邻落点所在 三角面元上的矢量。
[0013] 本发明的基于环形编织的任意截面芯轴的纱线轨迹求解方法进一步为：所述卷取 机构拉动芯轴往左运动；两组纱锭分别绕着大圆盘中心做顺时针和逆时针运动，所以纱线 亦做顺时针和逆时针运动。
[0014] 本发明的基于环形编织的任意截面芯轴的纱线轨迹求解方法进一步为： 所述步骤2)的具体方法如下：给定第η根纱线的初始角度爭n，满足如下条件：
;找到该纱线初始点所在长方形块位置；其中，角度<p.s1iP<P:s:2根 据长方形块中任意一根三角形的其中两个顶点投影形成长方形块的两个端点得到；接着从 坐标原点开始沿着角度Φη做直线与长方形块的两个端点的连线产生一个交点，该交点就 是该纱线的初始落点Pc;
[0015] 其他的纱线使用公式：
[0016]
[0017] 得到初始角度，并能得到初始落点Ρ。；
[0018] 根据纱线数量在一圈360°上均匀分布，得到所有纱线在导向环上均匀分布的初 始接触点q。。
[0019] 本发明的基于环形编织的任意截面芯轴的纱线轨迹求解方法进一步为：所述步骤 3)中，时间步长At采用以下方法得到：给定N t-个初始值1，即认定纱线经过一个长方形 块所需要的三角面元数量为1 ;给定Nt的值后，根据公式
得到时 间步长的值。
[0020] 本发明的基于环形编织的任意截面芯轴的纱线轨迹求解方法还可为：所述步骤 3)中，纱线落点位置是否准确采用如下方法：通过计算纱线落点与长方形块上的端点之间 的距离，如果距离为0,就说明达到边界；同时纱线经过的三角面元数或者时间步长数被记 t与N t的值做比较，如果不相等，说明给定的N ,的初始值不正确，这时在N ,的 初始值上加1，重新计算纱线在该长方形块上的落点；直到队和N',的值相等为止。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：发明的基于环形编织的任意截面芯 轴的纱线轨迹求解方法能针对任意截面的芯轴来精确预测纱线轨迹，来检验仿真结果有效 性或者通过导入纱线轨迹离散数据检验结果有效性，能大大提高编织成型物的精度和力学 性能。 【【附图说明】】
[0022] 图1是环形编织机的原理图。
[0023] 图2是单根纱线的仿真模型图。
[0024] 图3是芯轴的网格划分方式图。
[0025] 图4是纱线初始落点设置图。
[0026] 图5是纱线落点的理论算图。
[0027] 图6是纱线落点计算机中实现算法图。
[0028] 图7是纱线不同速度下存在的问题图。
[0029] 图8是编织角求解图。
[0030] 图9本发明的基于环形编织的任意截面芯轴的纱线轨迹求解方法的流程图。 【【具体实施方式】】
[0031] 如图1所示，本发明使用对象为带有复杂芯轴的环形编织机，主要由卷取机构1、 芯轴2、纱线3、纱锭4、导向环5以及大圆盘6组成。其中卷取机构1拉动芯轴2往左运动。 两组纱锭4分别绕着大圆盘6中心做顺时针和逆时针运动，纱线3左端被固定在芯轴2左 端，而纱线3右端分别缠绕在这两组携纱器（未图示）上，所以纱线3也随着携纱器转动而 做顺时针和逆时针运动。
[0032] 针对这样的一种快速成形的环形编织机，在仿真中，本发明将它简化为如图2所 示的仿真模型。首先芯轴2向左的卷取速度设为字母V，纱锭4转动角速度设为co s，导向 环半径为Rg。然后纱线3和导向环5接触的点设为q，纱线3和芯轴2接触的点叫做落点 P，纱线3落点到导向环5的距离设为H。同时为了能够更加简便的分析，忽略了所有的摩擦 和接触干扰的影响。并认为纱线是一根没有截面的线。因此忽略了所有的摩擦和接触干扰 的影响后可以认为纱锭4在大圆盘6上运动是与纱线3与导向环5上接触点同步的，即在 仿真模型中可以把大圆盘忽略，这时在导向环5上的接触点角速度同样为co s。最后在图2 中，纱线3和芯轴2中心线的夹角设为编织角α。编织角是织物结构的一个重要参数用来 检验仿真结果的有效性。
[0033] 本发明需要的输入参数包括：纱线数量Ny，角速度cos，卷取速度V，导向环半径R g 以及初始收敛区域长度Η。。本发明的数值方法如下：
[0034] 首先将一个任意截面芯轴的表面分割成如图3所示。先在旋转方向上将芯轴分割 成诺干个长方形块，在轴向上根据一定的轴向步长均匀分割。最后连接每个矩形的对角线 就能得到最小单元三角网格。其中每个长方形块在旋转方向上都占有一个角度tps。
[0035] 然后需要设置每根纱线的初始落点p。和导向环上的初始接触点q。。首先给定第η 根纱线的初始角度Φη (如图4左视图所示），满足如下条件：
[0036]
[0037] 就能够找到该纱线初始点所在长方形块位置。而角度屮51和屮52能够根据长方形 块中在主视图中的任意一根三角形的其中两个顶点在左视图中的投影形成长方形块的两 个端点得到，这些数据在STL文件中都被包含在内。接着从坐标原点开始沿着角度φη做直 线与长方形块的两个端点的连线产生一个交点，该交点就是该纱线的初始落点Pc。对于其 他所有的纱线只需使用下面公式得到初始角度，就能得到初始落点，
[0038]
[0039] 该方式其实是根据纱线数量在一圈360°上均匀分布。使用上面公式（2)同样能 得到所有纱线在导向环上均匀分布的初始接触点。
[0040]