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1、纺织学报第一二十三卷第五期4 2 l - 【8 5 】 有限元分析技术及其在纺织中的应用 张永宁甘应进王建刚陈东生 ( 长春丁业大学艺术设I f 学院,长春,1 3 0 0 1 2 ) 摘要评述有限元分析技术的特点及其在纺织中的应用,指出有】驳元分析技术在纺织行业广泛的应用前景 差词:纺织模拟复台材料有限元分析应用 中雷法分粪号:T S l 0 37文献标识码:A 有限元分析( F E A ,F i n l t eE 1 e m e n tA n a l y s i s ) 技 术是2 0 世纪5 0 年代末出现的处理固体力学的一种 非常有效的数值方法,但巨大的运算量长期制约着 这种方法在工程
2、实践中的应用。随着计算机技术的 陕速发展和普及,有限元技术迅速从结构工程强度 分析计算扩展到各个学科领域。可以说,凡涉及空 间形态的物质结构,不论是以固体、流体还是场的形 式存在,有限元都是非常行之有效的分析方法。 通过有限元分析,可使设计人员在设计阶段就 能精确地预测出产品和工程的技术性能,从而减少 设计成本、缩短设计和分析的循环周期、增加产品和 1 二程的可靠性。随着众多简单易用的有限元分析软 件的出现,有限元分析技术将越来越容易地为普通 的工程技术人员所掌握,有限元分析技术在纺织领 域也显现出极大的应用前景。 l 有限元分析技术的特点 有限元分析的摹本概念是用较简单的问题代替 复杂问题后
3、再求解。它将求解域看成是由许多称为 有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个 合适的近似解,然后推导求解这个域的总的满足条 件,从而得到问题的解。对于不同物理性质和数学 模型的问题,有限元求解法的基本步骤是相同的,只 是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题 的基本步骤为:1 ) 问题及求解域的定义;2 ) 求解域离 散化;3 ) 确定状态变量及控制方法;4 ) 单元推导;5 ) 总装求解;6 ) 联立方程组求解和结果解释。 有限元分析分成三个阶段,前处理、处理和后处 理。前处理是建立有限元模型,完成单元格划分;处 理是对建立的有限元模型进行计算求解;后处理是 采集处理分析结果,使用户
4、能简便提取信息,了解计 算结果。 2 有限元分析技术在纺织中的应用 有限元技术应用于纺织领域的研究主要是在 2 0 世纪8 0 年代,早先研究比较多的是纺织机件的 结构力学分析,后来逐步扩展到纤维、纱线织物等柔 性材料的分析。目前主要的应用如下: 21纺织机件的结构力学分析 这是有限元分析技术应用最多的一个领域,几 乎可以对各类纺织机件进行分析模拟,如梳棉机盖 板的变形分析、片梭织机扭轴的力学分析等等。有 限元分析技术最早就是从结构化矩阵分析发展而 来,逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分 析,实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。 而且从理论上也以证明,只要用于离散求解对象的 单元足够
5、小,所得的解就可足够逼近于精确值。比 如可用有限元分析法建立织编机机架的力学模 型“,计算结果与实验结果基本吻合;还可以采用 动态有限元分析转轴的动力学问题_ 3 l 二 22 织物的结构力学分析 织物的力学结构分析远要比纺织机件的结构力 学分析复杂,因为其结构的大位移、大应变属非线性 问题,依靠线性理论求解误差很大,只有采用非线性 有限元算法才能解决。众所周知,非线性的数值计 算是很复杂的,它涉及到很多专门的数学问题和运 算技巧,很难为一般工程技术人员所掌握。直到 1 9 7 9 年,Dw L l o y d 首次将有限元分析技术应用于 织物的力学结构分析- “,我国学者对此也做了不懈 努力
6、。如提出了采用九结点四边形等单元划分织 物J ,对非织造布拉伸性能进行了有限元模拟计 算,为非线性有限元技术在纺织中的进一步深入提 出了有益的尝试。由于非织造布纤维之间足互相粘 连的,纤维及粘合剂的力学性能都是非线性的,且非 织造布的力学性能还受到不同加工工艺的影响应 用有限元分析技术解决该问题还有许多有涛研究的 地方。 近年来,国外的一些公司花费了大量的人力和 物力开发出诸如M a r c 、A B A Q u s 和A D I N A 等专长 于求解非线性问题的有限元分析软件,并广泛应用 于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非 线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。 2 3 复合材
7、料的结构力学分析 复台材料是由两种或两种以上的单一材料用 物理的或化学的方法经人工复合而成的一种固体材 料。纤维增强复合材料和立体织物增强复合材料是 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 8 6 】4 2 2 近= 卜年发展起来的性能优越的结构。早期丰要J 、:f 用与航天、航空领域,现在已推广到机械、化工、纺织 等许多部门,例如制造涡轮机叶片、制动器、扭忏、转 轴等。应用有限元分析技术对此类构件进行分析, 町优化没计,降低材料的消耗还町模拟各种试验力
8、案达到缩短时间、节约经费及在产品制造前预先发 现潜在的问题的目的。 有人用三维有限元计算并结合一种面积应,J 平 均方法,提出一种对纤维织物增强复台材料也适 用的等教弹性常数的预测方法:由于复合材料的町 设计性,材料的弹性陛能的预测对没计性能优良的 复合材料有着极为蕈要的意义。但对纤维织物增强 复合材料I f i 言,其复杂的微观结构对材料弹性性能 的计算分析带来很大的障碍。最近的理论研究也还 主要局限于二维模型7 。可见,此类材料的弹性常 数的解析法预测难度依然很大。该文依据各向异性 复合材料的本构方程,用平面编织纤维增强复合材 料典型单元三维模型的有限元应力分析结果,结合 一种面积应力平均
9、方法,对其弹性常数进行预测。 并用这种有限元分析方法对单向纤维增强复合材料 模型预测的结果与理论经验公式计算结果进行丁比 较,结果表明,采用的有限元预测方法足可行的, 24 各种流场问题的分析 现在的有限元分析技术水仅可对固体的结构进 行力学分析,对流体力学、温度场、电传导、磁场、渗 流和声场等问题的求解计算也是非常有效的。最近 又发展到求解几个交叉学科的问题。例如,在对涡 流纺流场的研究时8 一,气流使纱体产生变形,纱体 的变形反过来又影响气流的运动这就需要用固体 力学和流体力学的有限元分析结果交叉迭代求解, 即所谓的“流固藕荷”的问题。 关于应用有限元分析技术对流场问题的分析, 相关报道很
10、少,是有限元分析技术在纺织中应用的 一个“盲点”。实际上,应用有限元分析技术对土工 布的渗透性、织物的散热散湿性、喷气、转杯纺纱机 流场的研究都是很合适的。 3 有限元分析技术的实现方法 有限元分析技术一开始就与计算机技术密切相 关有限元分析技术的具体应用也主要是依靠软件 来实现的,现在计算机的运行速度越来越快,用于有 限元分析计算的时间越来越短,一般只有几分钟或 几个小时,而建立一个复杂的模型往往要花费几天 的时间。目前许多有限元分析软件对此重点进行了 改进,具有很强的前置建模和后置数据处理模块,用 户能以可观化图形方式直观快速地进行网格自动划 分,生成有限元分析所需数据,并按要求将大量的计
11、 算结果整理成变形图、等值云图,便于极值搜索和所 需数据的列表输出。当今有限员分析系统的另一个 特点是与通用c A D 软件集成使用,即用c A D 软件 完成部件的设计后自动生成有限元刚格并进行计 算,如果分析的结果小符合设汁要求则重新进行设 计和讣算。直到满意为止,这极大的提高了设计水平 和设计效率。 最为著名的有限兀分析系统是南荚幽国家宇航 局( N A s A ) 在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝 尔航空系统公司开发的、A S T R A N 有限元分折系 统:该系统筮展至今已有儿十个版本,是目前世界 上规模最大、功能最强的有限无分析系统,但价格也 极其昂贵。价格相对较低的
12、崮外通用有限元分析系 统主要有:美国的A B A QL f S 、A D I A 、A N s Y s 、 M A R C 、B E R S A F E 、H O S ( ) R C o S M O S 、 :L A S 、 s T A R D Y N 德国的A s K A 、英崮的P A F F c 、法周的 S Y sr J U s 等。其中国内占有半较高的足美国的 A 、S Y s ,主要版本为5x 。国内开发比较成功并拥 有较多用户的有限无分析系统有大连理_ 大学工程 力学系的儿F E x 9 5 、北京大学力学与科学工程系的 S A P 8 4 、中国农机科学研究院的M A s 50
13、 和杭州自 动化技术研究院的M F E P 40 等。 4 结论 有限元分析技术在纺织中的应用还处于起步阶 段,有很大的应用潜力,许多研究及应用还有待于深 化。随着有限兀分析技术本身的数学理论U 趋成 熟、有限元分析软件功能及易用性的提高,有限元分 析技术将越来越成为工程技术人员解决各领域相关 问题的有利武器。 参考文献 1 顾们洪机织物拉伸的有限兀模拟及应用中围纺织人学学报 1 9 9 8 ( 3 ) :1 2 1 3 2 腆洪波等织编机机架同冉频率的有限元分忻中闻纺织 学 学报1 9 8 9 ( 4 ) :8 3 、9 l 3 码浩林讨绝轴动力学问题的动态肓限元 中国纺织大学学报, l9
14、8 6 f 5 ) :7 3 7 7 4nWU o v dP a T 埘w P s P n t 甜mt N A T OA d P t lh u d vl n s l 、 1 u t eM c c h a n l c s fF l e x l b l en b c rA s b 1 I P K 1 l l n l b I e c c c ,1 9 7 9 3 1 1 3 4 2 5 厩伯洪非纽造栉拉伸性能有限元纺织学报9 9 8 ( j ) :1 2 1 3 6 盛颂恩等纤维织物增强复合材料等效弹性常数的有限元预测 浙江工、大学学报1 9 9 9 ( 3 ) :2 7 2 q 7I I oM H
15、 k ( n o C h o uT e iE 1 a s rI J d u l ds 【r c s sf L c l do fp l a m 一 嗍o n l p o s j t 刚n 【j P rf e n 【el o a d i n g ( o m f ”j 。Tr PS 【e l r j d r e c h n 0 1 0 z y ,1 9 9 7 ( 5 7 ) :7 8 7 8 0 0 8刑明杰涡流纺拼L 场的研究纺织学报1 9 9 8 ( 5J2 6 8 2 7 2 9 道德锟等体织物与复合材料,上海:中倒纺织大学出版杜 1 9 9 8 :9 1 1 0 王善冗等纤维增强复合材料上海中国纺织大学出版牡 1 9 9 8 :3 1 0 0fZ 1 e n k L e zT h cF l n l t eF I e I n e n 【M e t h o d s L o n d o n 1 9 7 7 :2 2 3 0 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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