一种纸页结构建模及抗张强度模拟的方法技术

本发明专利技术公开了一种纸页结构建模及抗张强度模拟的方法，步骤如下：通过纵向分段、截面离散以及改进的质点‑弹簧模型建立造纸纤维静态几何模型及造纸纤维特性模型；基于对纤维形态因子、纸页结构模型的三维尺寸及克重定义，生成纸页结构模型；使用分段方向包围盒检测纸页结构模型中造纸纤维特性模型之间的接触位置；使用结合弹簧模拟造纸纤维间结合力；最后通过恒速拉伸法，模拟纸页结构模型的抗张强度，得到与实际测量结果及理论经验趋势相符的模拟结果。与有限元方法相比，本发明专利技术中的方法具有速度快、复杂度低的特点，为相关研究工作，特别是在新型纤维材料开发工作中，研究新型纤维材料特性与产品性能之间的关系，提供了一种便捷有效的新方法。

【技术实现步骤摘要】
一种纸页结构建模及抗张强度模拟的方法
本专利技术涉及制浆造纸及计算机模拟
，具体涉及一种纸页结构建模及抗张强度模拟的方法。
技术介绍
在制浆造纸领域，纸页抗张强度作为纸张最重要的性能之一被广泛关注，而纸页抗张强度主要依赖于其原材料，即造纸纤维的特性。为了表征纸页抗张强度特性，当前被广泛认可及使用的是半理论半经验的Page模型。然而，由于造纸纤维特性较多，不同特性之间存在相互影响，并且纸页抗张强度性能往往由多个造纸纤维特性及抄造工艺共同决定，Page模型虽然能较好的通过造纸纤维的部分特性及抄造工艺值预测纸页抗张强度，但难以分析造纸纤维特性与纸页抗张强度间的关系，特别是机理关系分析。因此，近年来有研究报道使用计算机模拟的方法，建立纸页结构模型并对其进行抗张强度模拟。在已有报道中，为了提高计算机模拟速度，有一类建模模拟方法，通常使用极简化的造纸纤维特性模型模拟纸页结构及抗张强度，例如使用球-棍模型、编码模型等简化方法。这类模拟造纸纤维的模型虽然简单易用且模拟速度较快，但由于模型与真实造纸纤维的形态差异较大，所以较难真实反映造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间的关系。另一类建模模拟方法为有限元方法，虽然有限元方法可以较为真实的模拟造纸纤维、纸页结构以及纸页抗张强度性能，但由于有限元方法在模拟计算过程中结合了各种物理场函数及函数插值等方法，导致其模拟速度较慢。
技术实现思路
本专利技术的目的在于弥补现有技术对纸页结构建模及抗张强度模拟过程中，真实性较差或模拟速度较慢的问题，基于使用改进质点-弹簧模型对造纸纤维建模的方法，提供一种纸页结构建模及抗张强度模拟的方法。该方法能在加快模拟速度的同时尽可能真实的反映造纸纤维类型及特性对纸页抗张强度的影响，从而为纸页结构建模与性能模拟的研究工作，以及在新型纤维材料开发中，研究新型纤维材料特性与产品物理强度性能之间的关系，提供了一种便捷有效的新方法，可以提供各种条件下，甚至极端条件下的模拟结果，有利于加快研究进程。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种纸页结构建模及抗张强度模拟的方法，所述方法包括以下步骤：S1、使用改进质点-弹簧模型建立造纸纤维特性模型，过程如下：S11、定义造纸纤维特性参数作为建立造纸纤维特性模型的输入参数，S12、基于步骤S11中定义的纤维长度L、纤维宽度W、纤维壁厚WT建立造纸纤维静态几何模型，S13、使用改进质点-弹簧模型建立造纸纤维特性模型，S14、计算改进质点-弹簧模型参数；S2、生成纸页结构模型，过程如下：S21、定义纤维形状因子及计算造纸纤维特性模型中相邻截面法向量偏转角度，S22、定义纸页结构模型的尺寸及纸页克重，S23、模拟生成纸页结构模型；S3、采用分段OBB包围盒检测纸页结构模型中造纸纤维特性模型之间的接触区域，过程如下：S31、使用二叉树结构分解造纸纤维特性模型，S32、计算二叉树结构中每个造纸纤维特性模型局部的OBB包围盒，S33、计算纸页结构模型中造纸纤维特性模型之间的接触区域；S4、采用结合弹簧模型模拟纤维间结合力；S5、使用恒速拉伸法模拟纸页结构模型的抗张强度。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：本专利技术使用了一种基于改进质点-弹簧模型构建的造纸纤维特性模型，建立纸页结构模型并对其进行抗张强度模拟。与以往使用简化造纸纤维特性模型建立纸页结构模型并模拟纸页抗张强度性能的方法相比，本专利技术方法具有真实度更高的优点；与另一种使用较多的有限元模拟方法相比，本专利技术方法具有模拟速度较快，且消耗计算机内存较少的优点。通过使用本方法，可以很好的模拟不同类型造纸纤维及不同造纸纤维特性对纸页抗张强度性能的影响趋势，从而为纸页结构建模与性能模拟的研究工作，以及在新型纤维材料开发中，研究新型纤维材料特性与产品物理强度性能之间的关系，提供了一种便捷有效的新方法，可以提供各种条件下，甚至极端条件下的模拟结果，有利于加快研究进程。附图说明图1是本专利技术实施例中公开的纸页结构建模及抗张强度模拟方法流程图；图2是造纸纤维静态几何模型示意图；图3是改进质点-弹簧模型建立造纸纤维特性模型示意图；图4是造纸纤维特性模型分段受到拉伸力时的形变及受力分析图；图5是造纸纤维特性模型分段受到扭转力时的形变及受力分析图；图6是造纸纤维形状因子特性描述示意图；图7是造纸纤维特性模型相邻截面法向量偏转角度定义示意图；图8是造纸纤维特性模型实现接触区域检测的分段OBB包围盒结构示意图。图9是两根造纸纤维特性模型之间的结合弹簧BS受到拉伸力时的形态示意图；图10是两根造纸纤维特性模型之间的结合弹簧BS受到剪切力时的形态示意图；图11是基于恒速拉伸法模拟纸页结构模型抗张强度的示意图；图12是通过恒速拉伸法模拟纸页抗张强度所得到的抗张力-伸长量关系曲线示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例一本实施例公开了一种纸页结构建模及抗张强度模拟方法，包括5个步骤，如图1所示，具体描述如下：S1、使用改进质点-弹簧模型建立造纸纤维特性模型：为了实现对纸页结构的建模，需要首先建立纸页结构模型的基本组成模型，即造纸纤维特性模型，造纸纤维特性模型的具体建模方法如下：S11、定义造纸纤维特性参数作为建立造纸纤维特性模型的输入参数：根据具体模拟需要，被定义的造纸纤维特性参数包括纤维长度L、纤维宽度W、纤维壁厚WT、纤维粗度c、纤维弹性模量E、纤维泊松比v以及纤维剪切模量G。S12、建立造纸纤维静态几何模型：由于计算机较难解决连续问题(包括连续长度、连续时间等)，所以需要对真实造纸纤维形态进行离散处理并建模。考虑到真实造纸纤维形态属于空心束状结构，所以使用纵向分段，截面离散的方式建立造纸纤维静态几何模型，如图2所示。为了简化模型，将造纸纤维静态几何模型沿纵向均匀分段，即定义所有分段长度一致，为lseq；造纸纤维特性模型的截面定义为同心圆环，但截面离散点仅用单层表示圆形轮廓，圆形轮廓直径为Φ＝W-2·WT。定义造纸纤维静态几何模型纵向共有Nseq个分段，则有Nseq+1个截面。记录第i(0≤i≤Nseq)个截面的中心点位置为P(i)，截面法向量为通过上述定义可得，造纸纤维静态几何模型中第i个分段由序号为i-1和i的截面定义，P(i)相对于P(i-1)的位置由和分段长度lseq计算得到，如式(1)所示：定义造纸纤维特性模型中的每一个截面被离散为Ndis个点，可定义三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纸页结构建模及抗张强度模拟的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/nS1、使用改进质点-弹簧模型建立造纸纤维特性模型，过程如下：/nS11、定义造纸纤维特性参数作为建立造纸纤维特性模型的输入参数，所述造纸纤维特性参数包括纤维长度L、纤维宽度W、纤维壁厚WT、纤维粗度c、纤维弹性模量E、纤维泊松比v以及纤维剪切模量G；/nS12、基于步骤S11中定义的纤维长度L、纤维宽度W、纤维壁厚WT建立造纸纤维静态几何模型，造纸纤维静态几何模型基于真实造纸纤维形态沿纵向均匀分段，即定义所有分段长度为l

【技术特征摘要】
1.一种纸页结构建模及抗张强度模拟的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、使用改进质点-弹簧模型建立造纸纤维特性模型，过程如下：
S11、定义造纸纤维特性参数作为建立造纸纤维特性模型的输入参数，所述造纸纤维特性参数包括纤维长度L、纤维宽度W、纤维壁厚WT、纤维粗度c、纤维弹性模量E、纤维泊松比v以及纤维剪切模量G；
S12、基于步骤S11中定义的纤维长度L、纤维宽度W、纤维壁厚WT建立造纸纤维静态几何模型，造纸纤维静态几何模型基于真实造纸纤维形态沿纵向均匀分段，即定义所有分段长度为lseq；造纸纤维静态几何模型的截面定义为同心圆环，但截面离散点仅用单层表示圆形轮廓，圆形轮廓直径为Φ＝W-2·WT；定义造纸纤维静态几何模型纵向共有Nseq个分段，则有Nseq+1个截面，记录第i，0≤i≤Nseq个截面的中心点位置为P(i)，截面法向量为通过上述定义可得，造纸纤维静态几何模型中第i个分段由序号为i-1和i的截面定义，P(i)相对于P(i-1)的位置由和分段长度lseq计算得到，如式(1)所示：



定义造纸纤维静态几何模型中的每一个截面被离散为Ndis个点，可定义三维空间中截面离散点的坐标为：p(i)(j)＝(x(i)(j),y(i)(j),z(i)(j))，0≤i≤Nseq，1≤j≤Ndis，表示第i个横截面上的第j个离散点，x(i)(j),y(i)(j)和z(i)(j)分别表示离散点p(i)(j)在空间坐标系中对应x、y和z轴的坐标值；其中，序号为0的截面上的离散点可取圆周上的任意位置为起点，等距离定义截面其它离散点位置坐标；后续截面上的点可由前一个截面上的离散点根据截面中心点坐标位置进行平移，再基于截面法向量的方向进行旋转计算得到；
S13、使用改进质点-弹簧模型建立造纸纤维特性模型：
所述改进质点-弹簧模型包括质点模型和弹簧模型，其中，所述质点模型用于模拟造纸纤维特性模型的轮廓和质量，其坐标与步骤S12中建立的造纸纤维静态几何模型中的截面离散点坐标一致，即造纸纤维特性模型中第i个截面上的第j个质点模型坐标mp(i)(j)＝p(i)(j)，弹簧模型分为纵向结构弹簧模型ST1、截面结构弹簧模型ST2、剪切弹簧模型SS和中心弹簧模型CS，其中，ST1用于连接造纸纤维特性模型前后截面中同一序号的质点模型，即连接mp(i)(j)与mp(i+1)(j)和mp(i)(j)与mp(i-1)(j)，其中mp(i+1)(j)和mp(i-1)(j)分别代表造纸纤维特性模型中第i+1个截面和第i-1个截面上的第j个质点模型；ST2用于连接造纸纤维特性模型的同一截面中相邻质点模型，即连接mp(i)(j)与mp(i)(j+1)和mp(i)(j)与mp(i)(j-1)，其中mp(i)(j+1)和mp(i)(j-1)分别代表造纸纤维特性模型中第i个截面上的第j+1个和第j-1个质点模型；SS用于连接造纸纤维特性模型中，相邻截面上相邻位置的质点模型，即连接mp(i)(j)与mp(i+1)(j+1)和mp(i)(j)与mp(i+1)(j-1)，其中，mp(i+1)(j+1)和mp(i+1)(j-1)分别代表造纸纤维特性模型中第i+1个截面上的第j+1个和第j-1个质点模型；CS用于连接造纸纤维特性模型中，同一截面上位置相对的一组质点模型，即连接mp(i)(j)与其中，代表造纸纤维特性模型中第i个截面上的第个质点模型；
S14、计算改进质点-弹簧模型参数：
首先计算改进质点-弹簧模型中质点模型的质量，假设造纸纤维特性模型的质量均匀分布，则通过式(2)计算质点模型的质量：



上式中，c和L分别表示用于建立造纸纤维特性模型的纤维粗度和纤维长度，其乘积表示造纸纤维特性模型的总质量；m(i)(j)表示造纸纤维特性模型中第i个截面上第j个质点模型的质量；m(0)(j)和分别表示造纸纤维特性模型中，序号为0和Nseq截面上的质点模型的质量；
弹簧模型的弹性系数通过假设造纸纤维特性模型分段受到拉伸力或扭转力时的受力分析进行求解，定义造纸纤维特性模型分段的一个截面受到大小为Fs的拉伸力，另一个截面固定，根据步骤S11中对弹性模量E和纤维泊松比v的定义，以及基于材料力学中对弹性模量及泊松比的定义，计算得到造纸纤维特性模型分段在拉伸力Fs作用下的纵向形变量和截面形变量，从而得到形变后各弹簧模型的长度及偏转角度，分别包括在受到拉伸力后，连接目标质点模型的纵向结构弹簧长度l′ST1、截面结构弹簧长度l′ST2、剪切弹簧长度l′SS和中心弹簧长度l′CS，以及剪切弹簧在纵向受力分析中弹簧力与水平方向的夹角α和在截面受力分析中弹簧力与垂直方向的夹角β；受力截面中每个质点模型受到的拉伸力fs可由截面受到拉伸力Fs对截面总质点模型数求平均得到，最终，列出截面质点模型的受力平衡方程如式(3)所示：



上式中，fST1、fST2、fSS和fCS分别代表纵向结构弹簧、截面结构弹簧、剪切弹簧以及中心弹簧的弹簧力；kST1、kST2、kSS和kCS分别代表纵向结构弹簧、截面结构弹簧、剪切弹簧以及中心弹簧的弹性系数；lST1、lST2、lSS和lCS分别代表纵向结构弹簧、截面结构弹簧、剪切弹簧以及中心弹簧的原始长度，等于该弹簧模型所连接的两个质点模型在受到拉伸力前的距离；
由材料力学理论可知，造纸纤维特性模型截面所受到扭转力会转换为质点模型受到切向力，定义每个质点模型受到切向力大小为fT，则基于步骤S11中对剪切模量G的定义，以及基于材料力学中对剪切模量的定义，计算得到每个质点模型在切向力fT作用下的偏转角度γ，从而得到形变后各弹簧的长度及偏转角度，包括连接目标质点模型的纵向结构弹簧受到切向力后的长度l″ST1，左、右两侧剪切弹簧受到切向力后的长度l″SS和l″′SS，以及连接目标质点模型的纵向结构弹簧和左、右两侧剪切弹簧受到切向力后的弹簧力在纵向受力分析时与水平方向的夹角θ″ST1、θ″SS和θ″′SS；
在针对造纸纤维特性模型截面受到扭转力进行受力分析时，忽略伴随纵向长度形变的截面形变，忽略截面受力分析时，弹簧力在截面投影方向与受力正交分解后水平方向的较小夹角，得到受力平衡方程如式(4)所示：
fT＝f″SScos(θ″SS)+f″′SScos(θ″′SS)+f″ST1cos(θ″ST1)
其中：



考虑到纵向结构弹簧ST1和截面结构弹簧ST2均属于结构弹簧，具有相同性质，即相同弹性模量，根据材料力学中弹性模量的定义和胡克定律，得到两种结构弹簧间弹性系数的关系如式(5)所示：



上式中，Ef为两种结构弹簧的弹性模量，F和S分别表示纵向结构弹簧及截面结构弹簧所受到的拉伸力和受力面积，ΔlST1和ΔlST2表示纵向结构弹簧和截面结构弹簧受到拉伸力F后的形变量，定义两种结构弹簧的受力大小F及受力面积S一致；
将式(3)-(5)联立，求解纵向结构弹簧弹性系数kST1、截面结构弹簧弹性系数kST2、剪切弹簧弹性系数kSS和中心弹簧弹性系数kCS；
S2、生成纸页结构模型，过程如下：
S21、定义纤维形状因子及计算造纸纤维特性模型中相邻截面法向量偏转角度：
假设真实造纸纤维弯曲后形成一个圆弧，其对应弧线段和弦线段分别为AOB和AO′B，其中，A和B为弧线段及弦线段的两个端点，O和O′分别为弧线段和弦线段的中点，O同时为弧线段的最高点，则纤维形状因子Cf的定义如式(6)所示：



通过纤维形状因子的定义，基于简单几何方法计算得到∠OAB的角度进一步与造纸纤维特性模型对应，在一个分段数为Nseq的造纸纤维特性模型中，序号为0和的截面法向量之间的偏转角度等于定义造纸纤维特性模型中所有相邻截面法向量偏转角度大小一致，则通过式(7)计算得到两个相邻截面法向量的偏转角度θN；



S22、定义纸页结构模型的尺寸及纸页克重：
定义纸页结构模型参数，包括纸页尺寸：长lp、宽wp和厚度tp，以及纸页克重BW；
S23、模拟生成纸页结构模型：
采用随机位置、随机朝向的方法逐一生成并放置造纸纤维特性模型，并根据定义的纸页结构模型参数lp、wp、tp和BW，以及步骤S11中定义的纤维长度L，调整纸页结构模型中造纸纤维特性模型的长度及数量；
S3、采用分段OBB包围盒检测纸页结构模型中造纸纤维特性模型之间的接触区域，过程如下：
S31、使用二叉树结构分解造纸纤维特性模型：
将造纸纤维特性模型首先沿纵向分段不断平分为两个部分，再按截面离散点不断平分为两个部分，从而得到多个造纸纤维特性模型局部，将完整造纸纤维特性模型作为二叉树结构的根节点；被平分前的造纸纤维特性模型局部作为被平分后造纸纤维特性模型局部的父节点，从而建立二叉树结构；
S32、计算二叉树结构中每个造纸纤维特性模型局部的OBB包围盒：
针对步骤S31中基于二叉树结构分解后的造纸纤维特性模型，对二叉树结构中每个节点所代表的造纸纤维特性模型局部建立OBB包围盒，即得到分段OBB包围盒结构；
S33、计算纸页结构模型中造纸纤维特性模型之间的接触区域：
通过步骤S32得到二叉树结构中不同造纸纤维特性模型局部OBB包围盒后，采用沿二叉树结构从上到下的顺序，依次比较两根造纸纤维特性模型局部OBB包围盒之...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈文浩，刘寅，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44