Characterization of mechanical properties by inverse technique for composite reinforced by knitted fabric. Part 1. Material modeling and direct experimental evaluation of mechanical properties

Polymer composites reinforced with knitted fabrics are materials with high potential in aerospace and machine building industries [1-6]. Such materials are mechanically non-linear with a high dynamic energy absorption capacity. Accurate prediction of mechanical properties is of great importance for these materials when considering their applications in novel structures. Three different approaches were implemented to this aim in the reported research work and the results are presented in: Part 1- numerical structural modeling (FEM using Solid Works) based on application of experimentally measured mechanical and geometrical properties of reinforcement and matrix, accompanied by direct measurements of mechanical properties; Part 2 - application of inverse method for characterization of mechanical properties by means of vibration modal analysis. The goal was to obtain and predict mechanical behavior of a weft knitted fabric reinforced multilayered composite plate. Results of all three approaches were compared and discussed

Geometrical modelling and numerical analysis of thermal behaviour of textile structures

The thermal properties of fabric are an important factor in the understanding of the thermo-physiological comfort of clothing. The principal aim of this research was to develop novel numerical methods, Graphical User Interface (GUI) plug-ins and experimental setup to evaluate the effective thermal conductivity and thermal resistance of different textile structures which has significant impact on the thermal comfort of clothing. The numerical methods also include the analysis of the effect of fibre orientation, thermal anisotropy of fibre, temperature dependent thermal conductivity and fibre volume fraction on the effective thermal conductivity and thermal resistance of textile fabrics. The research covers the development of geometrical models of woven, knitted, nonwoven and the composites fabric structures, evaluation of their thermal properties by using finite element method, creation of user friendly plug-ins and the extended application tools. Micro and mesoscopic scale modelling approaches were used to investigate the effective thermal conductivity and thermal resistance of textile structures. Various techniques, including scanning electron microscopy, x-ray microtomography and experimental method have been adopted to obtain the actual 3D dimensional parameters of the fabrics for finite element analysis. Research revealed that, the thermal anisotropy of fibres, fibres material orientation and temperature dependent thermal conductivity of fibre have significant impact on the effective thermal conductivity of fabrics because experimental and simulated results were highly correlated with the consideration of above mentioned factors. In addition a unique technique has been developed in modelling fabric coated by microencapsulated phase change material for temperature stable textile and clothing system. User friendly GUI plug-ins have been developed to generate both microscopic and mesoscopic scale models for finite element analysis. The plug-ins were developed by using Abaqus/CAE as a platform. The GUI Plug-ins enable automatic model generation and property analysis of knitted fabrics and composites. Apart from finite element analysis of various fabric structures, an experimental device has been developed for testing thermal conductivity of fabrics which is capable of testing small sample size within very short period of time. The device was validated by commercial available apparatus for testing of fabric thermal conductivity

Multiscale simulation methodology for the forming behavior of biaxial weft-knitted fabrics

Trotz der guten Drapierbarkeit ist das Formen von flachen Mehrlagen-Gestricken (MLG) zu 3D-Preforms für schalenartige Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) Bauteile immer noch eine Herausforderung, da einige Defekte wie Falten, Gassenbildung oder Faserschäden nicht vollständig vermieden werden können. Daher ist vor der Massenproduktion eine Optimierung erforderlich. Die virtuelle Optimierung des Umformprozesses mit Hilfe von Finite-Element-Methode (FEM) Modellen ist ein attraktiver Ansatz, da die Rechenkosten immer geringer werden. Dazu wurde ein auf Kontinuumsmechanik basierendes Makromodell erfolgreich für MLG implementiert. Der makroskalige Modellierungsansatz bietet angemessene Rechenkosten und kann gängige Defekte wie Faltenbildung vorhersagen. Weitere Defekte wie Faserversatz, ondulierte Fasern, Knicken von Fasern, Faserschädigung und Gassenbildung können jedoch mit dem Makromodell nicht vorhergesagt werden. Da die Komplexität von Bauteilen aus FKV und die Qualitätsanforderungen an die 3D-Preforms zunehmen, sind FEM-Modelle mit höherem Darstellungsgrad erforderlich. Im am weitesten entwickelten mesoskaligen FEM-Modell für MLG verhindert die zu starke Vereinfachung des Strickfadensystems mit Federelementen jedoch die Fähigkeit dieses FEM-Modells, Faserverschiebungen und Gassenbildung bei großer Verformung zu beschreiben, wobei das Gleiten zwischen den Fäden berücksichtigt werden muss. Ziel ist daher die Entwicklung, Validierung und Anwendung eines mesoskaligen FEM-Modells für MLG, um die derzeitigen Einschränkungen zu überwinden. Es werden neue Modellierungsstrategien für biaxiale MLG auf der Mesoskala entwickelt. Die mechanischen Eigenschaften von MLG werden durch eine Reihe von textilphysikalischen Prüfungen charakterisiert und analysiert, die alle notwendigen Daten für den Aufbau sowie die Validierung der FEM-Modelle liefern. Es sollen zwei Ansätze zur Modellierung des Verstärkungsgarns implementiert und verglichen werden: durch Balken- und durch Schalenelemente. Die validierten Modelle können für die Umformsimulation verwendet werden. Es folgt eine Benchmark-Studie über die Kapazität und Zuverlässigkeit der verfügbaren Makromodelle und der entwickelten Mesomodelle durch Umformsimulation. Als Grundlage für die Benchmark-Studie werden Umformversuche durchgeführt. Das zweite Ziel der Arbeit ist die Modellierung von FKV auf verschiedenen Skalen. Die Modellierung von FKV auf der Makroebene wird mit den Daten der Faserorientierung durchgeführt, die aus der Umformsimulation gewonnen werden. Eine Mapping-Methode hilft dabei, die vorhergesagte Faserorientierung aus der Umformsimulation von dem MLG Mesomodell auf das FKV-Makromodell zu übertragen. Um den FKV zu charakterisieren und die Parameter für das FKV Modell vorzubereiten, werden Versuche mit FKV durchgeführt und ausgewertet. Basierend auf dem Mesomodell des MLG wird eine weiteres FKV-Modell vorgeschlagen, wobei Garn und Matrix getrennt modelliert werden. Dieses mesoskalige FKV-Modell enthält auch eine Kontaktformulierung, mit der die Delamination im FKV-Bauteil vorhergesagt werden kann. Prüfungen von Schale-Rippen Strukturen dienen als Grundlage für die Modellvalidierung. Das validierte Modell wird erfolgreich zur Vorhersage des mechanischen Verhaltens weiterer Schale-Rippen Strukturen mit unterschiedlicher Höhe und Anordnung der Rippen verwendet.:Kapitel 1 stellt die Einleitung und Problemstellung von dem Thema FKV vor. Kapitel 2 gibt eine Übersicht über Stand-der-Technik von den Hochleistungsfasern, Herstellung von textilen Verstärkungen und Halbzeugen, Fertigung von FKV sowie von Prüftechnik für Textilien und FKV. Zunächst wurden in Kapitel 3 eine Einführung in die Modellierung mit FEM allgemein und Stand-der-Technik der Modellierung von technische Textilien gegeben. In Kapitel 4 wurden die Zielsetzung und das Forschungsprogramm festgelegt. Die experimentellen Arbeiten werden in Kapitel 5 vorgestellt. Der erste Schritt ist die Auswahl des Materials und der Konfiguration für die MLG. Sowohl das Ausgangsmaterial als auch die produzierten MLG sollten systematisch getestet werden. Als Referenz wird auch ein Leinwandgewebe in die Prüfprogramme aufgenommen. Neben der Charakterisierung von textilen Flächengebilden sollen auch deren gleichwertige FKV geprüft werden. Das erste Ziel des Forschungsprogramms wird in Kapitel 6 erreicht, wobei verschiedene Ansätze zur Modellierung von MLG vorgestellt und validiert werden. Die entwickelten und validierten FEM-Modelle werden für die Benchmark-Studie der Umformsimulation in Kapitel 7 verwendet. Kapitel 8 befasst sich mit der Modellierung von FKV in verschiedenen Skalen. Zunächst wird das Mapping-Verfahren vorgestellt. Es wird ein Mapping für ein schalenförmiges T-Napf-Bauteil durchgeführt. Die trukturanalyse für das T-Napf-Bauteil erfolgt für übliche Lastfälle. Zweitens wird ein mesoskaliges FEM Modell für MLG-verstärkte FKV vorgeschlagen. Dieses Modell wird auf der Grundlage der Prüfdaten aus Kapitel 5 validiert. Das validierte Modell wird dann zur Vorhersage des mechanischen Verhaltens eines Schale-Rippen-FKV-Bauteils unter Biegebelastung verwendet. Kapitel 9 gibt eine Zusammenfassung von den Forschungsergebnissen und Vorschlägen für mögliche weitere Forschungen rund um dem Thema MLG als Verstärkung für FKV. Die Kombination von vorhandenen Makro-und Mesomodellen in einer einzigen Simulation kann die Berechnungskosten senken, ohne die Vorhersagenfähigkeiten des Modelles kompromittiert zu werden

Multiscale modelling of woven and knitted fabric membranes

Light-weight fabric membranes have gained increasing popularity over the past years due to their tailorable structural and material performances. These tailorable properties include stretch forming and deep drawing formability that exhibits excellent stretchability and drapeability properties of textiles and textile composites. Since the inception of computerised numerical control for three-dimensional textile-manufacturing machines, technical textiles paved their way to numerous applications, certainly not limited to; aerospace, biomedical, civil engineering, defence, marine and medical industries. Digital interlooping and digital interlacing technology in additive manufacturing greatly advanced the manufacturing processes of textiles. In this work, we consider two branches of technical fabrics, namely plain-woven and weft-knitted. Multiscale modelling is the tool of choice for homogenising periodic structures and has been used extensively to model and analyse the mechanical behaviour of woven and knitted fabrics. But there is a plethora of literature discussing the demerits of such conventional multiscale modelling. These demerits include higher computational costs, rigid numerical models, ineffcient algorithmic computations and inability to incorporate geometric nonlinearities. We propose a data-driven nonlinear multiscale modelling technique to analyse the complex mechanical behaviour of plain-woven and weft-knitted fabrics with a neat extension to fabric material designing. We show how the integration of statistical learning techniques mitigates the weaknesses of conventional multiscale modelling. Moreover, we discuss the avenues that will open in many potential fields with regard to material modelling, structural engineering and textile industries. In the proposed data-driven nonlinear computational homogenisation technique, we effi ciently integrate the microscale and macroscale using Gaussian Process Regression (GPR) statistical learning technique. In the microscale, representative volume elements (RVEs) are modelled using nite deformable isogeometric spatial rods and deformation is homogenised using periodic boundary conditions. This nite deformable rod is profi cient in handling large deformations, rod-to-rod contacts, arbitrary cross-section de finitions and follower loads. Respecting the principle of separation of scales, we construct response databases by applying different homogenised strain states to the RVEs and recording the respective incremental volume-averaged energy values. We use GPR to learn a model using a 5-fold cross-validation technique by optimising the log marginal likelihood. In the macroscale, textiles are modelled as nonlinear orthotropic membranes for which the stresses and material constitutive relations are predicted by the trained GPR model. This coupling between GPR and membrane models is achieved through a systematic and seamless nite element integration using C++ and Python environments. A neat extension to material designing is also discussed with potentials to extend the work into other related fi elds.Cambridge trust and Trinity Hall scholarshi

Multifunctional Foldable Knitted Structures: Fundamentals, Advances and Applications

Contemporary multifunctional textiles are based on hi-tech functionalization. Knitted structures can be relatively rapidly designed and produced in a variety of textures due to their composition of many interlacing loop elements and their combinations. Foldable weft-knitted structures exist in a wide range of forms from simple rolls, ribs, and pleats to more complex three-dimensional structures. They exhibit new kind of geometry and deformation mechanisms. Some of them exhibit auxetic potential. Foldable knitted structures are multifunctional and widely usable. They can be produced in a variety of structures, qualities, and dimensions: in panels, fully-fashioned, or seamless. Their possible application lies in different fields, such as fashionable and functional clothing, sportswear, medical care, packaging, interior design, sound and shock absorption, etc

FRAME MODEL OF UNIAXIAL STRETCHING OF 1x1 RIB KNITS

One of the nowadays challenges is the development of scientific sound models of knitwear deformations. The paper is devoted to developing an algorithm for constructing a frame model of rib 1x1 knits stretched in the course or wale direction. In the process of uniaxial stretching, the shape of the sample depends on the tensile forces orientation. A frame model of a deformed knitted structure, and an algorithm of construction of a mesh frame, are developed during the study. The frame model makes it possible to find coordinates of intermeshing points of every stitch. Then yarn characteristic points can be determined that, in turn, serve as input data for the construction of 3D model of rib 1x1 structure under uniaxial tensile deformations at the yarn level of detail. The study provides a graphical tool for formalization of geometric transformation that happen during 2D deformations of knitted structures, characterized by gradual change of the specimens width crosswise to the loading direction. This model is intended to become a part of a general deformation model of knitted fabrics