基于空間群P4對(duì)稱性的三維編織材料制造技術(shù)

基于空間群P4對(duì)稱性的三維編織材料，該編織材料以滿足點(diǎn)群4對(duì)稱性的代表性體積單元為基本結(jié)構(gòu)單元推導(dǎo)出的滿足空間群???????????????????????????????????????????????P4對(duì)稱性的新的三維編織幾何結(jié)構(gòu)，分析了編織過程中攜紗器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過對(duì)其工藝可行性的研究和對(duì)相應(yīng)三維編織物的纖維體積百分含量的預(yù)測(cè)，得到了纖維體積百分含量比傳統(tǒng)三維編織材料更高的新三維編織材料品種。同時(shí)，其編織工藝方法簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)，得到的三維編織材料幾何結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，力學(xué)性能更加優(yōu)異。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于空間群P4對(duì)稱性的三維編織材料
本專利技術(shù)涉及三維編織材料
，具體的說是一種基于空間群對(duì)稱性的三維編織材料。
技術(shù)介紹
三維編織復(fù)合材料因其具有高的比強(qiáng)度、比模量，高的損傷容限和斷裂韌性，耐沖擊、不分層、抗開裂和抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，已在航空、航天等耐高溫結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，并不斷向醫(yī)療、體育、汽車等行業(yè)擴(kuò)展。但現(xiàn)階段由于受到加工工藝等因素的制約，三維編織復(fù)合材料的品種過少、加工效率低和工藝成本高，不利于優(yōu)化復(fù)合材料的性能。要獲得綜合性能更好的三維編織復(fù)合材料，急需開發(fā)更多的三維編織工藝，有關(guān)新三維編織方法預(yù)測(cè)的研究工作還處于起步階段。不同晶格結(jié)構(gòu)的晶體表現(xiàn)出不同的性能，采用晶體對(duì)稱群可以將晶體幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。參照對(duì)稱群的研究方法，對(duì)編織材料的單元幾何結(jié)構(gòu)加以歸納研究，根據(jù)空間點(diǎn)群和空間群描述的對(duì)稱操作推得大量新的三維紗線交叉方法，從而得到紗線連續(xù)的三維紗線交叉幾何結(jié)構(gòu)。將是三維新織物的開發(fā)研究的新方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的為：提供一種基于空間群對(duì)稱性的三維編織材料，來拓展三維編織復(fù)合材料的種類，并提高其性能。本專利技術(shù)為解決上述技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：基于空間群對(duì)稱性的三維編織材料，該編織材料的編織幾何結(jié)構(gòu)為在三維空間延伸編織成的呈連續(xù)紗線的結(jié)構(gòu)，編織幾何結(jié)構(gòu)中的代表性體積單元中的紗線段滿足空間點(diǎn)群4描述的點(diǎn)的對(duì)稱性，編織結(jié)構(gòu)整體上呈現(xiàn)將代表性體積單元用空間群描述的平移對(duì)稱操作進(jìn)行平移得到的三維空間相互交織在一起的三維編織織物。所述空間點(diǎn)群4的群元素為（或），群的生成元為，在三維坐標(biāo)系xyz中定義z軸為旋轉(zhuǎn)軸，空間點(diǎn)群4是一個(gè)純旋轉(zhuǎn)對(duì)稱群，空間點(diǎn)群4的群元素的矩陣表示如下，，，；所述滿足空間點(diǎn)群4描述的點(diǎn)的對(duì)稱性的代表性體積單元，其推導(dǎo)基于空間點(diǎn)群4的群元素描述的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作表達(dá)為：，，，；表示將某一紗線段上的點(diǎn)變換為等號(hào)后點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作；所述空間群描述的平移對(duì)稱操作是在三維坐標(biāo)系xyz中，將代表性體積單元中的紗線段組合做如下方式：(1)(u,v,w為基矢量)的平移對(duì)稱操作。所述代表性體積單元中的紗線段組合具有z向厚度h，在xoy坐標(biāo)平面及與之平行的平面簇中，代表性體積單元的截面為菱形，代表性體積單元的平移是沿四棱柱z向高h(yuǎn)的倍平移，三維編織材料中代表性體積單元所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣為簡(jiǎn)單四方點(diǎn)陣，最終形成具有空間群對(duì)稱性的一種新的空間連續(xù)紗線交叉幾何結(jié)構(gòu)。各紗線段組合的代表性體積單元包括內(nèi)部代表性體積單元、表面代表性體積單元和角部代表性體積單元，單層編織體代表性體積單元總數(shù)為：(2)角部代表性體積單元數(shù)和表面代表性體積單元的數(shù)分別為：，(3)內(nèi)部代表性體積單元數(shù)為(4)其中，m、n為編織材料截面四邊形相鄰兩邊上的代表性體積單元數(shù)。有益效果：本專利技術(shù)的編織材料以滿足點(diǎn)群4對(duì)稱性的代表性體積單元為基本結(jié)構(gòu)單元推導(dǎo)出的滿足空間群對(duì)稱性的新的三維編織幾何結(jié)構(gòu)，通過對(duì)其工藝可行性的研究和對(duì)相應(yīng)三維編織物的纖維體積百分含量的預(yù)測(cè)，得到了纖維體積百分含量比傳統(tǒng)三維編織材料更高的新三維編織材料品種。同時(shí)，其編織工藝方法簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)，得到的三維編織材料幾何結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，力學(xué)性能更加優(yōu)異。附圖說明圖1為本專利技術(shù)中代表性體積單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)中代表性體積單元所處的簡(jiǎn)單四方點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為慣用代表性體積單元紗線段組合的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為滿足空間群P4對(duì)稱性的三維編織材料內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為對(duì)應(yīng)空間群P4的三維編織材料的幾何結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為基本編制方法中攜紗器的運(yùn)動(dòng)軌跡圖；圖6a為第一類攜紗器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖；圖6b為第二類攜紗器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖；圖7為本專利技術(shù)制備的三維織物的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7a為與圖6a對(duì)應(yīng)的織物結(jié)構(gòu)圖；圖7b為與圖6b對(duì)應(yīng)的織物結(jié)構(gòu)圖；圖8a為本專利技術(shù)制備的織物中代表性體積單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8b為本專利技術(shù)制備的織物中多個(gè)相鄰代表性體積單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本專利技術(shù)制備的織物內(nèi)部紗線側(cè)向擠壓結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本專利技術(shù)制備的織物內(nèi)部紗線擠壓所成的幾何形狀結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本專利技術(shù)制備的織物區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為簡(jiǎn)化紗線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)在給定坐標(biāo)系中的相互關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為簡(jiǎn)化紗線單元幾何模型的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記：圖11中a：角部代表性體積單元，b：表面代表性體積單元，c：內(nèi)部代表性體積單元。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖說明本專利技術(shù)的基于空間群對(duì)稱性的三維編織材料的具體實(shí)施方式：編織材料中的單元即指代表性體積單元。本文中及權(quán)利要求書中的與P4代表相同含義。1、滿足點(diǎn)群4對(duì)稱性的三維編織幾何結(jié)構(gòu)單元在三維坐標(biāo)系xyz中設(shè)z軸為旋轉(zhuǎn)軸，滿足編織點(diǎn)群4的群元素為（或），點(diǎn)群4中的四種旋轉(zhuǎn)操作，為點(diǎn)群4的生成元，認(rèn)為是繞軸轉(zhuǎn)過角的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)群4的群元素的矩陣表示如下，，，?？臻g點(diǎn)群4的群元素對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作表達(dá)為，，，；表示將某一紗線段上的點(diǎn)變換為等號(hào)后點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)操作。如附圖1所示，對(duì)紗線段1施以空間點(diǎn)群4的對(duì)稱操作可推得其余紗線段組合，該組合圖案作為代表性體積單元（簡(jiǎn)稱單元），可推導(dǎo)新型三維編織的幾何結(jié)構(gòu)。2、滿足空間群對(duì)稱性的三維編織幾何結(jié)構(gòu)2.1對(duì)應(yīng)空間群的三維編織幾何結(jié)構(gòu)慣用單元晶體對(duì)稱群描述的簡(jiǎn)單四方點(diǎn)陣記為（如圖2所示）與空間點(diǎn)群4相協(xié)調(diào)。用一個(gè)陣點(diǎn)表示滿足空間點(diǎn)群4的單元，再將單元（如圖1）放入四方點(diǎn)陣，驗(yàn)證紗線的連續(xù)性，進(jìn)而形成慣用單元，即慣用代表性體積單元紗線段組合。（如圖3所示）。2.2空間群對(duì)應(yīng)的平移對(duì)稱操作建立三維坐標(biāo)系xyz,三維空間內(nèi)的對(duì)稱操作為：(u,v,w為基矢量)(1)其中為整數(shù)，為平移矢量。將滿足空間點(diǎn)群4的點(diǎn)對(duì)稱性的慣用單元放入簡(jiǎn)單四方點(diǎn)陣推得滿足編織空間群對(duì)稱性的三維編織空間內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。設(shè)圖1所示的代表性體積單元中單層紗線段組合的z向厚度h，在xoy坐標(biāo)平面及與之平行的平面簇中，單元沿z向是以h的整數(shù)倍平移。2.3空間群對(duì)應(yīng)的新三維編織幾何結(jié)構(gòu)通過空間點(diǎn)群4的對(duì)稱操作可推得該新三維編織幾何結(jié)構(gòu)的單元，該單元進(jìn)行平移操作即獲得可能的三維編織內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)。在實(shí)際編織過程中，要考慮紗線的連續(xù)性要求，并研究其規(guī)律，進(jìn)而獲得一種全新的三維編織幾何結(jié)構(gòu)(如圖5所示）。3、新三維編織材料幾何結(jié)構(gòu)的編織工藝研究新三維編織材料的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)一種新的三維編織方法，首先必須研究滿足織物幾何結(jié)構(gòu)的紗線的交叉運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖6闡述了用于攜帶紗線運(yùn)動(dòng)的攜紗器的平面運(yùn)動(dòng)規(guī)律。每一個(gè)代表一個(gè)攜紗器，箭頭指向?yàn)閿y紗器的運(yùn)動(dòng)方向，箭頭的空心和實(shí)心表示攜紗器的分組。在編織紗線陣列中，相同運(yùn)動(dòng)軌跡的攜紗器歸為一類，共分為兩類（如圖6a，圖6b所示）。在編織過程中，同一軌道的攜紗器運(yùn)動(dòng)軌跡不發(fā)生變化。所有攜紗器按分類沿箭頭方向交替移動(dòng)一次，完成一個(gè)編織循環(huán)。新三維編織物中的每組紗線均為直線，只在邊界處彎曲（如圖7所示）。兩類不同的紗線在空間分步交叉最終形成新的三維編織幾何結(jié)構(gòu)。如圖7a即為與圖6a對(duì)應(yīng)的織物結(jié)構(gòu)圖；圖7b為與圖6b對(duì)應(yīng)的織物結(jié)構(gòu)圖。4、新三維編織材料的單元幾何分析模型新的三維編織幾何結(jié)構(gòu)有望用于制作新的三維編織復(fù)合材料的增強(qiáng)相，其性能預(yù)測(cè)是采用基于單元幾何結(jié)構(gòu)的分析模型。這里單元?jiǎng)澐址椒ㄅc傳統(tǒng)單元取法略有差異：本專利技術(shù)的新織物幾何模型中的單元邊界均采用完本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于空間群P4對(duì)稱性的三維編織材料，該編織材料的編織幾何結(jié)構(gòu)為在三維空間延伸編織成的呈連續(xù)紗線的結(jié)構(gòu)，其特征在于：編織幾何結(jié)構(gòu)中的代表性體積單元中的紗線段滿足空間點(diǎn)群4描述的點(diǎn)的對(duì)稱性，編織結(jié)構(gòu)整體上呈現(xiàn)將代表性體積單元用空間群描述的平移對(duì)稱操作進(jìn)行平移得到的三維空間相互交織在一起的三維編織織物；所述空間點(diǎn)群4的群元素為，群的生成元為，在三維坐標(biāo)系xyz中定義z軸為旋轉(zhuǎn)軸，空間點(diǎn)群4是一個(gè)純旋轉(zhuǎn)對(duì)稱群，空間點(diǎn)群4的群元素的矩陣表示如下：，，，；所述滿足空間點(diǎn)群4描述的點(diǎn)的對(duì)稱性的代表性體積單元，其推導(dǎo)基于空間點(diǎn)群4的群元素描述的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作表達(dá)為：，，，；表示將某一紗線段上的點(diǎn)變換為等號(hào)后點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作；所述空間群描述的平移對(duì)稱操作是在三維坐標(biāo)系xyz中，將代表性體積單元中的紗線段組合做如下方式：(1)(u,?v,?w?為基矢量)的平移對(duì)稱操作。

【技術(shù)特征摘要】
1.基于空間群P4對(duì)稱性的三維編織材料，該編織材料的編織幾何結(jié)構(gòu)為在三維空間延伸編織成的呈連續(xù)紗線的結(jié)構(gòu)，其特征在于：編織幾何結(jié)構(gòu)中的代表性體積單元中的紗線段滿足空間點(diǎn)群4描述的點(diǎn)的對(duì)稱性，編織幾何結(jié)構(gòu)整體上呈現(xiàn)將代表性體積單元用空間群描述的平移對(duì)稱操作進(jìn)行平移得到的三維空間相互交織在一起的三維編織織物；所述空間點(diǎn)群4的群元素為，群的生成元為，在三維坐標(biāo)系xyz中定義z軸為旋轉(zhuǎn)軸，空間點(diǎn)群4是一個(gè)純旋轉(zhuǎn)對(duì)稱群，空間點(diǎn)群4的群元素的矩陣表示如下：，，，；所述滿足空間點(diǎn)群4描述的點(diǎn)的對(duì)稱性的代表性體積單元，其推導(dǎo)基于空間點(diǎn)群4的群元素描述的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作表達(dá)為：，，，；表示將某一紗線段上的點(diǎn)變換為等號(hào)后點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作；所述空間群描述的平移對(duì)稱操作是在三維坐標(biāo)系xyz中，將代表性體積單元中的紗線段組合做如下方式的平移對(duì)稱操作：(1...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬文鎖，馬振宇，賈晨輝，李聚波，范衛(wèi)鋒，張玲玲，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：河南科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：河南;41