[發明專利]用于單根造紙纖維特性及動態形變過程的計算機模擬方法

有效

• 申請號: 201910582802.0
• 申請日: 2019-07-01
• 公開（公告）號: CN110362898B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 沈文浩;劉寅
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06F119/14;G06F113/24
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔣劍明

本發明公開了一種用于單根造紙纖維特性及動態形變過程的計算機模擬方法，步驟包括：(1)通過纖維質量分析儀及相關專利實驗方法獲取單根造紙纖維的幾何及材料性能參數；(2)使用單根纖維的幾何參數建立單根造紙纖維的靜態模型；(3)基于單根造紙纖維的靜態模型建立用于動態模擬的質點?彈簧模型；(4)基于單根造紙纖維的材料性能計算質點?彈簧模型的參數；(5)使用Verlet積分法計算各個質點的動態位移過程，從而得到單根造紙纖維整體動態形變過程。該方法簡便易行，具有模擬速度快、模擬精度高的特點，可以為后續基于單根纖維性能模擬的紙張動態成型過程模擬，預測紙張性能等研究打下基礎。

技術領域

本發明涉及造紙技術領域和計算機模擬仿真領域，具體涉及一種用于單根造紙纖維特性及動態形變過程的計算機模擬方法。

背景技術

隨著生活和科技的進步，人們對各種高品質紙張的要求也在不斷提高。造紙企業為了生產符合要求的紙張，根據造紙原料及生產工藝對紙張性能進行預測成為提高產品質量、節約生產成本的重要手段。

紙張是纖維隨機組成的網狀結構材料，其基本單元單根纖維的特性及紙張抄造過程中纖維的形變是影響紙張性能的重要因素之一。在現有技術中，使用計算機仿真技術實現對單根造紙纖維特性及其形變過程的動態模擬，進而對紙頁形成過程的模擬，是預測成紙性能的可行方法，但也存在諸多問題。例如，使用有限元法或離散元法模擬單根造紙纖維及其動態形變過程存在耗時較長的問題；使用剛性桿鏈、剛性球鏈等簡化模型模擬單根造紙纖維存在準確度較低的問題。

質點-彈簧模型已被廣泛運用于紡織物受力過程、醫學血管類手術過程等領域的模擬。然而，造紙纖維具有明顯區別于紡織纖維和動物血管的特點，其長徑比遠大于紡織纖維和動物血管，無法直接使用現有文獻中介紹的質點-彈簧模型。為了實現準確快速的單根造紙纖維特性及其動態形變過程模擬，參考上述質點-彈簧模型，亟待提出一種新的模擬方法。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，通過新型質點-彈簧模型提出了一種針對造紙單根纖維特性及動態形變過程的計算機模擬方法，在保證模擬準確度的同時提高了模擬速度，為最終模擬成紙結構并預測成紙性能提供可行性。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種用于單根造紙纖維特性及動態形變過程的計算機模擬方法，所述的計算機模擬方法包括如下步驟：

S1、獲取目標單根造紙纖維的幾何參數及材料性能參數，其中，所述的幾何參數包括：纖維長度L和纖維直徑Φ，所述的材料性能參數包括：纖維粗度c、彈性模量E、泊松比υ以及剪切模量G；

S2、通過單根纖維的纖維長度L和纖維直徑Φ建立單根造紙纖維靜態模型，所述的單根造紙纖維靜態模型為縱向分段的截面離散模型，所有縱向分段的長度總和為纖維長度L，離散點平均分布在截面上，縱向分段的每一段看成截面為圓形的斜柱體，前后兩個柱體首尾相連并共用截面；

S3、基于單根造紙纖維靜態模型建立質點-彈簧模型：首先通過使用單根造紙纖維靜態模型中所有分段橫截面的中心點和離散點作為質點-彈簧模型中的質點，再使用彈簧模型連接各個質點，其中，所述的彈簧模型包括結構彈簧ST、剪切彈簧SS和中心彈簧CS；

S4、計算質點-彈簧模型參數：基于單根造紙纖維質點-彈簧模型的拓撲結構及纖維材料性能參數，計算每個截面上的質點質量及每種彈簧的彈性系數；

S5、使用Verlet積分法計算造紙纖維動態形變過程：根據模擬需要對單根造紙纖維質點-彈簧模型中部分或全部質點添加一個或多個外力，如重力、拉力、剪切力等，再使用基于牛頓第二定律的Verlet積分法對質點-彈簧模型進行求解，獲得造紙纖維動態形變模擬結果。

本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果：