管状机织物在管子上抽拔过程的动态数值模拟

摘要

管状机织物是具有一定空间结构的三维结构的织物，因其相比于其它管状织物材料，如立体缝纫、编织、针织等具有优良的形态稳定性、均匀性、相对较高的强度和较高的生产效率，而被广泛地用作管道的内衬和外套织物。在其外套或内衬于管子的抽拔过程中，管状机织物的几何和力学属性将影响使用性能。用高性能纤维制造的管状机织物因有较高的比强度和比刚度，因而其具有更高的耐疲劳性能。由于管状机织物细观结构的复杂性，管状机织物在管子上抽拔过程的动态数值模拟过程的应用研究目前仍处于前期探索阶段。有关管状机织物在管子上的抽拔过程和管状机织物受力破坏机理的研究对管状机织物的结构设计具有重要的理论价值和实际意义。
　　本文主要运用有限元分析法对管织物外套和内衬于管子的抽拔过程中的应力和应变分布进行了动态模拟和计算。在考察管状机织物细观几何结构的基础上，基于对纤维束截面椭圆外接八边形的假设构建管织物的三维细观模型。管子在整个抽拔过程中若无自锁，其变形可忽略，即认为是刚性体，这相当于管织物的纱线是受到高应变率的作用，即可以采用高应变率下发生最大失效应变准则。依此，采用显示中心差分法原理建立了管子刚性体和管织物柔性体接触时的有限元计算流程。同时，在考虑了经纱和纬纱本构关系的非线性以及管子和织物接触的非线性后，为保证管织物的经纱和纬纱与管子的接触部位的节点数划分为整数对网格作了划分，并依此对整个抽拔过程进行模拟计算，得到管状机织物所受应力和应变分布与常理的应力、应变分布基本一致，且应力与应变的最大值发生点完全一致，其位置在管织物顶端单胞模型中的接触弯曲点。
　　分别对外套抽拔过程中，外套应力及应变分布和内衬抽拔中的应力应变分布作了分析对比，得到外套管织物的抽拔作用会使其轴向的经纱伸长，而径向的纬纱产生收缩，故外套抽拔过程的应力和应变值均大于内衬的抽拔。改变管织物长度的模拟实验证明，无论管状机织物内衬或外套于管子，管织物与管子接触长度的增加对最大应力和应变值及其发生位置有明显的影响，接触长度的增加会导致管织物的自锁，其摩擦自锁长度可以由摩擦接触应力和抽拔作用力计算得出。
　　综上有限元建模的模拟计算结果可以为管状机织物抽拔的应力与应变分布及其自锁和破坏估计提供有效准确的预报方法，从而可指导实际生产，缩短生产周期和减少生产成本。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 管状机织物的特点及主要应用

1．2 管状织物织造方式及研究现状

1．3 管状机织物力学性能研究方法

1．4 现有工作中存在的问题

1．5 本课题研究的内容与目标

第2章 管状机织物的结构与特性及有限元计算

2．1 管状机织物基本微胞体及几何模型

2．2 管织物单元的选取与网格划分

2．3 管子的几何模型

2．4 有限元计算方法

2．5 小结

第3章 管织物外套于管子抽拔过程的应力分布分析

3．1 管织物中受力纱线的网格化

3．2 单胞的网格划分

3．3 载荷特征及边界设置

3．4 应力及应变分布结果与讨论

3．5 外套管织物长度的节点应力及自锁条件

3．6 本章小结

第4章 管织物内衬于管子抽拔过程的应力分布

4．1 管织物内衬抽拔应力及应变分布结果与讨论

4．2 内衬管织物节点应力分布特征

4．3 内衬抽拔管织物长度的节点应力及自锁条件

4．4 本章小结

第5章 结论

5．1 结论

5．2 不足和展望

参考文献

附录A ANSYS WorkBench程序设计

附录B 原图及图表数据

攻读硕士学位期间发表论文

致谢