Makroskopické modelování vlákenných struktur - pokročilé numerické modelování vlákenné příze

Ing. Josef Vosáhlo

Doctoral thesis

Abstract:

Disertační práce se zaměřovala na problematiku popisu a využití tvorby pokročilého numerického modelu vlákenné příze, který bude respektovat složité geometrické uspořádání vláken příze, dále nelineární vlastnosti příze, které jsou ovlivněné zákrutem vláken, kontakty mezi vlákny a přeuspořádáním struktury během namáhání. Byla provedena experimentální měření pro stanovení mechanických vlastností příze z vybraného materiálu příze, které byly důležité pro stanovení vybraných mechanických vlastností a tvorbu materiálového modelu. Pro tvorbu 3D modelu vlákenné příze byla využita pokročilá obrazová analýza výpočetní tomografie, která umožnila vytvoření rekonstruované trajektorie vláken příze. Na základě obrazové analýzy byla provedena úprava získaných snímků v softwaru Matlab, který poskytuje širokou škálu nástrojů pro detekci, segmentaci a kvantifikaci vlastností obrazu. Tímto způsobem se získaly informace o struktuře příze pro následnou tvorbu 3D geometrie vlákenné příze. Následně byl představen postup tvorby 3D geometrie modelu příze, který byly následně použity pro sestavení numerické simulace, kde byly uvedeny vhodné softwary, nástroje a funkce, aby se vytvořila odpovídající konstrukce 3D modelu vlákenné příze včetně odpovídajících zákrutů a zaplnění. Další část práce se věnovala způsobu vytvoření samostatného numerického modelu, který by kvalitativně odpovídal reálné 3D geometrii vlákenné příze. Pro tvorbu numerického modelu byla využita metoda konečných prvků, přičemž byl vytvořen strukturní model s kontakty mezi vlákny umožňující studovat a vizualizovat rozložení deformace a napětí v přízi i mezi jednotlivými vlákny. Dále bylo porovnáno chování vytvořených numerických modelů a experimenty s reálnými vzorky ve zvolených úsecích včetně řezů vlákenné příze. Z těchto vytvořených řezů byly vytvořeny procesní analýzy vlákenného zaplnění, jak pro zatěžování v tahu, tak následně pro model stlačování. Vytvořený numerický model vlákenné příze umožňuje identifikovat vliv intenzity zákrutů, na silové a deformační odezvy v závislosti na přetvoření při tahovém nebo tlakovém namáhání v závislosti na vlastnostech vláken a kontaktů. V disertační práci byly představeny různé metody modelování vlákenné příze, včetně způsobů, jakými lze získat informace o struktuře a vlastnostech příze. Vytvořené numerické simulace umožnily popsat chování příze za vybraných podmínek zatěžování a mohou být použity také pro optimalizaci struktury příze s cílem dosažení požadovaných vlastností. V závěru disertační práce byla představena příkladová studie aplikace pokročilého numerického modelu vlákenné příze s nanovlákenou strukturou, kde s ohledem na okrajové podmínky lze stanovovat vliv použitého materiálového modelu na mechanické vlastnosti a optimalizovat tím změny geometrie příze a použité technologie výroby.

Abstract:

The dissertation is, was focused on the problem of describing and using the creation of an advanced numerical model of fibre yarn, which will respect the complex geometric arrangement of the yarn fibres, as well as the non-linear properties of the yarn, which are influenced by the twist of the fibres, the contacts between the fibres and the rearrangement of the structure under stress. Experimental measurements were carried out to determine the mechanical properties of the selected yarn material and to develop the material model. Advanced computed tomography image analysis was used to create a 3D model of the yarn fibers, which allowed the creation of a reconstructed yarn fiber trajectory. Based on the image analysis, modification of the acquired images was performed in Matlab software, which provides a wide range of tools for detection, segmentation and quantification of image features. In this way, information about the structure and quality of the yarn was obtained for the subsequent creation of 3D fiber yarn geometry. Subsequently, the procedure for creating the 3D yarn model geometry was presented and then used to build a numerical simulation where appropriate software, tools and features were presented to create the appropriate 3D fiber yarn model structure including appropriate twists and fills. The next part of the thesis focused on how to create a stand-alone numerical model that would qualitatively match the real 3D geometry of the fibre yarn. The finite element method was used to create the numerical model, and a structural model with fiber-to-fiber contacts was created to study and visualise the distribution of strain and stress in the yarn and between the fibres. Furthermore, the behaviour of the numerical models developed and experiments with real samples were compared in the selected sections, including yarn fibre sections. From these generated sections, procedural analyses of the fibre fill were made, both for the tensile loading and subsequently for the compression model. The developed numerical model of the fibre yarn allows the identification of the effect of twist intensity on, force and strain responses as a function of overfilling under tensile or compressive loading, depending on the properties of the fibres and contacts. The dissertation presented different methods of modelling fibre yarns, including the ways in which information can be obtained about the structure and properties of the yarn. The numerical simulations developed allowed to describe the behaviour of the yarn under selected loading conditions and can also be used to optimise the yarn structure in order to achieve the desired properties. At the end of the dissertation, a case study of the application of an advanced numerical model of a nanofibrous yarn structure was presented, where the influence of the used material model on the mechanical properties can be determined with respect to the boundary conditions and thus the changes in the yarn geometry and the used production technology can be optimized.

Keywords

Příze, numerický model, tvorba modelu, 3D geometrie, zákrut, zaplnění, kontakty, řezy, obrazová analýza, výpočetní tomografie, měření, CAD, MKP, napětí, deformace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 6. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Ondřej Novák, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering