手搓TexGen—三维机织（2.5D）复合材料参数化网格生成技术 原创

三维机织复合材料简介

三维机织又称2.5D，和平面机织材料相比，它的经纱可以穿越厚度方向的其他层，上下交织，经纬互锁。

这种结构本质上还是由经纬两组纱构成，但是又具有了厚度方向纱线，因此称2.5D。

这种结构的好处就是经纬互锁，层层交联，抗分层特性好。

层合板确实容易分层，但是成型前层层不相干，实际制造中逐层铺贴过程可以让树脂和纤维充分浸润。或者直接每层制成预浸料。这样制造的难度就可控了。

所谓成也萧何败也萧何，对于三维机织复合材料而言，一块布就是一个结构整体，一旦纱线分布紧密，经纬锁紧，再加上厚度大，想把树脂注入进去和纱线融合充分就费劲了。

对于这种材料，目前常用RTM（树脂传递模塑）工艺实现成型。简单理解，就是用大号高压针筒把树脂压进纤维。

对于尺寸稍大的件，为了让树脂能够充分流动、均匀浸透。需要在模具上下功夫，要设计注胶、出胶孔的分布，要设计胶液流动轨道。

制造难点也是限制这类材料在大尺寸部件应用的主要原因之一。

到目前为止，三维机织材料也发展了几十年了，国内也研究了20多年。已经发展出了各种结构变种。其中较为常见的还是弯联和直联结构：

（a）浅交弯联；（b）浅交直联

 我10年前做本科毕业设计的时候，主题就是这个浅交直联。那个时候还是用UG做的单胞模型。

网格也是在ABAQUS中用四面体做的，材料方向是手动定义的。

用现在的眼光看，当然是做的很粗糙。

正如我们长大以后，会拼命买AD钙奶来宴请小时候的自己，弥补一下儿时的遗憾。

我们可以把前面谈到的参数化网格生成技术用到三维机织复合材料上，想做什么结构的网格就做什么结构的网格，还是网格质量更好的六面体。

三维机织复合材料参数化生成网格技术

看过前面文章的朋友应该知道，我们对于机织材料做网格，是直接跳过CAD模型这一步的。

直接根据几何特点做网格，而不是先有CAD几何。当然，这需要了解网格的构造原理。ABAQUS的六面体网格，只要知道构造网格的8个节点和排序规律，就可以用一行字符创建出网格。

类比到修真世界，就是口诀（代码）+符咒（字符串）+阵法（数据排布）。

机织复合材料看似复杂、几何参数多。但是由于周期性排布的特点，总能找到一个代表性单元。只要把握住这个代表性单元，就完成了一般的工作。

只要是经纬排布的纱线，我们总可以找到这样一个基础纱线轨迹（红色线）：

然后用这个基础轨迹，作对称、平移等等，得到更大尺寸和更多数量的结构：

再之后就是将纱线截面沿着轨迹扫掠，边扫掠，边得到网格：

 

同时，根据轨迹生成材料局部坐标系：

三维机织复合材料参数化网格生成软件

 

我们将上述方法集成到软件中，就得到了快速创建网格的软件：

纤维轨迹c

纤维网格

树脂网格

效果

弯联结构

直联结构

嵌入式约束将树脂和纤维耦合