编织复合材料分析模型软件

*SoftwareX 7（2018）23原始软件出版物编织物CAM：编织复合材料分析模型加勒特·WMelenkaa，*，Jason P.凯里湾a加拿大安大略省多伦多市约克大学机械工程系b加拿大艾伯塔省埃德蒙顿市艾伯塔大学机械工程系多用途复合材料组ar t i cl e i nf o文章历史记录：2017年7月26日收到2017年12月4日收到修订版，2017年保留字：编织复合材料分析模型弹性性能复合材料a b st ra ct编织复合材料由交织以产生编织结构的纱线组成编织复合材料可以以多种不同的构造制造，包括：菱形（1/1）、规则（2/2）和大力神（3/3）编织图案。编织图案是根据相互上下穿过的纱线的数量来分类的。目前，用于编织复合材料设计和制造的软件工具很少。此外，编织复合材料的数学模型需要专门的知识。编织CAM的目标是为编织复合材料的设计和制造提供一个易于使用的工具。像Braid CAM这样的程序的可用性将有助于增加工程设计应用中编织复合材料的实施。©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.0此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-17-00056法律代码许可证GNU通用公共许可证使用git的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务MATLAB编译要求、操作环境依赖性MATLAB 2016 a如果可用开发人员文档/手册问题支持电子邮件gmelenka@yorku.ca软件元数据当前软件版本1.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/gmelenka/BraidedCompositeAnalyticalModel/tree/master/BraidCAMhttps://github.com/gmelenka/BraidedCompositeAnalyticalModel/blob/master/Braid%20CAM的网站。mlappinstallGNU通用公共许可证计算平台/操作系统Microsoft Windows安装要求依赖关系Matlab R2016引擎：http://www.mathworks.com/products/compiler/mcr/Matlab R2016a如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表问题支持电子邮件gmelenka@yorku.ca通讯作者。电子邮件地址：gmelenka@yorku.ca（G.W.Melenka），jason. ualberta.ca（J.P. Carey）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2017.12.0041. 动机和意义管状编织复合材料由纱线交织形成编织结构[1，2]。编织后，2352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx24G.W. Melenka，J.P.Carey/SoftwareX 7（2018）23图1.一、 编织图案示例。可以使用五朔节花柱编织机生产的三种编织图案预成形结构在基体内固化以形成最终的编织复合结构。使用五朔节编带机以各种不同的构造制造编织物。 图1中示出了示例性编织配置，其包括菱形、规则和大力神。编织图案根据编织结构中存在的上纱线和下纱线的数量进行分类。编织复合材料的力学性能受编织方式和编织结构中纱线取向的影响。不同编织图案的纱线波动的比较如图2所示。编织复合材料的应用实例包括轻型自行车车架或航空航天结构[1]。操纵树脂、纤维或编织物几何形状的能力允许编织复合材料适应各种应用。编织复合材料在工业中的应用受到一定的限制，部分原因是编织物力学性能预测的挑战。生产编织复合材料的关键参数之一是编织角（图1）。①的人。编织角度从编织物的纵轴测量编织角度通过在编织过程中改变芯轴卷取速度来控制[3]。的变型编织角对编织复合材料的力学性能有显著影响。一些研究人员已经开发了模型来预测编织复合材料的力学性能[4用于编织复合材料的建模方法包括分析模型和基于有限元分析的模型。目前存在的模型仅限于单一编织模式。尽管存在用于预测编织复合材料的机械性能的几种模型，但是用于设计、制造和预测复合材料编织物的机械性能的软件工具有限当前的分析模型在用于编织复合材料设计之前需要进行冗长的手工计算。TexGen和WiseTex等软件程序可用于纺织复合材料，但不存在用于编织复合材料的特定软件[9，10]。缺乏可用的软件工具限制了这种制造技术的实施，因为需要专门的知识来预测复合材料编织物的机械性能。本工作的目标是开发一个用户友好的软件工具，用于管状编织复合材料的设计和制造。Melenka和Carey [11，12]描述了该软件程序中使用的数学模型和模型验证的完整细节该模型已推广到预测不同编织方式的力学性能以前的模型仅限于单一编织模式。该模型使用体积平均刚度方法来预测不同编织模式的弹性特性[5，6]。该软件可以方便地操作编织参数，如编织几何，尝试，编织角，纱线的机械性能。可以保存使用编织CAM生成的结果，以便比较编织几何形状、编织纱线机械性能或编织图案变化的影响。2. 软件描述编织CAM允许用户输入与编织复合材料的设计和制造相关的许多参数用户图二、 不同编织方式纱线波动的比较。显示了菱形（1/1）、规则（2/2）和大力神（3/3）编织物的纱线波动编织纱线波动高度由h（x′）表示，x′表示纱线的局部轴坐标。G.W. Melenka，J.P.Carey/SoftwareX 7（2018）2325图3.第三章。编织物CAM用户界面。图四、 编织CAM程序显示弹性模量与编织角度的模型结果。编织CAM接口，如图所示。 3分为若干小组。编织几何输入面板允许输入编织几何值和选择不同的编织模式。纱线机械特性面板允许输入纱线和矩阵数据。利用编织纱线和基体的力学性能预测了有效编织力学性能特性. 纱线和基体性能可以在复合材料文献中找到，或者可以使用微观力学模型计算[13，14]。一旦输入了机械性能和编织显示器有两个选项 的结果。第一个选项可视化编织的效果26G.W. Melenka，J.P.Carey/SoftwareX 7（2018）23图五、 编织CAM程序计算特定编织角度的编织机械性能。角对弹性的影响。第二个选项显示了特定编织角下编织复合材料的弹性特性。编织几何形状和纱线机械特性的输入参数可以使用加载/保存数据面板保存和加载，最后，可以将使用该程序产生的结果保存到CSV文件中以供进一步分析。3. 说明性实例编织物CAM的操作如图1和图2所示。 4和五、这些图展示了程序的两种操作模式。在图4中，可以看出已经进行了编织模型计算，并且显示了编织角度对纱线机械性能的影响。图5示出了特定编织角的编织物机械性能的计算。4. 影响Braid CAM软件的目标是创建一个易于使用的应用程序，用于预测编织复合材料的机械性能目前，有几个软件工具，可免费用于编织复合材料的设计和分析编织复合材料的数学模型，目前存在于文献中，必须首先复制之前，在设计设置中使用。现有模型的复制是一项重要的任务，这限制了编织复合材料在结构工程应用中的应用本工作中提出的软件模型已经过实验验证，并与文献[11，12]中存在的现有模型进行了比较。编织复合材料需要专业知识来设计使用这种先进制造方法的结构。快速计算编织复合材料的力学性能的能力应该是有益的制造社区。的预测编织复合材料的机械性能的能力5. 结论本文提出了一种预测编织复合材料力学性能的新的解析模型为了支持这个新开发的模型，软件程序，编织CAM，已经创建，以允许快速计算的复合编织物的机械性能。编制一个易于使用的编织复合材料软件程序将允许更大的实施编织过程的工业应用。引用[1] Melenka GW等人，编织复合材料的制造工艺。在：编织复合材料的进展手册：理论，生产，测试和应用。2016. p. 47-153[2] Ayranci C ， Carey J. 二 维 编 织 复 合 材 料 ： 刚 度 临 界 应 用 综 述 。 ComposStruct2008;85（1）：43-58.[3] 作者声明：JohnW.复杂形状圆编织工艺分析 JText Inst1994;85（3）：316-37.[4] Ayranci C，Carey JP.用弯曲单胞几何预测编织管状复合材料的纵向弹性模量。Compos Part B Eng2010;41（3）：229-35.[5] 边 俊 辉 二 维 编 织 纺 织 复 合 材 料 的 解 析 表 征 。 Compos Sci Technol2000;60（5）：705-16.[6] 郭文贵，李文贵. 二维三轴平面编织纺织复合材料的分析。国际机械科学杂志2003;45（6-7）：1077-96.[7] 杨文，王文.基于微结构特性的二维三轴编织纺织复合材料力学性能估算。Compos Part B Eng2015;68：88-299.[8] JiX，et al.编织织物增强复合材料弹性性能的多尺度模拟与有限元辅助计算。J ComposMater2013;48（8）：931-49.[9] 洛莫夫体育俱乐部模拟复合材料的纺织增强体的几何形状：WiseTex。In：Boisse P，editor. 复合增强材料，实现最佳性能。Cambridge：WoodheadPublishing Limited;2011. p. 200比38G.W. Melenka，J.P.Carey/SoftwareX 7（2018）2327[10] 长AC，布朗LP。 模拟复合材料的纺织增强材料的几何形状：TexGen。In：Boisse P ， editor. 最 佳 性 能 的 复 合 增 强 材 料 ， 2007 年 。 Cambridge ：Woodhead Publishing Limited;2011. 第239- 264页。[11] Melenka GW ， Carey JP.管 状 编 织 结 构 复 合 材 料 通 用 分 析 模 型 的 开 发 。 JCompos Mater2017.[12] MelenkaGW，Carey JP.金刚石和规则管状编织复合材料的三维数字图像相关实验分析。JCompos Mater2017;1-21.[13] Melenka GW，Ivey M，Carey JP.使用编织复合材料应用程序。In：CareyJP，editor. 编织复合材料进展手册。Elsevier Ltd;2017. p. 23比43[14] DanielIM，Ishai O.复合材料工程力学。 纽约：牛津大学出版社，1994.