一種基于環(huán)形編織的任意截面芯軸的紗線軌跡求解方法
【專利說明】一種基于環(huán)形編織的任意截面芯軸的紗線軌跡求解方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種紗線軌跡的計(jì)算方法，具體涉及一種基于環(huán)形編織的任意截面芯 軸的紗線軌跡求解方法，屬于紡織織造技術(shù)領(lǐng)域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 環(huán)形編織是一種古老的技術(shù)。由于環(huán)形編織一體成型的高性能織物的力學(xué)特性， 所以該種復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船等領(lǐng)域，已應(yīng)用的部件有：飛 機(jī)螺旋槳葉片、火箭喉襯、風(fēng)力發(fā)電機(jī)翼片、碳纖維車架和汽車部件等。
[0003] 隨著環(huán)形編織復(fù)合材料的應(yīng)用需求向廣度和深度發(fā)展，環(huán)形編織加工技術(shù)在工廠 中也得到普及。但是大部分加工的是普通的管狀形編織成型物，而對(duì)于復(fù)雜的芯軸活著任 意截面的芯軸并沒有一種有效的快速成形的預(yù)測(cè)軌跡方法。這也給制造加工帶來了很大的 麻煩，由于沒有有效的仿真手段，常常在加工會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的錯(cuò)誤，正是這些錯(cuò)誤使 得加工效率極低，得到的編織成型物的精度和力學(xué)性能與預(yù)期的大不相同。
[0004] 因此，為解決上述技術(shù)問題，確有必要提供一種創(chuàng)新的基于環(huán)形編織的任意截面 芯軸的紗線軌跡求解方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的所述缺陷。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于一種基于環(huán)形編織的任意截面芯軸的紗 線軌跡求解方法，其針對(duì)任意截面的芯軸來精確預(yù)測(cè)紗線軌跡，能大大提高編織成型物的 精度和力學(xué)性能。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種基于環(huán)形編織的任意截面芯軸 的紗線軌跡求解方法，環(huán)形編織機(jī)中包括卷取機(jī)構(gòu)、芯軸、紗線、紗錠、導(dǎo)向環(huán)以及大圓盤； 設(shè)定芯軸向左的卷取速度設(shè)為字母V，紗錠轉(zhuǎn)動(dòng)角速度設(shè)為co s，導(dǎo)向環(huán)半徑為Rg;紗線和導(dǎo) 向環(huán)接觸的點(diǎn)設(shè)為q，紗線和芯軸接觸的點(diǎn)叫做落點(diǎn)P，紗線落點(diǎn)到導(dǎo)向環(huán)的距離設(shè)為H。，紗 線在導(dǎo)向環(huán)上的接觸點(diǎn)角速度亦為co s;其包括如下步驟：
[0007] 1)，將一個(gè)任意截面芯軸的表面分割：先在旋轉(zhuǎn)方向上將芯軸分割成諾干個(gè)長(zhǎng)方 形塊，再軸向上根據(jù)一定的軸向步長(zhǎng)均勻分割，最后連接每個(gè)矩形的對(duì)角線得到最小單元 三角網(wǎng)格；其中每個(gè)長(zhǎng)方形塊在旋轉(zhuǎn)方向上都占有一個(gè)角度
[0008] 2)，設(shè)置每根紗線的初始落點(diǎn)p。和導(dǎo)向環(huán)上的初始接觸點(diǎn)q。；
[0009] 3)，給定時(shí)間步長(zhǎng)Δ t，根據(jù)角速度Cos和卷取速度V就能得到下個(gè)導(dǎo)向環(huán)上接觸 點(diǎn)Q1，并且做Q 1在初始落點(diǎn)P c所在三角面元上的投影點(diǎn)V :，然后連接投影點(diǎn)V :和初 始落點(diǎn)Pc會(huì)交于該三角面的某一條邊從而得到交點(diǎn)，該交點(diǎn)就是下一個(gè)落點(diǎn)P 1;反復(fù)使用 上述方法得到紗線的所有落點(diǎn)，從而構(gòu)成一條軌跡；
[0010] 4)，紗線軌跡求得后，通過兩個(gè)相鄰紗線落點(diǎn)計(jì)算編織角，公式如下：
[0012] 其中K兩個(gè)相鄰落點(diǎn)的連線的矢量，??^表示坐標(biāo)z軸投影在兩個(gè)相鄰落點(diǎn)所在 三角面元上的矢量。
[0013] 本發(fā)明的基于環(huán)形編織的任意截面芯軸的紗線軌跡求解方法進(jìn)一步為：所述卷取 機(jī)構(gòu)拉動(dòng)芯軸往左運(yùn)動(dòng)；兩組紗錠分別繞著大圓盤中心做順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，所以紗線 亦做順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。
[0014] 本發(fā)明的基于環(huán)形編織的任意截面芯軸的紗線軌跡求解方法進(jìn)一步為： 所述步驟2)的具體方法如下：給定第η根紗線的初始角度爭(zhēng)n，滿足如下條件：
;找到該紗線初始點(diǎn)所在長(zhǎng)方形塊位置；其中，角度<p.s1iP<P:s:2根 據(jù)長(zhǎng)方形塊中任意一根三角形的其中兩個(gè)頂點(diǎn)投影形成長(zhǎng)方形塊的兩個(gè)端點(diǎn)得到；接著從 坐標(biāo)原點(diǎn)開始沿著角度Φη做直線與長(zhǎng)方形塊的兩個(gè)端點(diǎn)的連線產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)就 是該紗線的初始落點(diǎn)Pc;
[0015] 其他的紗線使用公式：
[0016]
[0017] 得到初始角度，并能得到初始落點(diǎn)Ρ。；
[0018] 根據(jù)紗線數(shù)量在一圈360°上均勻分布，得到所有紗線在導(dǎo)向環(huán)上均勻分布的初 始接觸點(diǎn)q。。
[0019] 本發(fā)明的基于環(huán)形編織的任意截面芯軸的紗線軌跡求解方法進(jìn)一步為：所述步驟 3)中，時(shí)間步長(zhǎng)At采用以下方法得到：給定N t-個(gè)初始值1，即認(rèn)定紗線經(jīng)過一個(gè)長(zhǎng)方形 塊所需要的三角面元數(shù)量為1 ;給定Nt的值后，根據(jù)公式
得到時(shí) 間步長(zhǎng)的值。
[0020] 本發(fā)明的基于環(huán)形編織的任意截面芯軸的紗線軌跡求解方法還可為：所述步驟 3)中，紗線落點(diǎn)位置是否準(zhǔn)確采用如下方法：通過計(jì)算紗線落點(diǎn)與長(zhǎng)方形塊上的端點(diǎn)之間 的距離，如果距離為0,就說明達(dá)到邊界；同時(shí)紗線經(jīng)過的三角面元數(shù)或者時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)被記 t與N t的值做比較，如果不相等，說明給定的N ,的初始值不正確，這時(shí)在N ,的 初始值上加1，重新計(jì)算紗線在該長(zhǎng)方形塊上的落點(diǎn)；直到隊(duì)和N',的值相等為止。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：發(fā)明的基于環(huán)形編織的任意截面芯 軸的紗線軌跡求解方法能針對(duì)任意截面的芯軸來精確預(yù)測(cè)紗線軌跡，來檢驗(yàn)仿真結(jié)果有效 性或者通過導(dǎo)入紗線軌跡離散數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果有效性，能大大提高編織成型物的精度和力學(xué) 性能。 【【附圖說明】】
[0022] 圖1是環(huán)形編織機(jī)的原理圖。
[0023] 圖2是單根紗線的仿真模型圖。
[0024] 圖3是芯軸的網(wǎng)格劃分方式圖。
[0025] 圖4是紗線初始落點(diǎn)設(shè)置圖。
[0026] 圖5是紗線落點(diǎn)的理論算圖。
[0027] 圖6是紗線落點(diǎn)計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)算法圖。
[0028] 圖7是紗線不同速度下存在的問題圖。
[0029] 圖8是編織角求解圖。
[0030] 圖9本發(fā)明的基于環(huán)形編織的任意截面芯軸的紗線軌跡求解方法的流程圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明使用對(duì)象為帶有復(fù)雜芯軸的環(huán)形編織機(jī)，主要由卷取機(jī)構(gòu)1、 芯軸2、紗線3、紗錠4、導(dǎo)向環(huán)5以及大圓盤6組成。其中卷取機(jī)構(gòu)1拉動(dòng)芯軸2往左運(yùn)動(dòng)。 兩組紗錠4分別繞著大圓盤6中心做順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，紗線3左端被固定在芯軸2左 端，而紗線3右端分別纏繞在這兩組攜紗器（未圖示）上，所以紗線3也隨著攜紗器轉(zhuǎn)動(dòng)而 做順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。
[0032] 針對(duì)這樣的一種快速成形的環(huán)形編織機(jī)，在仿真中，本發(fā)明將它簡(jiǎn)化為如圖2所 示的仿真模型。首先芯軸2向左的卷取速度設(shè)為字母V，紗錠4轉(zhuǎn)動(dòng)角速度設(shè)為co s，導(dǎo)向 環(huán)半徑為Rg。然后紗線3和導(dǎo)向環(huán)5接觸的點(diǎn)設(shè)為q，紗線3和芯軸2接觸的點(diǎn)叫做落點(diǎn) P，紗線3落點(diǎn)到導(dǎo)向環(huán)5的距離設(shè)為H。同時(shí)為了能夠更加簡(jiǎn)便的分析，忽略了所有的摩擦 和接觸干擾的影響。并認(rèn)為紗線是一根沒有截面的線。因此忽略了所有的摩擦和接觸干擾 的影響后可以認(rèn)為紗錠4在大圓盤6上運(yùn)動(dòng)是與紗線3與導(dǎo)向環(huán)5上接觸點(diǎn)同步的，即在 仿真模型中可以把大圓盤忽略，這時(shí)在導(dǎo)向環(huán)5上的接觸點(diǎn)角速度同樣為co s。最后在圖2 中，紗線3和芯軸2中心線的夾角設(shè)為編織角α。編織角是織物結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)用來 檢驗(yàn)仿真結(jié)果的有效性。
[0033] 本發(fā)明需要的輸入?yún)?shù)包括：紗線數(shù)量Ny，角速度cos，卷取速度V，導(dǎo)向環(huán)半徑R g 以及初始收斂區(qū)域長(zhǎng)度Η。。本發(fā)明的數(shù)值方法如下：
[0034] 首先將一個(gè)任意截面芯軸的表面分割成如圖3所示。先在旋轉(zhuǎn)方向上將芯軸分割 成諾干個(gè)長(zhǎng)方形塊，在軸向上根據(jù)一定的軸向步長(zhǎng)均勻分割。最后連接每個(gè)矩形的對(duì)角線 就能得到最小單元三角網(wǎng)格。其中每個(gè)長(zhǎng)方形塊在旋轉(zhuǎn)方向上都占有一個(gè)角度tps。
[0035] 然后需要設(shè)置每根紗線的初始落點(diǎn)p。和導(dǎo)向環(huán)上的初始接觸點(diǎn)q。。首先給定第η 根紗線的初始角度Φη (如圖4左視圖所示），滿足如下條件：
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[0037] 就能夠找到該紗線初始點(diǎn)所在長(zhǎng)方形塊位置。而角度屮51和屮52能夠根據(jù)長(zhǎng)方形 塊中在主視圖中的任意一根三角形的其中兩個(gè)頂點(diǎn)在左視圖中的投影形成長(zhǎng)方形塊的兩 個(gè)端點(diǎn)得到，這些數(shù)據(jù)在STL文件中都被包含在內(nèi)。接著從坐標(biāo)原點(diǎn)開始沿著角度φη做直 線與長(zhǎng)方形塊的兩個(gè)端點(diǎn)的連線產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)就是該紗線的初始落點(diǎn)Pc。對(duì)于其 他所有的紗線只需使用下面公式得到初始角度，就能得到初始落點(diǎn)，
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[0039] 該方式其實(shí)是根據(jù)紗線數(shù)量在一圈360°上均勻分布。使用上面公式（2)同樣能 得到所有紗線在導(dǎo)向環(huán)上均勻分布的初始接觸點(diǎn)。
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