一种自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法

本发明属于针织物变形与加工，尤其是涉及一种自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法。

背景技术：

1、纬编针织物的平针织物在自然状态下，线圈相互交织使得线圈发生弯曲，由此产生的内应力力图使线圈恢复原始状态而产生卷边现象。从织物正面看，平针织物的针编弧和沉降弧都被压在下方，与中间向上鼓起的圈柱不在一个平面内，它们力图恢复回到同一个平面，故而卷边现象严重，使纵向边缘沿线圈纵向反卷，横向边缘沿线圈横向正卷，该现象的存在为后续平复印染、缝纫带来了难度。

2、人们为了控制卷边现象带来的影响，在加工设备上进行了多方调整优化，在织物上也采用了例如涂速干胶等提高边部硬度的方法。为了得到织物卷边数据更科学的指导加工过程，2019年公开了一种自然状态下纬编针织物卷曲变形计算方法（cn110390159a），首先做出了纱线为线弹性体、截面为圆形、受力过程中截面直径保持不变的假设，推导过程中也认为纱线上载荷呈线性分布、忽略摩擦力、用螺旋线近似描绘线圈形状，然后根据线圈单元边部受力分析推得卷边角度ξ，继而得到交织区域厚度方向作用力和卷边位移，其次需要求解发生卷边的1~n个线圈单元的用ξ1~ξn来表达的坐标表达式，其中，ξ1为第1个线圈单元的卷曲角度，ξn为第n个线圈的卷曲角度，最后累计求和推得卷边高度和卷边长度。

3、但上述方法假设过多，计算过程复杂，在实际应用中有较大难度，且当前人们没有建立合理的有限元模型，并利用有限元分析方法来实现卷边预测。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是提供一种自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，包括如下步骤：

3、s1、确定织物卷边的线圈圈套初始状态模型，所述线圈圈套初始状态模型包括柔性平面线圈、第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈，所述第一刚性立体线圈、柔性平面线圈和第二刚性立体线圈依次相互圈套。

4、s2、采用有限元动力学分析方法对所述线圈圈套初始状态模型进行计算，分别获取内部端的线圈和自由端的线圈在交织区域沿织物厚度方向的作用力和，以及边缘线圈单元的卷边角度的仿真结果；

5、s3、结合织物结构参数推得发生卷边的织物长度l和卷边高度h的值，实现织物卷边的有限元仿真预测。

6、进一步地，在步骤s1中，以柔性平面线圈中心为全局坐标系o，第一刚性立体线圈、第二刚性立体线圈与柔性平面线圈圈套的内侧一端均位于-z方向；该内侧一端与柔性平面线圈间隔一个纱线直径，第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈外侧一端分别处于翘起状态；第一刚性立体线圈、柔性平面线圈和第二刚性立体线圈的y向间距依据织物结构的线圈间距确定。为使柔性平面线圈变形后为目标针织物的线圈结构，第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈依据目标针织物三维线圈结构参数建立，柔性平面线圈依据目标针织物三维线圈结构在xy平面投影的二维结构尺寸数建立。

7、进一步地，在步骤s1中，所述柔性平面线圈的材质是依据织物的纱线材质定义的，所述第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈的材质是尼龙、铝或铜能保持形态的非柔性材质。

8、进一步地，所述目标针织物三维线圈结构参数包括纱线直径d、线圈单元长度l、线圈单元宽度w、线圈间距d，由nurbs曲线准确描绘创建立体线圈和平面线圈模型。

9、进一步地，在步骤s2中，所述有限元动力学分析方法为隐式动力学方法或显式动力学方法，通过定义第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈的翘起一端分别绕其另一端旋转至全局坐标系的z=-d平面，同时定义柔性平面线圈的起始截面仅有z方向移动自由度，该起始截面记作内部端；终止截面为完全自由端，该终止截面记作自由端，以此来实现柔性平面线圈的弯曲变形。

10、进一步地，在步骤s2中，从有限元动力学分析结果中得到的内部端四分之一线圈发生卷边的偏转角度为，自由端四分之一线圈发生卷边的偏转角度为，则整个边缘线圈单元的卷边角度。

11、进一步地，在步骤s3中，发生卷边的织物长度l和卷边高度h值推导结果为：

12、s31、当边缘线圈单元（记为i=0，即第0个线圈单元为边缘线圈单元）由开始偏转直至停止偏转的过程，做功使得这个边缘线圈单元在xz平面偏转了，并引起了该边缘线圈单元重力势能和形变能的增加，得到：

13、

14、其中，r为引起偏转的力的作用距，为边缘线圈单元重力势能的增加量，为边缘线圈单元发生卷边的形变能增加量。

15、同理，我们可以得到i=1线圈单元（第一个线圈单元，即与边缘线圈单元相邻的线圈单元）由开始偏转直至停止偏转过程，此时是做功，得到：

16、

17、其中，为第一个线圈单元卷边角度，为i=1线圈单元重力势能的增加量，为i=1线圈单元发生卷边的形变能增加量。

18、通过上面两个公式，可以得到的值。

19、s32、根据织物结构参数和线圈单元卷边角度，同时设定线圈单元卷边角度是等差变化的，即第i个线圈单元卷边角度为：

20、

21、其中，为第i个线圈单元卷边角度，k为等差因子，i为线圈个数，，若在i=n的线圈处停止卷边，即在第n个线圈单元停止卷边，且在i=m时，从n～m（第n个线圈单元到第m个线圈单元）间的卷边角度累积到了180°，则根据几何关系得到织物卷边高度：

22、

23、其中，为第n-1个线圈单元（与停止卷边的线圈单元相邻的线圈单元），为第n-2个线圈单元，为第m个线圈单元。

24、发生卷边的织物长度为：

25、

26、其中，i停为停止卷边的线圈单元数。

27、由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

28、本发明的有限元模型可准确创建，还可实现截面变形、摩擦力和载荷分布等情况在仿真中实时计算，更能准确的贴近实际问题，使有限元分析方法更具优势。

29、本发明根据织物的三维线圈单元圈套卷边机理创建有限元模型并实现了卷边预测的有限元分析，模型简单，假设条件较少，分析过程易实现，误差较小，发生卷边的织物长度和卷边高度的计算公式更简练、预测更容易，可以为不同织物线圈结构、线圈疏密和纱线材质的针织物进行卷边预测，降低卷边现象给后续平复印染、缝纫带来的难度，更适应于实际生产应用中，可大大的为加工工艺提供科学指导。

技术特征：

1.一种自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，其特征在于：在步骤s1中，以柔性平面线圈中心为全局坐标系o，第一刚性立体线圈、第二刚性立体线圈与柔性平面线圈圈套的内侧一端均位于-z方向；该内侧一端与柔性平面线圈间隔一个纱线直径，第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈外侧一端分别处于翘起状态；第一刚性立体线圈、柔性平面线圈和第二刚性立体线圈的y向间距依据织物结构的线圈间距确定；第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈依据目标针织物三维线圈结构参数建立，柔性平面线圈依据目标针织物三维线圈结构在xy平面投影的二维结构尺寸数建立。

3.根据权利要求1所述的自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，其特征在于：在步骤s1中，所述柔性平面线圈的材质是依据织物的纱线材质定义的，所述第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈的材质是非柔性材质。

4.根据权利要求2所述的自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，其特征在于：所述目标针织物三维线圈结构参数包括纱线直径d、线圈单元长度l、线圈单元宽度w、线圈间距d，由nurbs曲线描绘创建立体线圈和平面线圈模型。

5.根据权利要求4所述的自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，其特征在于：在步骤s2中，所述有限元动力学分析方法为隐式动力学方法或显式动力学方法，通过定义第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈的翘起一端分别绕其另一端旋转至全局坐标系的z=-d平面，同时定义柔性平面线圈的起始截面仅有z方向移动自由度，该起始截面记作内部端；终止截面为完全自由端，该终止截面记作自由端，实现柔性平面线圈的弯曲变形。

6.根据权利要求4所述的自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，其特征在于：在步骤s2中，从有限元动力学分析结果中得到的内部端四分之一线圈发生卷边的偏转角度为，自由端四分之一线圈发生卷边的偏转角度为，则整个边缘线圈单元的卷边角度。

7.根据权利要求6所述的自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，其特征在于：在步骤s3中，发生卷边的织物长度l和卷边高度h值推导结果为：

技术总结本发明提供一种自然状态下针织物卷边预测的有限元分析方法，属于针织物变形与加工技术领域，首先确定织物卷边的线圈圈套初始状态模型，包括依次相互圈套的柔性平面线圈、第一刚性立体线圈和第二刚性立体线圈；然后采用有限元动力学分析方法对线圈圈套初始状态模型进行计算，分别获取内部端的线圈和自由端的线圈在交织区域沿织物厚度方向的作用力以及边缘线圈单元的卷边角度的仿真结果；最后结合织物结构参数推得发生卷边的织物长度和卷边高度的值，实现织物卷边的有限元仿真预测。本发明实现了卷边预测的有限元分析，假设条件较少，分析过程易实现，误差较小，降低卷边现象给后续平复印染、缝纫带来的难度。技术研发人员：李新荣,冯文倩,李兴兴,武长杭受保护的技术使用者：天津工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14