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双轴向纬编间隔针织复合材料点冲击动态响应及有限元模拟的开题报告1. 研究背景随着人们对高性能复合材料需求的不断增加，复合材料的研究和应用已成为热点领域。
针织复合材料由于其高强度、轻质、柔韧等特点，被广泛用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
然而，由于复合材料受到外力的影响时，其宏观性能容易受到影响，因此对其动态响应进行研究具有重要意义。
2. 研究内容本研究将针织复合材料作为研究对象，探究其点冲击动态响应的特点，并开展有限元模拟研究。
具体内容包括：(1) 针对不同的双轴向纬编间隔针织复合材料样品进行点冲击实验，记录其动态响应过程。
(2) 将实验数据整理，分析不同样品的点冲击响应特点。
(3) 基于有限元方法，建立双轴向纬编间隔针织复合材料的模型，进行点冲击有限元模拟并与实验结果进行对比。
(4) 对不同参数进行敏感性分析，探究对点冲击响应的影响。
3. 研究意义本研究将为针织复合材料的动态响应研究提供一定的参考。
通过实验和有限元模拟的结合，不仅可以得到更全面和准确的数据，也能够探究不同因素对其动态响应的影响，为后续优化设计提供理论依据。
4. 研究方法本研究将采用点冲击实验和有限元模拟相结合的方法。
点冲击实验将在实验室中进行，通过实验数据记录针织复合材料的动态响应过程。
有限元模拟将基于实验数据，建立双轴向纬编间隔针织复合材料的模型，并进行点冲击有限元模拟。
5. 预期成果本研究的预期成果包括：(1) 不同样品的点冲击动态响应特点。
(2) 双轴向纬编间隔针织复合材料的点冲击有限元模拟结果。
(3) 对不同因素对点冲击响应的影响进行敏感性分析结果。
(4) 提出针织复合材料的动态响应优化设计建议。
以上为本研究开题报告的主要内容，仅供参考。
织物材料的力学行为模拟与分析织物作为一种常见的材料，广泛应用于服装、家居用品、工业制品等领域。
了解织物材料的力学行为对于设计和制造具有重要意义的产品至关重要。
在现代科技的推动下，利用计算机模拟和分析织物材料的力学行为已成为一种常见的方法。
一、织物的结构与力学行为织物的力学行为与其结构密切相关。
织物由纱线交织而成，纱线又由纤维组成。
纤维的材料、形状、强度等特性决定了织物的力学性能。
织物的结构包括纱线的密度、纱线的交织方式、纱线的拉伸方向等。
这些结构特性会影响织物的强度、弹性、抗磨损性等力学性能。
二、织物材料的力学行为模拟方法1. 数值模拟数值模拟是一种常见的方法，通过建立数学模型和使用计算机进行模拟计算，来预测织物材料的力学行为。
数值模拟可以基于有限元法、多体动力学等方法进行。
通过输入织物的结构参数和纤维的力学特性，可以模拟织物在受力时的变形、应力分布等情况，为产品设计和制造提供指导。
2. 实验测试实验测试是验证数值模拟结果的重要手段。
通过拉伸试验、磨损试验等实验方法，可以获取织物材料在不同条件下的力学性能数据。
这些数据可以用于校正和验证数值模拟的结果，提高模拟的准确性。
三、织物材料力学行为模拟与分析的应用1. 产品设计与优化通过模拟和分析织物材料的力学行为，可以为产品设计和优化提供依据。
例如，在设计一款服装时，可以模拟织物在不同穿着状态下的变形情况，以确保服装的舒适性和合身度。
在设计工业制品时，可以模拟织物在受力情况下的应力分布，以确保产品的结构强度和稳定性。
2. 材料选择与性能评估织物材料的力学性能对于不同应用领域的产品来说至关重要。
通过模拟和分析织物材料的力学行为，可以评估不同材料的性能优劣，选择最适合的材料。
例如，在汽车制造中，可以通过模拟和分析织物材料的抗撕裂性能、耐磨损性能等，选择适合车内装饰的织物材料。
3. 故障分析与改进在实际应用中，织物材料可能会出现破损、变形等故障。
通过模拟和分析织物材料的力学行为，可以帮助分析故障的原因，并提出改进措施。
用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型作者：刘闯黄天麟邸嘉男程晖梁彪来源：《航空科学技术》2024年第03期摘要：随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面，预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。
基于连续介质力学理论，本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。
通过三维机织物的变形试验，建立了应变能密度函数，获取了三维机织物材料参数，并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比，验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。
超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。
关键词：三维机织物；预成形；超弹性本构模型；有限元仿真模型中图分类号：V261.97 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.03.004基金项目：航空科学基金（2020Z068053001）随着航空航天领域日益复杂的服役环境与结构形式，复合材料不仅需要提高结构强度、疲劳寿命、抗冲击性能等力学性能，还需要提高复合材料成形性能，以实现复合材料的复合结构制造[1-5]。
其中，航空航天领域中叶片、机匣等结构要求复合材料具有较高的结构强度、层间性能与疲劳韧性，进而提出了具有三维架构的机织复合材料，其形式主要包括三维角联锁编织复合材料、三维正交编织复合材料等[6-7]。
三维机织复合材料由于在材料的层间厚度方向新编织了增强纱，大大提高了其抗分层能力与抗冲击性能，成为理想的高性能结构材料。
三维机织复合材料的主要成形方式是树脂模塑传递成形（RTM），其中的预成形阶段是三维机织物产生变形的主要阶段，期间经历纤维变形、损伤、纤维体积分数与树脂渗透率的变化，进而对最终构件的力学性能产生关键影响。
在其预成形过程中三维机织物的变形行为较为复杂，为降低试验成本，需要提出合适的变形预测本构模型，预测三维机织物预成形过程中的变形行为。
织物成形模拟的有限元方法研究织物变形的模拟问题是从上个世纪80年代中期开始研究的问题，其中有限元方法模拟则开始于上个世纪90年代，距今只有10年左右的历史。
国际上这方面的研究方兴未艾，国内研究比较有限，尤其是有限元方法模拟织物变形在国内尚未见到相关文献。
迄今为止有限元方法是最有可能全面体现织物材料特性的方法，也是最有希望完全准确反映织物变形的方法，因此本文以织物悬垂的有限元模拟为对象，进行了研究，本文主要有以下几个方面的工作： (1) 对国内外织物变形研究的历史和现状进行了综合论述，并调查了壳元文献中对有限旋转的表达方法，给以分类。
(2) 提出了一个用相对夹角表达有限旋转的壳元模型，并推导了详尽的算法。
在织物的悬垂模拟中有限旋转起着重要作用。
作者为此提出了一种有限旋转描述模型，该模型建立各个结点在初始构形上的局部坐标系，使用法线在局部坐标的相对夹角的变化来描述法线的变化。
这样的有限旋转描述方法比经典的线性描述准确，比几何精确壳理论的Rodrigues参数表达法要简单。
可以说是一种简单而准确的有限旋转表达方法，尤其是该算法的实现比几何精确壳理论要简单。
该方法存在不能描述弯矩边界条件的缺点，但对于织物悬垂模拟来说足够可行，因为织物一般不能承受弯矩载荷。
(3) 在上面的有限旋转模型的基础上，按照几何非线性有限元理论，作者详尽地推导了退化曲壳元的T.L.算式。
在单元的选用上，通过比较作者选用了9结点的Heterosis单元，最后在计算中应用节减积分技术，由此建立了一套行之有效的有限元算法。
(4) 把织物作为连续介质，探讨了其本构关系的建立问题。
假定织物是线弹性的，且是均匀正交异性材料，建立了织物的正交异性本构关系，并讨论了其中的弹性模量的选取问题。
指出应该选用织物的弯曲刚度推导出的弹性模量作为本构中的弹性模量，而不是实测的弹性模量。
另外讨论了织物的泊松比对其悬垂变形的影响问题，指出正常范围内的泊松比对织物的悬垂变形影响不大。
超高分子量聚乙烯平纹织物的穿刺冲击模拟与响应分析邹画眉;刘新金;谢春萍;苏旭中;徐伯俊【摘要】运用有限元方法对带刃刀具刺穿超高分子量聚乙烯平纹织物的冲击过程进行数值模拟,并通过准静态实验验证有限元模型的有效性.通过给出布面刺破效果的数值仿真模拟,对织物刺穿过程中的纱线的应力应变分布进行分析,得到冲击系统的能量变化规律.数值模拟结果指出:刀刺织物过程中,刀具的能量主要转化为织物的弹性应变能,其余为塑性耗散能和摩擦耗散能;纱线破坏以剪切断裂为主;平纹织物的弹性回复性能有助于抵抗刀具的冲击,增强其抗剪切性能是提高防刺性能的关键.【期刊名称】《丝绸》【年(卷),期】2019(056)006【总页数】6页(P46-51)【关键词】有限元;平纹织物;穿刺;准静态实验;能量【作者】邹画眉;刘新金;谢春萍;苏旭中;徐伯俊【作者单位】江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122【正文语种】中文【中图分类】TS101.923柔性织物和纺织结构复合材料因其质轻柔软、高强耐冲击的特点被广泛运用在特种防护织物，如击剑服、防刺防弹服的研发上[1-2]，其中最典型的代表就是纤维增强复合材料。
而纤维增强体在纤维增强复合材料中提供材料的强度和刚度，起主要作用[3-4]，因此，对于增强体的力学研究和抗冲击性能预测颇为重要。
利用有限元模拟计算纤维增强体在冲击下的力学响应，一方面避免了制作大量的试样，降低了生产成本；另一方面能够更细致深入地分析纺织结构的力学响应，这是单纯进行力学实验所不能达到的，因而成为了当下的研究热点。
有限元分析包括建模、材料属性赋予、建立分析步、设置相互作用、划分网格、施加载荷与边界条件、提交任务与可视化分析等步骤[5]。
双轴向纬编间隔针织复合材料点冲击动态响应及有限元模拟在工程应用中经常遇到冲击载荷,由于复合材料在冲击载荷下的力学性能和准静态下的力学性能有较大差异,所以研究复合材料的冲击响应十分必要。
双轴向纬编间隔针织复合材料是一种全新的三维纺织结构复合材料,在传统的纬编间隔针织结构的基础上引入了经纱和纬纱,从而提高了材料的平面拉伸强度和刚度。
连接纱连接上下层针织结构,提高了材料的层间剪切强度,并能保证上下层
之间没有滑移。
双轴向纬编间隔针织复合材料具有良好的抗冲击性能和能量吸收性能。
本课题运用试验和有限元模拟来研究不同冲击速度下的双轴向纬编间隔针
织复合材料圆板的动态响应,准静态和动态冲击试验分别在MTS材料试验机和SHPB装置上进行。
通过试验,得出材料在冲击载荷下的载荷-位移曲线,进而分析其能量吸收和动态响应。
应力波在Hopkinson杆中的传递是多次入射与反射的过程,每次入射都有一部分能量被复合材料吸收。
随着冲击速度的增大,材料的破坏载荷和破坏变形增大,能量吸收也随之增大,且纬向破坏程度比经向严重。
在冲击载荷下,复合材料的破坏模式为背面基体开裂;而在准静态试验中,破坏模式为纤维拉伸和抽拔。
本课题建立了三维针织复合材料的单胞模型,利用有限元软件ABAQUS并结合用户材料子程序进行准静态和冲击载荷下的有限元模拟。
试验结果与有限元模拟结果比较,具有较好的一致性,表明该单胞模型用于
三维针织复合材料结构的可行性,以及用户子程序用于有限元计算的有效性。
布料有限元仿真材料定义-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在工程领域中，布料的有限元仿真是一种常用的分析方法，通过模拟和分析布料的力学行为和性能，可以帮助工程师更好地设计和优化布料的使用。
有限元仿真是一种基于数学和计算机技术的模拟方法，它可以对复杂的材料结构进行分析和预测。
布料在工程中扮演着重要的角色，它们广泛应用于服装、家居用品和工业制品等领域。
布料的性能直接影响着产品的质量和可靠性，因此对于布料的力学行为和性能的研究具有重要的意义。
本文将重点关注布料的有限元仿真和材料定义。
有限元仿真是一种以连续材料离散化为有限个单元，通过数值计算方法求解这些单元上的方程，进而推导出整个结构的力学特性和行为的方法。
通过有限元仿真，我们可以预测和分析布料在不同加载情况下的变形、应力分布和应变变化等，并进而进行布料的设计和优化。
在有限元仿真中，材料的定义是十分关键的一步。
通过对材料的力学特性进行准确的定义，可以保证仿真结果的准确性和可靠性。
材料定义包括材料的弹性模量、刚度、屈服强度等物理性质的确定，以及材料的本构模型的选择和参数的设定。
合理和准确的材料定义是布料有限元仿真的基础。
综上所述，本文将对布料的有限元仿真和材料定义进行详细的介绍和阐述。
通过对布料的力学行为和性能的模拟和分析，可以为工程师提供有效的设计和优化方案，为布料的应用和制造提供技术支持。
同时，合理和准确的材料定义是保证仿真结果准确性的关键，本文也将对材料定义的重要性和方法进行探讨和研究。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以是：文章结构：本文共分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分（Chapter 1）介绍了本文的概述，文章结构和目的。
正文部分（Chapter 2）主要分为两个部分，分别是布料有限元仿真和材料定义。
在布料有限元仿真的部分（2.1节），我们将介绍布料在有限元仿真中的应用。
通过有限元分析方法，我们可以对布料的力学特性进行模拟和分析，以评估其性能和行为。
基于有限元的织物弹道冲击形变实验与仿真
美国麻省理工学院士兵纳米技术研究所Ethan M. Parsons
美国陆军研究实验室Tusit Weerasooriya
摘要：织物正日渐成为防护装甲的重要组成部分，而且随着防护装甲的广泛应用，人们越来越需要获得有关织物形变的计算模型，以探索织物的新特性与新应用。
然而，对织物进行建模是很困难的，因为我们既需要在宏观层面（整块织物）上又需要在细观层面（纱线或纤维）上来对它的响应进行仿真。
本文提出了一种有限元方法来模拟织物的三维高速形变过程，无需对纱线进行建模即可了解整块织物细观结构的变化情况。
为验证所提方法的有效性，我们在单层凯夫拉织物上进行了发射物初速度为22~550米/秒的弹道冲击实验，结果证明，有限元分析方法能有效地对复杂结构织物的形变进行仿真。
关键词：有限元织物形变仿真弹道冲击
1 介绍
织物因具有良好的柔韧性、可成形性以及高强度系数，正日渐成为防护装甲的重要组成部分。
自1950年起，以织物为基础制成的个人防弹衣就因轻便性与灵活性而广泛应用于针对子弹、手榴弹、迫击炮、地雷和简易爆炸装置的伤害防护中。
此外，织物也可用于增强头盔或装甲板中聚合物或陶瓷的防护性能，以抵御高速发射物的冲击。
虽然织物的应用非常广泛，但目前还没有一个被广泛接受的织物形变计算模型。
织物系统的设计很大程度上仍然依赖于经验主义方法，因此对现有织物的分析和对新织物的开发往往会耗费巨大的成本与时间。
对织物进行建模之所以很困难，一方面是因为在宏观上整块织物的结构非常复杂，另一方面是因为在细观上纱线的形变模式较多，如拉伸、卷边、旋转等，因此，织物的响应是非线性、非均质的。
一个完整的织物形变模型必须能够跟踪细观结构的几何形变，能够阐释几种主要的细观形变模式，这样才有可能预测织物的宏观响应。
目前，大部分此类模型采用一维或二维有限元方法，要么离散地对每个纱线（或纤维）进行三维仿真，要么将纱线的响应进行均匀化处理。
另外，还有一些学者提出了织物弹道冲击模型，但这些模型都没有考虑到主要的细观形变模式。
我们在前人的基础上，提出了一种基于有限元的仿真方法来计算织物的弹道冲击形变量，该方法结合了离散三维方法与传统连续模型的优点，其中，织物的均质化连续性质可通过细观织物的形变分析模型得到。
本文组织结构如下：第2章提出了织物（特别针对凯夫拉S706）模型与有限元分析理论，并阐释了如何确定织物几何形变与织物应力的方法；第3章介绍了我们在美国陆军研究实验室进行的低速发射物冲击实验与仿真，第4章则介绍了我们在美国麻省理工学院士兵纳米技术研究所进行的中高速弹道冲击实验与
仿真，两个实验的仿真均取得了良好效果；第5章进行了小结。
2 织物模型与有限元分析方法（略）
（本章基础理论性较强，有兴趣的研究人员可以参考原文，此处不作翻译。
——译者注）
3 低速发射物冲击实验与仿真
凯夫拉S706等织物被广泛用于针对各种类型发射物的伤害防护中。
在成功抵御发射物冲击的情形中，织物能吸收和消散织物的所有动能，并将此动能转化为纱线的动能与应变能。
在本章，我们将会通过严格比较预测结果与实验结果，来展示织物有限元模型在应变速率增大的情况下的准确性。
我们在凯夫拉S706上进行了低速（22~30米/秒）发射物冲击实验，该实验的独特之处在于，其通过三维数字图像关联，得到了织物后表面（受冲击面的方面）的位移场，而且此位移场与仿真结果非常接近，从而验证了模型的有效性。
3.1 低速发射物冲击实验的流程（略）
3.2 低速发射物冲击仿真的流程（略）
3.3 低速发射物冲击实验与仿真的结果
在发射物速度为22米/秒时，织物成功抵御了发射物的冲击，而且织物有限元模型也准确地计算出了织物的形变量。
在圆形切片的情形下，在冲击点的最大位移是37.1毫米（发生于冲击后第2.3毫秒）；而在方形切片的情形下，在冲击点的最大位移是39.8毫米（发生于冲击后第2.6毫秒）。
仿真的位移计算结果分别比圆形切片和方形切片的情形少了1毫米和2.6毫米。
图1和图2分别显示了圆形、方形切片的形变情况与横向位移轮廓的实验与仿真结果，可以看出，实验与仿真的结果非常接近。
图1 发射物速度为22米/秒时，圆形切片横向位移轮廓的实验（左）与仿真（右）结果
（a）（a’）：冲击后第0.4毫秒；
（b）（b’）：冲击后第0.9毫秒；
（c）（c’）：冲击后第1.3毫秒；
（d）（d’）：冲击后第2.0毫秒；
图2 发射物速度为22米/秒时，方形切片横向位移轮廓的实验（左）与仿真（右）结果
（a）（a’）：冲击后第0.4毫秒；
（b）（b’）：冲击后第0.9毫秒；
（c）（c’）：冲击后第1.3毫秒；
（d）（d’）：冲击后第2.5毫秒；
织物有限元模型在宏观上的计算结果较为准确，是因为其计算过程是建立在纱线的实际形变基础上的。
而对纱线张力的跟踪则使得有限元模型能预测织物失效的情形。
在实验中，织物的失效发生于发射物速度为30米/秒时（约在冲击后第1.4毫秒），横向位移轮廓的实验和仿真结果一致，如图3所示。
仿真结果还显示，发射物穿透织物后的剩余速度为15.4米/秒，但实验并没有测量出这一数值。
图3 发射物速度为30米/秒时，圆形切片横向位移轮廓的实验（左）与仿真（右）结果
（a）（a’）：冲击后第0.5毫秒；
（b）（b’）：冲击后第1.0毫秒；
（c）（c’）：冲击后第1.425毫秒；
（d）（d’）：冲击后第1.575毫秒；
4 中高速弹道冲击实验与仿真
我们在凯夫拉S706上进行的中高速弹道冲击实验也能通过织物有限元模型来仿真，在这些实验中采用方形织物。
发射物的速度用激光传感器来测量，织物形变图像用高速CCD摄像机来记录，另外，这些图像也可以用来测量织物的横向位移和剩余速度。
4.1 中高速弹道冲击实验的流程（略）
4.2 中高速弹道冲击仿真的流程（略）
4.3 中高速弹道冲击实验和仿真的结果
织物有限元模型能准确地预测当发射物速度为170米/秒时的情况，图4显示了当发射物速度为171米/秒时，第100、200、300和400微秒时横向位移波沿着经纬方向的传播情况。
仿真计算结果与实际横向位移值的误差不超过10%。
图4 发射物速度为171米/秒时，弹道冲击实验图像（上）与仿真横向位移轮廓（下）
（a）（a’）：冲击后第100微秒；
（b）（b’）：冲击后第200微秒；
（c）（c’）：冲击后第300微秒；
（d）（d’）：冲击后第400微秒；
值得注意的是，在本实验中，不同剩余速度的发射物会导致不同的现象：当速度小于200米/秒时，发射物不会穿透织物；当速度为200~275米/秒时，剩余速度大约为初速度的60%；当速度大于275米/秒时，剩余速度会跃升至初速度的90%左右。
在发射物初速度为200~275米/秒时的一个典型例子如图5所示，在发射物初速度大于275米/秒时的一个典型例子如图6所示。
图5 发射物速度为227米/秒时，弹道冲击实验图像（上）与仿真经纱张力轮廓（下）
（a）（a’）：冲击后第25微秒；
（b）（b’）：冲击后第100微秒；
（c）（c’）：冲击后第200微秒；
（d）（d’）：冲击后第250微秒；
（e）（e’）：冲击后第300微秒；
图6 发射物速度为362米/秒时，弹道冲击实验图像（上）与仿真经纱张力轮廓（下）
（a）（a’）：冲击后第15微秒；
（b）（b’）：冲击后第50微秒；
（c）（c’）：冲击后第85微秒；
5 小结
本文提出的织物有限元模型能准确地对多种低速、中速和高速弹道冲击实验进行仿真，它能成功模拟织物的响应，因为宏观预测结果来自于细观形变模式。
本模型不仅能预测宏观形变，还能预测织物失效时的纱线形变。
织物有限元模型的是通用的，还可以用于其它许多材料中，如斜纹布等。
另外，本模型因具有连续的特点，还可以与其它材料模型结合使用，以模拟增强型织物材料的响应。
资料来源：Journal of the Mechanics and Physics of Solids 58 (2010) 1995~2021 钟鑫编译。
