Procedural visualization of knitwear and woven cloth

Cataloged from PDF version of article.In this paper, a procedural method for the visualization of knitted and woven fabrics is presented. The proposed method is compatible with a mass-spring model and makes use of the regular warp-weft structure of the cloth. The visualization parameters for the loops and threads are easily mapped to the animated mass-spring model. The simulation idea underlying both knitted and woven fabrics is similar as we represent both structures in 3D. As the proposed method is simple and practical, we can achieve near real-time rendering performance with good visual quality. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved

Programming Mechanics in Knitted Materials, Stitch by Stitch

Knitting turns yarn, a 1D material, into a 2D fabric that is flexible, durable [1], and can be patterned to adopt a wide range of 3D geometries [2]. Like other mechanical metamaterials [3], the elasticity of knitted fabrics is an emergent property of the local stitch topology and pattern that cannot solely be attributed to the yarn itself. Thus, knitting can be viewed as an additive manufacturing technique that allows for stitch-by-stitch programming of elastic properties and has applications in many fields ranging from soft robotics [4-6] and wearable electronics [7,8] to engineered tissue[9] and architected materials [10,11]. However, predicting these mechanical properties based on the stitch type remains elusive. Here we untangle the relationship between changes in stitch topology and emergent elasticity in several types of knitted fabrics. We combine experiment and simulation to construct a constitutive model for the nonlinear bulk response of these fabrics. This model serves as a basis for composite fabrics with bespoke mechanical properties, which crucially do not depend on the constituent yarn.Comment: 4 figures in main text, 14 supplementary figures and 20 supplementary table

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

A 3D garment design and simulation system

Cataloged from PDF version of article.In this thesis study, a 3D graphics environment for virtual garment design and simulation is presented. The proposed system enables the three dimensional construction of a garment from its two dimensional cloth panels, for which the underlying structure is a mass-spring model. Construction of the garment is performed through cutting, boundary smoothing , seaming and scaling. Afterwards, it is possible to do fitting on virtual mannequins like in the real life as if in a tailor’s workshop. The behavior of cloth under different environmental conditions is implemented applying a physically-based approach. As well as the simulation of the draping of garments, efficient and realistic visualization of garments is an important issue in cloth modelling. There are various material types and reflectance properties for fabrics. We have implemented a number of material and rendering options such as knitwear, woven cloth and standard shading methods such as Gouraud shading. Performance results of the system are presented at the end.Durupınar, FundaM.S

Multiscale analysis of textile composites : stiffness and strength

[no abstract

Τριδιάστατα Μικρομηχανικά Μοντέλα Υφασμάτων

370 σ.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, κυρίως υπό την μορφή σύνθετων υλικών, και την ενσωμάτωσή τους στην αεροπορική βιομηχανία και ναυπηγική (προπέλες και πλαίσια σκαφών από σύνθετα υλικά), στην πολιτική μηχανική (ελαφριά πλαίσια σύνθετων υλικών, αποστράγγιση εδάφους), στον αθλητικό εξοπλισμό (προστατευτική ένδυση και ένδυση υψηλών επιδόσεων), στον τομέα των επίγειων μεταφορών (αερόσακοι, ζώνες ασφαλείας, ελαστικά οχημάτων) κ.α. Παρά τις μακροχρόνιες προσπάθειες της ερευνητικής κοινότητας για την ανάπτυξη μιας αξιόπιστης μεθοδολογίας για την πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς των κ/υ δομών, η σχεδιαστική τους διαδικασία βρίσκεται ακόμα σε εξέλιξη. Η επίδραση των δομικών στοιχείων (των ινών) των υφασμάτων στην μηχανική ανάλυση αυτών αποτέλεσε βασική αρχή για την προτεινόμενη προσέγγιση μοντελοποίησης, σε αντιδιαστολή με τα υπάρχοντα διδιάστατα μηχανικά μοντέλα των υφασμάτων τύπου ελάσματος ή μεμβράνης. Θεωρήθηκε επομένως η διακριτή δομή των υφασμάτων, γνωστή ως μικροδομή λόγω των μικρών διαστάσεων των δομικών στοιχείων. Αυτό ακριβώς εκφράζει ο τίτλος της διατριβής. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής παρουσιάζεται η βιβλιογραφική επισκόπηση των μεθόδων που έχουν αναπτυχθεί για την μηχανική ανάλυση των κ/υ δομών. Από την πρώτη αναλυτική προσέγγιση για την διδιάστατη γεωμετρική απεικόνιση της απλής ύφανσης μέχρι τα σύγχρονα τριδιάστατα υπολογιστικά μοντέλα σύνθετων υλικών σημειώθηκε πλήθος προσεγγίσεων όσον αφορά τον σχεδιασμό του προβλήματος, την μέθοδο μηχανικής ανάλυσης, το επίπεδο της μοντελοποίησης και τις θεωρούμενες παραδοχές. Καταγράφηκε, λοιπόν, η εξελικτική πορεία των σχετικών ερευνών, οι προοπτικές και οι περιορισμοί για την μηχανική ανάλυση των κ/υ δομών. Το υψηλό επίπεδο δομικής πολυπλοκότητας που προκύπτει από την ιεραρχία ίνα – νήμα – ύφασμα επιφέρει σημαντικές δυσκολίες στην μοντελοποίηση και την μηχανική ανάλυση των κ/υ προϊόντων. Ενδεικτική είναι η απόκλιση που παρουσιάζουν οι διαστάσεις τυπικού μεγέθους υφάσματος (10-1 έως 100 m) και των δομικών στοιχείων που το συνιστούν (διάμετρος ίνας, 10-5 m). Η πολυπλοκότητα που συναντάται στην μοντελοποίηση και μηχανική ανάλυση των κ/υ δομών λόγω της δομικής ιεραρχίας αντιμετωπίστηκε υιοθετώντας ανάλογη ιεραρχία στην διαδικασία μοντελοποίησης. Μ’ αυτόν τον τρόπο 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. Κατ΄ επέκταση η προτεινόμενη μεθοδολογία για την μηχανική ανάλυση των κ/υ δομών περιλαμβάνει τρία κυρίως στάδια, τα οποία αναπτύσσονται στα επόμενα κεφάλαια. Το δεύτερο κεφάλαιο εστιάζει στο στάδιο της μικρομηχανικής μοντελοποίησης. Μελετήθηκαν σε μικροκλίμακα (σε επίπεδο ίνας) νήματα τυπικής δομής τα οποία συνιστούν το δομικό στοιχείο για την παραγωγή των κ/υ προϊόντων. Για την ανάπτυξη του μηχανικού μοντέλου πολυινικού στριμμένου νήματος θεωρήθηκαν οι ελαστικές και διαστατικές ιδιότητες των ινών και η δομή του ιδανικού νήματος. Για την μοντελοποίηση και μηχανική ανάλυση εφαρμόστηκε η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (ΠΣ) με στοιχεία δοκών συζευγμένη με προηγμένους αλγορίθμους επίλυσης για την πρόβλεψη μεγάλων παραμορφώσεων. Η ευχρηστία της προτεινόμενης μεθόδου στην γεωμετρική απεικόνιση και την ανάπτυξη του πλέγματος την καθιστούν κατάλληλη για την αντιμετώπιση των δυσκολιών που απορρέουν από την υψηλή δομική πολυπλοκότητα των μοντέλων των νημάτων (π.χ. νήμα 100 ινών). Σκοπός του τρέχοντος σταδίου είναι ο υπολογισμός των φαινόμενων ιδιοτήτων του νήματος, κυρίως του αξονικού μέτρου ελαστικότητας και της δυσκαμψίας. Για τον υπολογισμό τους πραγματοποιείται η προσομοίωση των αντίστοιχων δοκιμών. Για την αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου παράχθηκε εργαστηριακά μια σειρά νημάτων από 2 μέχρι 1200 ίνες, τα οποία υποβλήθηκαν σε δοκιμές εφελκυσμού και κάμψης. Από την σύγκριση των πειραματικών και υπολογιστικών δεδομένων επιβεβαιώθηκε η αξιοπιστία της μοντελοποίησης. Επιπλέον ακολούθησε παραμετρική ανάλυση του μοντέλου του νήματος που αποτυπώνει την επίδραση των κύριων δομικών χαρακτηριστικών των νημάτων στο φαινόμενο μέτρο ελαστικότητας και την δυσκαμψία του νήματος. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το στάδιο της μεσομηχανικής μοντελοποίησης που εστιάζει στην μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων της δομικής μονάδας του υφάσματος. Στο τρέχον στάδιο μοντελοποίησης παραλήφθηκε η απεικόνιση των ινών που συνιστούν τα νήματα για την μείωση του υπολογιστικού κόστους και τα νήματα μοντελοποιήθηκαν ως ομογενείς δομές (οι φαινόμενες ιδιότητες τους υπολογίστηκαν στο πρώτο στάδιο). Επομένως η επιτυχής απόδοση των ιδιοτήτων στα μοντελοποιημένα νήματα αποτελεί βασικό παράγοντα για την αξιοπιστία των μεσομηχανικών μοντέλων. Επιπλέον η αλληλεπίδραση των νημάτων που συνιστούν την δομή του υφάσματος είναι καθοριστική για την δομική σταθερότητα του υφάσματος κατά την υποβολή του σε μηχανικά φορτία. Τρεις προσεγγίσεις, η μοντελοποίηση με ογκικά ΠΣ, ΠΣ κελύφους και ΠΣ δοκού, αναπτύχθηκαν για την μεσομηχανική ανάλυση της δομικής μονάδας του απλού υφαντού. Από την σύγκριση των προσεγγίσεων, η μοντελοποίηση με ΠΣ κελύφους αποδείχθηκε καταλληλότερη με πολλά σημεία υπεροχής, κυριότερο των οποίων είναι η επιτυχής απόδοση των φαινόμενων ιδιοτήτων στα ομογενοποιημένα νήματα. Σκοπός της μεσομηχανικής ανάλυσης είναι ο υπολογισμός της φαινόμενης συμπεριφοράς της δομικής μονάδας του υφάσματος σε εφελκυσμό, διάτμηση και κάμψη από την προσομοίωση των αντίστοιχων δοκιμών. Μελετήθηκε επίσης η γεωμετρία των βασικότερων δομών υφαντών και πλεκτών υφασμάτων και αναπτύχθηκαν τα αντίστοιχα μοντέλα. Ιδιαίτερα για τα μοντέλα των πλεκτών υφασμάτων από βαμβακερά νήματα αναπτύχθηκε μεθοδολογία σχεδιασμού που στηρίζεται στο ελάχιστο μήκος νήματος θηλιάς και επιβεβαιώθηκε από εργαστηριακά αποτελέσματα. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μακρομηχανική μοντελοποίηση των κ/υ δομών. Η μακρομηχανική ανάλυση εστιάζει στην μηχανική συμπεριφορά μεγάλου τμήματος του υφάσματος σε σύνθετες καταπονήσεις. Για την μείωση του υπολογιστικού κόστους η απεικόνιση της δομικής μονάδας του υφάσματος παραλείπεται και η διακριτή δομή του υφάσματος αντικαθίσταται από συνεχές μοντέλο. Προφανώς η απόδοση των φαινόμενων ιδιοτήτων του διακριτού μοντέλου στο ισοδύναμο συνεχές μοντέλο (μέθοδος ομογενοποίησης) είναι καθοριστική για την αξιοπιστία της μακρομηχανικής ανάλυσης. Αναπτύχθηκαν τρεις προσεγγίσεις για την ανάπτυξη συνεχούς μοντέλου ΠΣ που παρουσιάζει ισοδύναμη μηχανική συμπεριφορά με την διακριτή δομή του απλού υφαντού: α. Μοντέλο από δύο πλέγματα κελύφους, με συμπίπτοντες κόμβους, που παρουσιάζουν διαφορετικό είδος δυσκαμψίας (ελαστική – καμπτική). β. Μοντέλο από δύο πλέγματα κελύφους, με συμπίπτοντες κόμβους, από διαφορετικό υλικό. γ. Μοντέλο τριών στρωμάτων συμμετρικής διατομής (πλεγματοποίηση με ΠΣ κελύφους, ογκικά ΠΣ ή solid-shell ΠΣ). Η αξιοπιστία των μακρομηχανικών μοντέλων εκτιμήθηκε από πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν από βιβλιογραφικές πηγές. Συγκεκριμένα για την υπολογιστική πρόβλεψη της μακρομηχανικής συμπεριφοράς αναπτύχθηκε το μεσομηχανικό μοντέλο της δομικής μονάδας, υπολογίστηκαν οι φαινόμενες ιδιότητες, εφαρμόστηκαν οι μέθοδοι ομογενοποίησης και η προσομοίωση των μηχανικών καταπονήσεων στο συνεχές μακρομηχανικό μοντέλο. Αποτελεί επομένως επιβεβαίωση της ορθότητας των σταδίων μεσο- και μακρο-μηχανικής μοντελοποίησης. Το πέμπτο κεφάλαιο της διατριβής εστιάζει στην προσομοίωση του πεσίματος του υφάσματος υπό την επίδραση του βάρους του σε βάθρο στήριξης (drape test). Πρόκειται για ιδιαίτερα σύνθετη καταπόνηση δεδομένου ότι το ύφασμα κάμπτεται σε πολλά επίπεδα σχηματίζοντας πτυχώσεις. Η δυνατότητα των υφασμάτων να κάμπτονται σε πολλά επίπεδα επιτρέπει την διαμόρφωσή τους σε μήτρες και την παραγωγή σύνθετων κομματιών πολύπλοκων σχημάτων. Η δοκιμή drape αποτελεί μη-γραμμικό πρόβλημα που διέπεται από μεγάλες μετατοπίσεις και στροφές. Η μέθοδος ομογενοποίησης με συνεχή δομή τριών στρωμάτων αποδείχτηκε κατάλληλη για την προσομοίωση της δοκιμής drape. Για την μοντελοποίηση χρησιμοποιήθηκαν τα 8-κομβικά solid-shell ΠΣ με 3 βαθμούς ελευθερίας ανά κόμβο. Η αξιοπιστία της προσομοίωσης αξιολογήθηκε πειραματικά. Στο έκτο κεφάλαιο επιχειρείται η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου μοντελοποίησης για την μελέτη της συμπεριφοράς τριδιάστατης κ/υ δομής σε δοκιμή συμπίεσης. Πρόκειται για στημονοπλεκτά 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. Η αντίσταση του υφάσματος σε συμπίεση αποτελεί πλεονέκτημα για την παραγωγή του σύνθετου υλικού (εύκολη ενσωμάτωση του σκυροδέματος στην κ/υ δομή) και την λειτουργικότητά του. Παράχθηκαν τα μεσομηχανικά μοντέλα των στρωμάτων της δομής από τα οποία υπολογίστηκαν οι φαινόμενες ιδιότητες. Στη συνέχεια το μακρομηχανικό μοντέλο υποβλήθηκε σε δοκιμή συμπίεσης προσομοιώνοντας την πειραματική δοκιμή. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής, διερευνάται η επάρκεια της προτεινόμενης μεθόδου μηχανικής ανάλυσης των κ/υ δομών και οι δυνατότητες εξέλιξής της καθώς και οι αδυναμίες της μεθόδου και οι προοπτικές για περαιτέρω έρευνα.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, and their expansion in aerospace and shipping industry (composite propellers, composite aircraft & hovercraft panels), in civil constructions (composite framework, drainage), in sports equipment (protective equipment, breathable waterproofs), in land transportation (seat belts, tyre cord, air filters, airbags) etc. Despite the long-lasting attempts of the research community to develop a thorough technique for the prediction of the fabric performance, the used design procedure is still in evolution. The effect of the structural elements of the fabrics, the fibres, in their mechanical analysis constituted the basic principle for the modelling approach, in contradiction to the existing mechanical two-dimensional models of the fabrics considered as simple sheets or membranes. Thus the discrete structure of the fabric, known as microstructure due to the small dimensions of the structural elements, was considered. This is exactly reflected in the title of the thesis. In the first chapter of the thesis, the literature review of the developed methods for the mechanical analysis of the textile structures is conducted. From the first analytical approach for the 2D geometrical representation of the plain woven up to the advanced 3D computational models of composite materials, numerous approaches were recorded regarding the problem designing, the mechanical analysis method, the modelling scale and the considered assumptions. The current chapter presents the evolutionary process of the research and exposes the technological attempts, perspectives and limitations resulted from the mechanical analysis of the textile structures. The production hierarchy of the textile structures (fibre – yarn – fabric) is correlated with the high level of complexity presented in the modelling procedure and the mechanical analysis of them. The difficulties are increased due to the high divergence of the dimensions corresponding to the fabric sheet (10-1 to 100 m) and the structural elements (fibre diameter, 10-5 m). Thus the realistic representation of the fabric structure, including the level of the fibres representation, for the macromechanical modelling is computationally impractical. The structural singularity of the fabrics incurs their particular flexibility. Thereby the macromechanical behaviour of fabrics is characterized by the large displacements of the constituting fibres even under low loading conditions. 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, that are described in the next chapters. The second chapter focuses on the stage of the micromechanical modelling. The typical yarn structure was studied in the micro-scale (fibre level) that constitutes the structural element for the production of textile products. The physical and the geometrical properties of the filaments and the ideal yarn geometrical structure are considered for the mechanical modelling of the multifilament twisted yarn. The FEM applying the beam theory enhanced with advanced solution algorithms supporting large deformation effects was implemented for the mechanical analysis. The proposed method offers a fast and flexible design in terms of modelling, meshing and analysis. Thus the difficulties resulted from the high structural complexity of the yarn models (e.g. yarn made of 100 filaments) are faced. The current stage of modelling aims at the calculation of the apparent yarn properties, mainly the elastic modulus and the bending rigidity. The respective deformations were simulated. For the evaluation of the proposed method, a set of 2- to 1200-filament twisted yarns were produced in the laboratory and tested in tensile and bending deformations. The comparison of the computational and the experimental data assured the reliability of the modelling approach. The effect of the major structural parameters as the filament radius and the yarn twist in the elastic properties and the bending rigidity was also examined. The third chapter presents the mesomechanical modelling stage focusing on the apparent mechanical properties of the fabric unit cell. In the current stage of modelling the representation of the filaments constituting the yarns is omitted for the reduction of the computational cost and the yarns are represented as homogenous structures (their apparent properties were calculated in the above stage). Thus the attribution of the yarn properties constitutes the basic factor for the modelling reliability due to the homogenization of the yarns. Moreover the yarns interactions in the fabric structure are determinant for the structural stability of the fabrics subjected to deformations. Three approaches, the solid, the shell and the beam modelling, are investigated for the mesomechanical analysis of the plain woven structure. The beam modelling was proved the appropriate approach for the reliable attribution of the modelled yarns. Aim of the mesomechanical modelling stage is the calculation of the performance of the unit cell in the tensile, shear and bending deformation. The models of the basic woven and knitted structures were also presented. Especially the modelling approach of the knitted structures produced by cotton yarns was based on the proposed principle of the minimum loop length and it was confirmed by the experimental data. In the fourth chapter, the macromechanical modelling stage of textile structures is presented. The macromechanical analysis 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 is replaced by a continuum model. It is obvious that the evaluation of the apparent properties of the discrete model and the generation of an equivalent continuum model (homogenization) is essential for the reliability of the macromechanical analysis. Three methods were implemented for the generation of a continuum model of FE presenting equivalent performance with the discrete woven structure: a. Two shell meshes of coincident nodes presenting different stiffness b. Two shell meshes of coincident nodes of different material properties c. 3-layer continuum structure (meshed using shells or solid-shell elements) The reliability of the macromechanical models was evaluated using experimental data received by the literature. In particular, the computational prediction of the macromechanical performance was based on the generation of the mesomechanical model of the unit cell, the calculation of the apparent properties, the implementation of the homogenization approaches and the simulation of the mechanical tests using the continuum macromechanical model. The fifth chapter of the thesis focuses 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 drapeability of the fabric reinforcement offers the advantage of bending around double-curvature mould producing complex shaped composite parts. The fabric drape is a nonlinear problem that undergoes large displacements and rotations. The 3-layer homogenization method was proved adequate for the drape simulation. The 8-node solid-shell finite elements with 3 translational degrees of freedom in each node were used for the analysis. The success of the analysis was evaluated experimentally. In the sixth chapter, the proposed textile modelling approach is 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, roofing tiles, flooring tiles, pressure pipes etc. Their structural advantages support an armature system of highly oriented yarns and the easily cement embodiment for the production of the composite. The compression resistance of the spacer fabric provides a major advantage for the performance and the composite manufacturing process. The mesomechanical models of the constitutive layers were generated and the apparent properties were calculated. Then the simulation of the compression test was performed using the macromechanical model. Finally the conclusions of the thesis are presented in the seventh chapter. The adequacy of the proposed approach of textile design, the limitations of the method and the perspectives for further work are discussed.Αργυρώ Ε. Καλλιβρετάκ

Study and design of a shaded area in UPC- ESEIAAT with sustainable textile structures

Rising temperatures due to climate change necessitate textile covers, commonly called awnings, in public spaces such as squares, terraces, and other outdoor areas that were previously optional. Although useful in various scenarios, these textile covers often present design challenges that make their maintenance, disassembly, or replacement difficult. Traditionally, they are static fixtures made of extensive lengths of fabric. If damaged, they require total replacement. Additionally, the most commonly used textile cover material is PVC-coated polyester, and its production causes a substantial environmental footprint. Nonetheless, architectural and textile engineering advancements can alleviate these issues. This master's thesis reviews the main techniques for designing and constructing shade covers and their fabrics in public spaces. In particular, we have redesigned one of the principal public spaces at UPC-ESEIAAT to provide adequate shading for its outdoor regions. Our proposal is a folding, modular textile cover grounded on eco-design principles and advances on textile engineering. The materials are locally sourced (km 0), and the fabrics are durable and crafted using sustainable techniques. These features are essential for these fabric structures to adapt to the fluctuating weather conditions induced by climate change, thereby enhancing the adaptability and resilience of public space

Re-addressing the role of knitted textile design knowledge: auxetic textiles from a practice-led, designer-maker perspective

This study reacts to the segregation of knowledge and practice surrounding weft-knitted textiles, their design and applications. This study challenges current disciplinary practices that divide knit into scientific, design and art areas by describing a designer-maker methodology, which is used to produce auxetic, weft-knitted textiles. By using a designer-maker’s practice-led perspective to create functional fabrics, it seeks to challenge the perception that technical and functional research in textiles is or should be the domain of scientific methodologies and engineering practice. This study does not apply external methodologies to the research design, but extracts its methods and values from an existing knit design practice, built from experiential knowledge, that becomes the basis for the methodology. Qualitative and quantitative measures of success are both vital to the methodology used in this study and both subjective and objective perspectives are embraced. The practical work uses designer-maker practice to lead the development of 30 auxetic fabric samples. These fabrics are appraised using a variety of methods including personal reflection, numerical measurement and feedback from focus groups of other practitioners