Three-dimensional micromechanical models of textile fabrics

Abstract

The current thesis aims at the development of an integrated method for the mechanical analysis of the textile structures based on their microstructure. The request for reliable textile mechanical design was intensified by their introduction in technical applications, mainly in composite materials. The literature review of the developed methods for the mechanical analysis of the textile structures was conducted. Thus the evolutionary process of the relative studies, the perspectives and limitations were presented. The modelling difficulties resulted from the structural hierarchy of the textiles were faced adopting a relative modelling hierarchy. Thus three basic modelling scales were developed: the micromechanical modelling of yarns, the mesomechanical modelling of the fabric unit cell and the macromechanical modelling of the fabric sheet. In the stage of the micromechanical modelling the typical yarn structure was studied in the fibre level. The Finite Element Method applying the beam theory enhanced with advanced solution algorithms supporting large deformation effects was implemented for the mechanical analysis. The mesomechanical modelling stage focused on the apparent mechanical properties of the fabric unit cell. In the current stage the representation of the filaments constituting the yarns was omitted and the yarns were represented as homogenous structures. The macromechanical modelling stage of textile structures refers to the mechanical performance of the fabric sheet in complex deformations. The reduction of the computational cost demands the omitting of the representation of the structural unit cells. Thus the discrete structure of the fabric was replaced by a continuum model. The reliability of the macromechanical models was evaluated using experimental data. Then the thesis focused on the simulation of the fabric drape test. The fabric drape corresponds to an extremely complex deformation given that the fabric is bent in several planes forming the folds. The proposed textile modelling approach was implemented for the study of the compression performance of a spacer fabric. The warp-knitted spacer fabrics are successfully introduced in building constructions as thin sheet component reinforcement for wall panels, exterior siding etc. Finally the adequacy of the proposed approach of textile design, the limitations of the method and the perspectives for further work was discussed.

Στόχο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθόδου μηχανικής ανάλυσης των κλωστοϋφαντουργικών (κ/υ) προϊόντων βασισμένη στην μικροδομή τους. Η ανάγκη για ακριβή πρόβλεψη της μηχανικής απόδοσης των κ/υ δομών προέκυψε από την εισαγωγή τους σε τεχνικές εφαρμογές. Παρουσιάστηκε αρχικά η βιβλιογραφική επισκόπηση των μεθόδων που έχουν αναπτυχθεί για την μηχανική ανάλυση των κ/υ δομών. Η πολυπλοκότητα που συναντάται στην μοντελοποίηση και μηχανική ανάλυση των κ/υ δομών λόγω της δομικής ιεραρχίας αντιμετωπίστηκε υιοθετώντας ανάλογη ιεραρχία στην διαδικασία μοντελοποίησης. Έτσι αναπτύχθηκαν τρία επίπεδα μοντελοποίησης: η μικρομηχανική μοντελοποίηση των νημάτων, η μεσομηχανική μοντελοποίηση της δομικής μονάδας του υφάσματος και η μακρομηχανική μοντελοποίηση ευρύτερου τμήματος του υφάσματος. Σε κάθε επιμέρους στάδιο υιοθετήθηκε η Μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων για την μηχανική ανάλυση των υπό εξέταση δομών. Στο στάδιο της μικρομηχανικής μοντελοποίησης υπολογίστηκαν οι φαινόμενες ιδιότητες του νήματος. Το στάδιο της μεσομηχανικής μοντελοποίησης εστίασε στην μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων της δομικής μονάδας του υφάσματος. Στο τρέχον στάδιο παραλήφθηκε η απεικόνιση των ινών που συνιστούν τα νήματα για την μείωση του υπολογιστικού κόστους και τα νήματα μοντελοποιήθηκαν με ισοδύναμες ομογενείς δομές. Η μακρομηχανική ανάλυση εστίασε στην μηχανική συμπεριφορά μεγάλου τμήματος του υφάσματος σε σύνθετες καταπονήσεις. Για την μείωση του υπολογιστικού κόστους η απεικόνιση της δομικής μονάδας του υφάσματος παραλείφθηκε και η διακριτή δομή του υφάσματος αντικαταστάθηκε από ισοδύναμο συνεχές μοντέλο. Το πέμπτο κεφάλαιο της διατριβής εστίασε στην προσομοίωση του πεσίματος του υφάσματος υπό την επίδραση του βάρους του σε βάθρο στήριξης. Πρόκειται για ιδιαίτερα σύνθετη καταπόνηση δεδομένου ότι το ύφασμα κάμπτεται σε πολλά επίπεδα σχηματίζοντας πτυχώσεις. Στο έκτο κεφάλαιο εφαρμόστηκε η προτεινόμενη μέθοδος μοντελοποίησης για την μελέτη της συμπεριφοράς τριδιάστατης κ/υ δομής σε δοκιμή συμπίεσης. Πρόκειται για υφάσματα με σημαντικό πάχος που παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση σε συμπίεση και χρησιμοποιούνται σε οικοδομικές κατασκευές ως δομές ενίσχυσης σκυροδέματος για την παραγωγή πλαισίων τοίχου, επένδυση οροφής κ.α. Τέλος παρουσιάστηκαν τα συμπεράσματα της διατριβής, διερευνήθηκε η επάρκεια της προτεινόμενης μεθόδου μηχανικής ανάλυσης των κ/υ δομών και οι δυνατότητες εξέλιξης της καθώς και οι αδυναμίες της μεθόδου και οι προοπτικές για περαιτέρω έρευνα.