本發(fā)明涉及織帶仿真，具體為一種基于有限元分析的織帶3d仿真系統(tǒng)。

背景技術：

1、織帶作為紡織工業(yè)中廣泛應用的關鍵產品，其應用領域涵蓋服裝、工業(yè)吊裝、汽車安全、航空航天等多個行業(yè)。隨著先進制造技術的不斷發(fā)展，針對織帶力學性能的精確分析和優(yōu)化設計逐漸成為研究的熱點。特別是在高性能織帶的研發(fā)過程中，對織帶結構的力學響應及穩(wěn)定性能進行準確仿真和評估顯得尤為重要。

2、當前，在織帶設計和性能評估的實踐中，傳統(tǒng)方法主要依賴實驗測試和經驗，存在測試周期長、成本高、重復性差的問題。同時，實驗手段難以直觀呈現(xiàn)織帶內部結構的受力分布及層間滑移行為，尤其是在振動載荷和多軸受力工況下，傳統(tǒng)方法難以有效捕捉應力集中、層間剪切應力等細節(jié)。

3、上述現(xiàn)狀和不足的主要原因在于織帶交織結構的復雜性、多層復合紗線之間的力學耦合，以及動態(tài)工況下紗線滑移的非線性行為，這些因素使得傳統(tǒng)方法難以全面捕捉織帶在復雜工況下的真實力學響應。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種基于有限元分析的織帶3d仿真系統(tǒng)，解決了上述背景技術中的問題。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn)：一種基于有限元分析的織帶3d仿真系統(tǒng)，包括模型構建模塊、離散劃分模塊、有限元分析模塊、結構評估模塊及反饋模塊；

3、所述模型構建模塊用于預先使用三維建模軟件生成織帶幾何模型，并將織帶幾何模型導入有限元仿真軟件內，并在有限元仿真軟件內輸入不同的工況條件和織帶的相關材料屬性；

4、所述離散劃分模塊用于從有限元仿真軟件內的織帶幾何模型中識別出各交織點，并基于各交織點，進行有限元網格劃分作業(yè)，以生成若干組有限元網格區(qū)域；

5、所述有限元分析模塊用于根據所述模型構建模塊中設定的不同的工況條件，啟動仿真程序，對織帶施加力，分析在不同工況條件下織帶內各有限元網格區(qū)域上的形變情況，并基于形變情況，獲取多方位的應力，利用等效應力理論，構建出各有限元網格區(qū)域的綜合應力zyz，基于各有限元網格區(qū)域的綜合應力zyz，識別織帶內各有限元網格區(qū)域之間應力場是否平滑；

6、所述結構評估模塊用于根據所述模型構建模塊中設定的不同的工況條件，調控不同振動載荷，監(jiān)測織帶多層結構中紗線之間的相對滑移情況，以獲取相關織帶狀態(tài)數(shù)據，基于相關織帶狀態(tài)數(shù)據，構建不同振動載荷條件下的層間剪切應力jyz，并結合訓練后的效果評估模型，經線性歸一化處理后，擬合輸出結構穩(wěn)定性評分jwpf；

7、所述反饋模塊用于基于結構穩(wěn)定性評分jwpf數(shù)值，估判織帶內部結構的穩(wěn)定性能，反饋至后臺中心，以進行制定優(yōu)化方案。

8、優(yōu)選的，所述模型構建模塊包括建模單元和數(shù)據輸入單元；

9、所述建模單元用于預先通過各檢測儀器獲取織帶的相關幾何特征數(shù)據，并根據相關幾何特征數(shù)據以及三維建模軟件，模擬出與織帶等比例的織帶幾何模型，其中，所述相關幾何特征數(shù)據包括織帶的寬度、厚度、紗線排列、紗線的顏色、紗線的粗細、編織圖案、空間分布、層間厚度、經紗和緯紗的交織點坐標、經紗和緯紗的路徑及交織密度；三維建模軟件包括solidworks及autocad；

10、所述數(shù)據輸入單元用于將織帶幾何模型保存為step文件格式，并將織帶幾何模型導入至有限元仿真軟件內，并在有限元仿真軟件內輸入不同的工況條件和織帶的相關材料屬性，其中，織帶的相關材料屬性包括彈性模量、泊松比、紗線張力及剪切模量；不同的工況條件包括載荷類型及載荷大小，其中載荷類型包括縱向拉力、橫向拉力、扭轉載荷以及振動載荷。

11、優(yōu)選的，所述離散劃分模塊包括紗線幾何分布分析單元和網格劃分單元；

12、所述紗線幾何分布分析單元用于從織帶幾何模型內識別出各交織點，并結合相關幾何特征數(shù)據，確定織帶內各交織點周圍的經紗空間坐標和緯紗的空間位置，基于織帶內各交織點周圍的經紗空間坐標和緯紗的空間位置，分別獲取各交織點周圍的經紗和緯紗的曲率，并標記為經紗曲率和緯紗曲率，具體通過以下公式獲?。?/p>

13、；

14、式中，表示經紗的速度向量，表示經紗的加速度向量，t表示在紗線上的位置點；為經紗的速度向量和加速度向量的叉乘模，為經紗的速度向量的模；

15、；

16、式中，表示緯紗的速度向量，表示緯紗的加速度向量，t表示在紗線上的位置點；為緯紗的速度向量和加速度向量的叉乘模；為緯紗的速度向量的模。

17、優(yōu)選的，所述網格劃分單元用于根據相關材料屬性，并結合所述紗線幾何分布分析單元所獲取的經紗曲率和緯紗曲率，獲取各交織點周圍各方向的離散間距，具體包括經紗上的離散間距和緯紗上的離散間距，具體獲取方式如下：

18、；

19、；

20、式中，表示相鄰經紗施加的壓力；表示相鄰緯紗施加的壓力；表示各交織點相鄰緯紗施加的平均壓力；表示各交織點相鄰經紗施加的平均壓力；表示經紗曲率；表示緯紗曲率；表示常數(shù)；表示調節(jié)系數(shù)；

21、根據交織點坐標，沿經紗方向，根據經紗的曲線切向量和經紗上的離散間距，生成經紗上的各個節(jié)點，沿緯紗方向，根據緯紗的曲線切向量和緯紗上的離散間距，生成緯紗上的各個節(jié)點，具體通過以下方式獲取經紗上的各個節(jié)點坐標和緯紗上的各個節(jié)點坐標b：

22、；

23、；

24、式中，表示相應交織點周圍經紗上第i個節(jié)點坐標，表示相應交織點周圍緯紗上第j個節(jié)點坐標，及j表示節(jié)點的編號；

25、通過將經紗上的各個節(jié)點坐標和緯紗上的各個節(jié)點坐標b進行組合，以形成若干組有限元網格區(qū)域。

26、優(yōu)選的，所述有限元分析模塊包括多方位應力分析單元和宏觀狀態(tài)單元；

27、所述多方位應力分析單元用于根據所述模型構建模塊中設定的不同的工況條件，啟動仿真程序，對織帶分別進行縱向拉力施加工況、橫向拉力施加工況以及旋轉受力施加工況，分析在不同工況條件下織帶內各有限元網格區(qū)域上的形變情況，以獲取在縱向拉力施加工況下各有限元網格區(qū)域的寬度值kdz、在橫向拉力施加工況下各有限元網格區(qū)域的厚度值hdz以及在旋轉受力施加工況下各有限元網格區(qū)域的寬度值kzz，具體通過以下公式獲取：

28、；

29、；

30、；

31、式中，表示有限元網格區(qū)域的初始寬度值，表示泊松比，表示有限元網格區(qū)域的初始長度值，表示有限元網格區(qū)域的初始厚度值，表示在橫向上的拉力，表示彈性模量，表示有限元網格區(qū)域的原始橫截面積，表示橫截面有效半徑，表示紗線彎曲時的夾角，表示長度變化值表示施加在紗線上的拉力；

32、根據在縱向拉力施加工況下各有限元網格區(qū)域的寬度值kdz、在橫向拉力施加工況下各有限元網格區(qū)域的厚度值hdz以及在旋轉受力施加工況下各有限元網格區(qū)域的寬度值kzz，分別獲取縱向應力zy、橫向應力hy以及剪切應力qy，具體通過以下公式獲?。?/p>

33、；

34、；

35、；

36、式中，表示施加在紗線上的拉力，表示在橫向上的拉力，表示作用在截面上的扭矩，表示截面上的點到中性軸的距離，表示截面的極慣性矩；

37、構建各有限元網格區(qū)域的綜合應力zyz，具體獲取方式如下：

38、；

39、優(yōu)選的，所述宏觀狀態(tài)單元用于根據各有限元網格區(qū)域的綜合應力zyz，分析應力梯度分布的連續(xù)性，以構建連續(xù)性系數(shù)lxxs，基于連續(xù)性系數(shù)lxxs，識別織帶內各有限元網格區(qū)域之間應力場是否平滑，所述連續(xù)性系數(shù)lxxs通過以下公式獲?。?/p>

40、；

41、式中，表示當前有限元網格區(qū)域的綜合應力，表示相鄰有限元網格區(qū)域的綜合應力，表示兩個有限元網格區(qū)域的距離。

42、優(yōu)選的，基于連續(xù)性系數(shù)lxxs數(shù)值，將所述連續(xù)性系數(shù)lxxs與預先設定的連續(xù)性閾值進行比對，以識別織帶內各有限元網格區(qū)域之間應力場是否平滑，具體內容如下：

43、若連續(xù)性系數(shù)lxxs超過預先設定的連續(xù)性閾值時，識別出織帶內各有限元網格區(qū)域之間應力場存在不平滑現(xiàn)象，此時將觸發(fā)失穩(wěn)風險指令；

44、若連續(xù)性系數(shù)lxxs未超過預先設定的連續(xù)性閾值時，識別出織帶內各有限元網格區(qū)域之間應力場未存在不平滑現(xiàn)象，此時將暫不觸發(fā)失穩(wěn)風險指令。

45、優(yōu)選的，所述結構評估模塊包括振動載荷條件分析單元和綜合分析單元；

46、所述振動載荷條件分析單元用于接收失穩(wěn)風險指令，并根據所述模型構建模塊中設定的不同的工況條件，調控不同振動載荷，監(jiān)測織帶多層結構中紗線之間的相對滑移情況，以獲取相關織帶狀態(tài)數(shù)據，所述相關織帶狀態(tài)數(shù)據包括層間厚度以及不同振動載荷f條件下的層間滑移位移差，基于相關織帶狀態(tài)數(shù)據，構建不同振動載荷條件下的層間剪切應力jyz，具體通過以下公式獲取：

47、；

48、式中，表示織帶的剪切模量，表示層間厚度，表示在不同振動載荷f條件下的層間滑移位移差。

49、優(yōu)選的，所述綜合分析單元用于利用深度學習技術構建織帶在仿真過程中的效果評估模型，通過將不同振動載荷條件下的層間剪切應力jyz與連續(xù)性系數(shù)lxxs輸入至效果評估模型內，并經線性歸一化處理后，擬合輸出結穩(wěn)定性評分jwpf，所述結穩(wěn)定性評分jwpf通過以下公式獲?。?/p>

50、；

51、式中，及均為權重值，為修正常數(shù)，其中，0＜＜1，0＜＜1，及具體數(shù)值由用戶根據情況進行設定。

52、優(yōu)選的，所述反饋模塊用于預先設定評估閾u，通過將評估閾u與結構穩(wěn)定性評分jwpf進行比對分析，以估判織帶內部結構的穩(wěn)定性能，具體內容如下：

53、若結構穩(wěn)定性評分jwpf超過評估閾u時，判斷當前織帶內部結構的穩(wěn)定性能處于異常狀態(tài)，此時將判斷結果實時反饋至后臺中心，并將紗線交織點的密度增加至原先的1.1倍，并在振動分析中引入阻尼效應，通過增加織帶的內耗減少振動對層間滑移的影響；

54、若結構穩(wěn)定性評分jwpf未超過評估閾u時，判斷當前織帶內部結構的穩(wěn)定性能未處于異常狀態(tài)，此時將判斷結果實時反饋至后臺中心，并將紗線交織點的密度下降至原先的1.1倍，再次分析結構穩(wěn)定性評分jwpf是否未超過評估閾u，以不斷分析結構穩(wěn)定性評分jwpf的變化趨勢。

55、本發(fā)明提供了一種基于有限元分析的織帶3d仿真系統(tǒng)，具備以下有益效果：

56、（1）該系統(tǒng)通過離散劃分模塊自動識別織帶幾何模型中的交織點，并基于交織點生成高質量的有限元網格區(qū)域，使得仿真分析能夠充分捕捉織帶內部的力學特性，結合有限元分析模塊，通過施加不同類型的力（如縱向拉力、橫向拉力、旋轉受力等），能夠精確計算網格區(qū)域上的多方位應力，并利用等效應力理論構建綜合應力，基于綜合應力，系統(tǒng)能夠識別應力場是否平滑，幫助快速發(fā)現(xiàn)應力集中區(qū)域和潛在的失穩(wěn)風險。結構評估模塊通過調控不同振動載荷條件，監(jiān)測織帶多層結構中紗線之間的相對滑移情況，計算層間剪切應力，并結合效果評估模型擬合輸出結構穩(wěn)定性評分，這一設計能夠動態(tài)反映織帶在復雜工況下的穩(wěn)定性能，為優(yōu)化織帶的設計參數(shù)（如交織點密度、紗線材質等）提供科學依據。反饋模塊利用結構穩(wěn)定性評分對織帶內部結構的穩(wěn)定性能進行實時評估，判斷是否需要優(yōu)化設計。當結構穩(wěn)定性評分超過閾值時，系統(tǒng)能夠反饋失穩(wěn)風險信息并生成優(yōu)化方案（如增加交織點密度或調整振動阻尼），這一機制確保了織帶設計的安全性與可靠性，同時提升了研發(fā)效率和產品性能?？傊?，該系統(tǒng)進一步實現(xiàn)了從建模到優(yōu)化的全流程閉環(huán)，提供了針對織帶復雜結構和工況條件的高效分析工具，不僅提升了仿真精度和設計效率，還為織帶的安全性能和可靠性保障提供了強有力的技術支持。

57、（2）通過引入曲率計算公式，分別獲取經紗和緯紗在各交織點周圍的曲率，量化紗線的局部彎曲強度和軌跡變化速率。公式中，通過紗線的速度向量和加速度向量的叉乘模，反映了曲線的局部彎曲程度；通過速度向量的模，體現(xiàn)了曲線在當前點的切線變化速率，該方法不僅能夠精確描述紗線在復雜交織結構中的幾何特性，還為離散間距的優(yōu)化提供了科學依據。紗線幾何特性（如曲率）的精確計算，使得離散劃分模塊能夠根據曲線的局部彎曲強度和變化速率，自適應調整離散間距，從而在交織點周圍生成高質量的有限元網格區(qū)域，精細的網格劃分能夠更真實地反映紗線的力學行為和交織點的應力分布，顯著提升了仿真計算的精度與可靠性。通過自動化的交織點識別和紗線曲率分析，無需人工干預即可快速處理復雜的織帶幾何模型，為多批次、多規(guī)格的織帶仿真分析提供了高效的解決方案，顯著提升了系統(tǒng)的應用效率。綜上所述，本發(fā)明通過精確的紗線幾何分布分析，增強了織帶有限元模型中幾何特性與物理行為的表征能力，為仿真精度提升和后續(xù)性能分析提供了強有力的技術支持。

58、（3）通過結合經紗和緯紗的曲率信息及紗線間的交互壓力，動態(tài)調整經紗和緯紗方向的離散間距，使得離散間距在紗線彎曲較大的區(qū)域自動收縮，而在平直區(qū)域適當擴展，提升了網格劃分對實際織帶結構的適配性和靈活性，通過根據離散間距和曲線切向量生成經紗和緯紗方向上的各個節(jié)點，并結合經緯紗節(jié)點坐標的組合，形成高精度的有限元網格區(qū)域，節(jié)點坐標計算方法遵循紗線幾何形狀，使生成的網格能夠細致反映交織點周圍的局部特性，為后續(xù)的力學仿真和性能評估提供了精細的計算基礎。離散間距公式中引入材料屬性（如紗線張力、紗線彎曲夾角）和控制參數(shù)，通過動態(tài)調整離散間距，能夠有效適應不同材料屬性和編織方式的織帶結構。在不同載荷和工況下，系統(tǒng)可靈活調整網格密度，從而確保網格劃分與力學行為的精確匹配。

59、（4）該系統(tǒng)通過多方位應力分析方法能多方面反映織帶在不同受力方向上的應力狀態(tài)，增強了評估結果的可靠性。通過構建綜合應力，對各有限元網格區(qū)域的應力場進行整體性分析，有助于準確定位應力集中區(qū)域，識別可能的失效風險點，為織帶的結構設計優(yōu)化提供數(shù)據支持。

60、（5）通過計算綜合應力的梯度分布，構建連續(xù)性系數(shù)，能夠精確反映相鄰有限元網格區(qū)域之間的應力場變化情況。當應力梯度不連續(xù)時，能夠快速檢測并標記異常區(qū)域，觸發(fā)失穩(wěn)風險指令，確?？棊ЫY構的潛在失效區(qū)域被及時識別。