三維機織復合材料建模
關注創建者：匿名 創建時間：2025-12-15
三維機織復合材料建模的視頻教程
Digimat與Abaqus聯合使用系列——三維編織復合材料建模實例概述
Digimat是復合材料多尺度建模與仿真軟件，能夠對復合材料進行微觀和宏觀分析，預測其表現并計算其機械、熱及電氣特性。 本課程是Digimat與Abaqus聯合使用系列課程的第四章，主要講解通過Digimat建立三維編織復合材料（纖維相+基體相）的細觀模型，隨后導入到abaqus中進行前后處理，掌握編織復合材料細觀模型分析的全流程
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三維機織復合材料建模的實例教程
但是由于TexGen名氣實在太大，很多人比較認可，我們決定也基于體素思想，寫一版三維機織復合材料建模軟件。</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
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展開 我們可以把前面談到的參數化網格生成技術用到三維機織復合材料上，想做什么結構的網格就做什么結構的網格，還是網格質量更好的六面體。
三維機織復合材料參數化生成網格技術
看過前面文章的朋友應該知道，我們對于機織材料做網格，是直接跳過CAD模型這一步的。
直接根據幾何特點做網格，而不是先有CAD幾何。當然，這需要了解網格的構造原理。ABAQUS的六面體網格，只要知道構造網格的8個節點和排序規律，就可以用一行字符創建出網格。
類比到修真世界，就是口訣（代碼）+符咒（字符串）+陣法（數據排布）。
機織復合材料看似復雜、幾何參數多。但是由于周期性排布的特點，總能找到一個代表性單元。只要把握住這個代表性單元，就完成了一般的工作。
只要是經緯排布的紗線，我們總可以找到這樣一個基礎紗線軌跡（紅色線）：
然后用這個基礎軌跡，作對稱、平移等等，得到更大尺寸和更多數量的結構：
再之后就是將紗線截面沿著軌跡掃掠，邊掃掠，邊得到網格：
同時，根據軌跡生成材料局部坐標系：
三維機織復合材料參數化網格生成軟件
我們將上述方法集成到軟件中，就得到了快速創建網格的軟件：
纖維軌跡c
纖維網格
樹脂網格
效果
彎聯結構
直聯結構
嵌入式約束將樹脂和纖維耦合
展開 我研究生的小方向就是立體織物復合材料。盡管剛畢業改換到CFD領域的工作，但是我仍然對一個東西充滿執念。
那就是通過代碼參數化生成織物復合材料的細觀模型，就像英國諾丁漢大學的TexGen那樣。
盡管那時候代碼水平還比較基礎，但就是這個執念讓我不斷研究在數值仿真中網格到底應該如何表達，幾何如何轉換為網格，有了網格應該如何渲染，如何把復雜的織造參數和網格構建聯系起來。
限于自身當時的技術能力，利用業余時間，我在一年后才勉強實現了一個簡單平面機織的的胞元網格，并且可以導入到ABAQUS中使用。但是代碼運行效率很低，更復雜截面和更大尺度無法實現。
因為各種原因，這個工作就此擱置了。
直到前幾年，我導師請我幫忙編一個機織材料的性能預測軟件。我自覺編程和計算機圖形水平提升不少，決定把前面的工作撿起來。
需求牽引，先把最難的參數化建模搞定。
軌跡參數化建模與力學性能預測
用代碼做參數化建模最難的在哪呢？
首先是要建立好紗線之間的接觸關系，因為這是幾何的約束條件。這個約束條件，涉及到經緯紗的截面形狀、尺寸、紗線間距。最終得到的基礎軌跡線見下圖的紅線，這個基礎軌跡線十分重要，通過旋轉、平移就可以獲的更大的尺寸和數量。
如果一切都是參數，那么經紗跨過緯紗的個數、穿越的層數都是參數化的，這就要求基礎軌跡線的數學表達非常合理且高效。
第二難點，接截面隨軌跡的變化。我們假定截面時時刻刻垂直于當地的軌跡，那就像水管那樣，隨形而動。
實際上，到了這一步，基礎的建模問題就接近解決了。
最后一個難點是三維渲染。最不可小視的就是它，而且這一個應該最先做。
展開 機織復合材料
猶記得研究生面試，老師問我知不知道你導師是研究什么方向的。
這題我有準備，遂答：先進復合材料。先進這個詞我還刻意加重了語氣。
其實當時來說，先進在哪我是一概不知。本文就以機織復合材料為題，看看先進復合材料力學性能的常用研究方法。
目前工業上用的最多的一種復合材料結構是層合板。它像千層底布鞋那樣，由很多層纖維布堆疊而成。每一層的纖維絲都有一個特定的角度，通過調整這個角度，可以讓層合板在我們需要的方向上提供最優的力學性能。
這一點與各個方向力學性能都一致的金屬材料差別很大，也是復合材料區別于傳統材料最明顯的一點。也就是說，復合材料這個特點，讓材料的結構設計有了更多的選擇。
層合板結構
正所謂：成也蕭何敗蕭何。層層相貼的特點，讓層合板一直飽受分層的困擾。
為此發展出z向穿刺、縫合等技術，目的就是讓層和層連起來。
目前最先進的當屬三維紡織復合材料。不同于層合板的纖維布堆疊結構，三維紡織復合材料通過紡織工藝，像織毛衣那樣，直接用纖維束織出我們需要的結構形狀。
這樣做的優點是，可以克服層合板內層與層之間容易脫粘分離的缺點，真正實現每個纖維的“物盡其用”。這種結構需要依靠高難度的設計技術、紡織工藝和成型工藝，因此目前僅在少量的高端部件上有所應用。
來源：http://structures.dhu.edu.cn/_s288/f3/92/c14173a193426/page.psp
比如當前最先進的LEAP航空發動機葉片，就是采用了三維紡織復合材料進行制造。
來源：https://www.sohu.com/a/160320905_732047
機織材料作為紡織復合材料的一種，由于其制造相對簡單，目前應用較多。
展開 機織復合材料紗線方向賦予 ￥18
<div contenteditable="false" width="100%">
<p><span style="font-family:'宋體';font-size:12.0pt;white-space:pre-wrap;">機織復合材料方向</span><span style="font-family:'宋體';font-size:12.0pt;white-space:pre-wrap;">賦予</span></p>
<p class="a a3"><span class="a a3">1. </span><span class="a a3" style="font-size:12.0pt;white-space:pre-wrap;">分段賦予方向</span></p>
<p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202303/126e50d847f22ed0c77d0cb14f66beb1.png" style="width:415.3pt;height:184.55pt;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/msimage/202303/126e50d847f22ed0c77d0cb14f66beb1.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/msimage/202303/126e50d847f22ed0c77d0cb14f66beb1.png?
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復合材料多尺度力學仿真中，代表性體積單元（RVE）的幾何建模與網格劃分是前處理階段的主要工作之一。受周期性邊界條件的約束，纖維在模型邊界處的切割精度直接影響后續網格匹配。當纖維端面與基體表面未能完全共面時，往往產生微小幾何階躍，導致節點投影誤差。這些問題在手動腳本處理時出錯的概率較高。
針對上述情況，基于Abaqus環境開發了Periodic RVE Generator插件，對纖維生成
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<p style="-webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); margin: 8px 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height:
但是由于TexGen名氣實在太大，很多人比較認可，我們決定也基于體素思想，寫一版三維機織復合材料建模軟件。
三維機織復合材料簡介
三維機織又稱2.5D，和平面機織材料相比，它的經紗可以穿越厚度方向的其他層，上下交織，經緯互鎖。
這種結構本質上還是由經緯兩組紗構成，但是又具有了厚度方向紗線，因此稱2.5D。
這種結構的好處就是經緯互鎖，層層交聯，抗分層特性好。
層合板確實容易分層，但是成型前層層不相干，實際制造中逐層鋪貼過程可以讓樹脂和纖維充分浸潤。或者直接每層制成預浸料
上一期提到，最近解決了纖維軌跡到三維網格生成技術。
熟悉我們號的朋友應該也發現了，如果說“靜界有限元”有什么特色的話，那一定是圍繞工程問題，具有系統性的解決方案和配套技術。我們在仿真、試驗的同時，長期致力于各種配套軟件工具的開發，做一個東西對應開發一套軟件，讓其他人也能用。
很多事的根源，都要追溯到開頭。開頭是怎么開的，很大程度會影響一個人的后續職業生涯。
我研究生的小方向就是立體織物復合材料。盡管剛畢業改換到CFD領域的工作，但是我仍然對一個東西充滿執念。
那就是通過代碼參數化生成織物復合材料的細觀模型，就像英國諾丁漢大學的TexGen那樣。
盡管那時候代碼水平還比較基礎，但就是這個執念讓我不斷研究在數值仿真中網格到底應該如何表達，幾何如何轉換為網格，有了網格應該如何渲染，如何把復雜的織造參數和網格構建聯系起來。
機織復合材料細觀損傷分析仿真6個月前
機織復合材料
猶記得研究生面試，老師問我知不知道你導師是研究什么方向的。
這題我有準備，遂答：先進復合材料。先進這個詞我還刻意加重了語氣。
其實當時來說，先進在哪我是一概不知。本文就以機織復合材料為題，看看先進復合材料力學性能的常用研究方法。
目前工業上用的最多的一種復合材料結構是層合板。它像千層底布鞋那樣，由很多層纖維布堆疊而成。每一層的纖維絲都有一個特定的角度，通過調整這個角度
以前做材料本構和細觀建模的時候，第一個攔路虎就是建模。尤其是機織編織類的材料，需要搞懂一系列織造參數，才可能完成三維模型創建。這還不算完，搞完模型還要繼續弄網格，一旦需要研究幾何參數變化規律，上述的過程又得整一遍。
即便后面我已經很熟練了，這個過程仍然需要花費很多時間。那個時候我就在想，以后要是能自己搞一個參數化建模工具就好了。
后來做項目多了，發現不僅是細觀結構
前文我們介紹了基于“厚度”推進策略生成網格，并自動定義鋪層、材料的層合板建模算法。
為了提高展示度，同時也是方便給別人使用。我們可以開發一個界面，并封裝成一個軟件。
作為一個小的案例，同樣采用MATLAB實現。
很多人都用過MATLAB的GUI模塊，然而這個東西適合做一些小的工具，稍微復雜一點的功能，就完全無法開展。
GUI模塊
一個最簡單的例子
在當今追求高性能與可持續發展的工業領域，復合材料正成為越來越多行業的首選材料。其卓越的比強度、比模量、耐腐蝕性和高度可設計性，使其在航空航天、汽車制造、電子設備等行業中逐漸取代傳統金屬材料。然而，傳統的復合材料分析方法難以準確捕捉材料微觀結構對宏觀性能的影響，導致設計中不得不引入較大安全系數，既增加成本又限制材料性能發揮。但現在，一款名為 Digimat 的軟件徹底改變了這一局面。
Digimat
