《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：High-fidelity modeling of yarn nesting in plain-woven composites using virtual fiber and voxel methods
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Jindi Zhou|Kai Huang|Zhongyu Wang|Xiaojian Han|Hongsen Liu|Licheng Guo•虚拟纤维到体素框架可用于分析编织复合材料中的纱线嵌套结构。•自动化软件可整合从纤维生成到有限元分析的整个流程。•在64种嵌套情况下，材料的
Jindi Zhou|Kai Huang|Zhongyu Wang|Xiaojian Han|Hongsen Liu|Licheng Guo
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虚拟纤维到体素框架可用于分析编织复合材料中的纱线嵌套结构。
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自动化软件可整合从纤维生成到有限元分析的整个流程。
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在64种嵌套情况下，材料的强度变化幅度为21.5%，而模量变化仅为5%。
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11层随机模型预测的模量和强度分别仅与实际值存在1.2%和3.9%的偏差。
引言
由于其优异的机械性能和较高的制造灵活性，编织复合材料已被广泛应用于航空航天等领域[1]、[2]、[3]、[4]。介观尺度有限元模拟已成为预测编织复合材料机械性能的主要方法。该方法的关键在于构建能够区分纤维束与基体区域的代表性体积元素模型[5]、[6]、[7]。这类模型通过周期性边界条件来研究材料的刚度、强度以及损伤演化机制[8]、[9]、[10]。
在介观尺度建模研究中，准确描述纺织品的几何结构对于提高预测精度至关重要[11]、[12]、[13]。目前常用的参数化建模方法依赖于对纱线横截面及走向的简化假设[14]。该方法通过从纺织品横截面的显微镜或扫描电子显微镜图像中提取几何参数，再利用TexGen[15]、UnitCells[16]、[17]和WiseTex[18]等软件包构建单元格模型。尽管这种方法较为成熟且便捷，但其理想化的假设在反映编织结构的真实几何复杂性时存在诸多局限。另一种方法是利用微计算机断层扫描技术直接获取编织面料的三维几何信息[19]、[20]、[21]、[22]，从而构建高精度的几何模型。不过，这种方法需要较高的成本，且几何重建过程的数据处理十分复杂，因此限制了其实际应用范围[13]。
对于多层编织复合材料而言，制造过程中的压实变形是一个亟待解决的问题[23]、[24]。在压力作用下，织物各层会发生显著变形，纱线会侵入相邻层的空隙中，形成复杂的嵌套结构[25]、[26]、[27]。这种压实过程会导致纱线之间产生复杂的接触作用，进而使纱线的走向和横截面都出现明显变形[28]、[29]。这类复杂的几何特征很难用传统的参数化建模方法准确再现。
基于虚拟纤维的建模方法为解决这些问题提供了可行的方案。这一方法最初由Wang和Sun提出，被称为数字元素法，它将纱线离散为由无摩擦销连接的小杆状元素构成的链条，从而形成能够有效模拟纱线变形及接触作用的柔性数字元素链[30]、[31]。在这项开创性工作的基础上，后续研究者成功地将虚拟纤维概念应用于各类预成型体的成型过程模拟，实现了对复杂纺织结构特征的精准重建[32]、[33]、[34]、[35]。
还有些研究进一步将虚拟纤维描述与体素模型或嵌入式有限元模型相结合，用于纺织复合材料的力学分析。Xie等人开发了一种纤维增强体素框架，该框架利用虚拟纤维信息来构建体素级的有效材料属性[36]。其他研究则通过嵌入约束将虚拟纤维与体素元素相耦合[37]、[38]、[39]。这种方法能够实现考虑纱线变形的介观尺度单元格模拟，但在纤维重叠区域可能会导致刚度冗余。为解决这一问题，Liao等人针对二维编织层合材料开发了一种虚拟纤维嵌入建模方法，该方法通过对嵌入模型进行基于区域分割的刚度修正[40]。此外，还有一些研究从压实的虚拟纤维结果中重构出实心纱线几何形状，进而生成有限元网格用于力学分析[12]、[41]。
鉴于上述挑战，本研究针对具有纱线嵌套结构的多层平纹编织复合材料，开发了一种集成型虚拟纤维模型与体素基础有限元框架。首先通过虚拟纤维压实模拟得到压实的纱线几何形状，再将变形后的虚拟纤维信息转换为体素级材料场，包括局部纤维体积分数和局部纤维取向等信息。这些信息可用于为刚度分析和损伤分析设定空间上变化的纱线属性及材料取向。最终得到的体素模型可用于分析嵌套模式对材料刚度、损伤演化以及抗拉强度的影响。此外，本研究还开发了一套自动化软件平台，用于实现虚拟纤维生成、压实模拟、虚拟纤维到体素的转换、材料属性分配以及有限元模型构建等功能的衔接。
章节摘要
集成建模框架
本研究提出了一种集成化且自动化的框架，用于精确建模多层平纹编织复合材料。该框架能够解决重建压实后复杂几何特征的问题，比如纱线横截面的变形以及层间嵌套现象。它可将这些特征转化为高精度的有限元模型，从而更准确地预测材料的机械性能。
虚拟纤维模型采用一维梁单元来模拟纱线的接触与压实现象，这种表示方式
建模方法
本节介绍了所提框架中使用的建模步骤。首先构建虚拟纤维模型以表征初始的纱线几何形状，随后进行压实模拟，得到包含纱线嵌套结构的最终压实几何形态。之后提取变形后的虚拟纤维信息，并通过虚拟纤维到体素的转换将其转化为体素级材料场。根据局部纤维体积分数和局部纤维取向等信息
结果与讨论
本节展示了用于评估所提框架的实验表征结果及数值计算结果。首先通过复合材料的横截面观察纱线嵌套的形态，再通过压实模拟重现该形态。接着通过拉伸试验和数值分析研究材料的力学响应。随后进行了参数化研究，探讨不同嵌套模式对材料弹性模量、损伤演化以及抗拉强度的影响。最后研究了随机嵌套情况
结论
多层平纹编织复合材料在压实过程中产生的纱线嵌套现象会改变纱线的局部几何形状，从而使机械性能的预测变得更加困难。为解决这一问题，本研究开发了一种集成型虚拟纤维模型与体素基础有限元框架。首先通过虚拟纤维压实模拟得到最终的压实几何形状，再将其转化为体素级材料场，用于进行刚度分析和损伤分析。该框架涵盖了从虚拟纤维生成到完整分析的整个工作流程
CRediT作者贡献说明
Licheng Guo：撰写——审阅与编辑、指导、资源提供、方法设计。Xiaojian Han：撰写——审阅与编辑、结果验证。Hongsen Liu：撰写——审阅与编辑、资源提供。Kai Huang：撰写——审阅与编辑、结果验证、指导、项目管理、资金申请、概念构思。Zhongyu Wang：撰写——审阅与编辑、资源提供、方法设计。Jindi Zhou：撰写——初稿撰写、软件开发、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号12472129）。
