Softwaretool TexMath zur Simulation von Gestricken, Geweben, Gewirken

TexMath ist eine Software die durch ihren modularen Aufbau eine anwendungsspezifische Multiskalenstrukturmechanik von Textilen ermöglicht. Mit dem Modul FiberFEM lassen sich effektive mechanische Eigenschaften aus der periodischen Textilstruktur berechnen, die sich einfach mit dem Strukturgenerator (MeshUp) erstellen lassen. Mit dem Modul FiFST lassen sich sowohl spezielle textile Fertigungsprozesse wie beispielsweise das Stricken als auch komplexe Belastungen von textilen Strukturen (z.B. Dehnen, Drapieren) berechnen.    

Alle Tools haben Schnittstellen untereinander und auch zu GeoDict, um weitere strömungsmechanische Simulationen an den Textilien zu führen, z.B. deren Permeabilität  in jedem Dehnungszustand zu bestimmen. Durch eine Schnittstelle mit FeelMath können weitere detailliertere dreidimensionale mechanische Simulationen an bestimmten Garn- bzw. Kontaktstellen unternommen werden, sodass auch Festigkeit und Lebensdauer untersucht werden kann.

Module

Modul MeshUp zur Strukturgenerierung von Webmustern und Maschen

3D Gewebe Zug
© Foto ITWM

3D Gewebe Zug

Gestricke und Gewebe werden mit Hilfe von Strick- bzw. Webmaschinen produziert. Jedem Textil liegt eine Bindungspatrone zugrunde, die in die Maschine eingelesen wird bzw. in der Maschine fest vordefiniert ist.

MeshUp ist das Softwaremodul von TexMath in der Bindungspartonen für diversen Geweben, Gewirken (auch Abstandsgewirke) und Gestricke mit allen Bindungstypen, dem Fadenverlauf und allen Kontaktstellen zwischen verschiedenen Garnen erzeugt, grafisch abbildet (visualisiert) und in eine Finiten Element-Struktur mit den Garnzugehörigkeiten für weitere Simulationen in TexMath mit FISFT und FiberFEM in entsprechende Eingabeformate übersetzt. Darüber hinaus stellt MeshUp die Geometrie auch als Volumendaten (Voxelformat) für Berechnungstools wie GeoDict und FeelMath  zur Verfügung.

Modul FiberFEM zur Berechnung effektiver mechanischer Eigenschaften einer periodischen Faserstruktur mit Balkenelementen im Kontakt

Kompression Abstandsgewirke
© Foto ITWM

Kompression Abstandsgewirke

FiberFEM-Modell
© Foto ITWM

Struktur im FiberFEM-Modell

Mit FiberFEM werden:

  • gewebte und geflochtene Textilien,
  • Abstandsgewebe,
  • Gelege,
  • Fachwerke

hinsichtlich ihrer effektiven mechanischen Materialeigenschaften berechnet und optimiert.

Ein spezielles Merkmal von FiberFEM ist, dass neben Zug- und Schubeigenschaften auch effektive Biege- und Torsionseigenschaften von Textilien oder Abstandsplatten anhand ihrer textilen Struktur und der Garn-, bzw. Fasereigenschaften bestimmt werden können.

So können auch Relaxationszeiten aus der Webpatrone bzw. Strukturauslegung und den Garnrelaxationszeiten für viskoelastische Garne ermittelt werden. Auch Reibungskoeffizienten zwischen den Garnen werden berücksichtigt und können direkt in die Simulation der effektiven Eigenschaften einbezogen werden oder aus der experimentelle Validierung mit dem Gewebe identifiziert werden. FiberFEM  hat sowohl einen numerischen, wie auch einen symbolischen Löser und erlaubt so die Optimierung vom textilen Struktur bzw. der Bindepatrone gezielt für die gewünschte Textileigenschaft.

Als Eingangsgrößen benötigt FiberFEM neben der Mikrostrukturbeschreibung (MeshUp) oder über eine Bindepatrone des betrachteten Textils die Faserquerschnittsgeometrie, sowie mechanische Faserparameter, wie Zugsteifigkeit und Reibung. Als Output werden die effektiven mechanischen Textilgrößen zurückgegeben. Neben der Berechnung der effektiven mechanischen Materialeigenschaften für eine Vielzahl bereits existierender gewebter und gestrickter Textilien aus technischen und medizinischen Anwendungen, bietet der Ansatz auch das Potential zur gezielten Auslegung neuer Textilien mit vorgegebenem mechanischem Eigenschaftsprofil.

Abzug aus der Strickmaschine.
© Foto ITWM

Abzug aus der Strickmaschine.

Abzug aus der Strickmaschine
© Foto ITWM

Abzug aus der Strickmaschine.

Das Model FIFST ist spezialisiert für dynamische Simulationen von Gestricken, sehr dehnbaren Geweben und Gewirken. So kann der Strickprozess simuliert, das Abziehen von der Strickmaschine, die Schrumpfung auf ein entspanntes Textil und auch die Wiederbelastung beim Anziehen berechnet werden. Somit kann auch das Design des Gestricks an vorgegebene Spannungsprofile angepasst werden und eine individualisierte Maschinensteuerung  zur Produktion personalisierte Textilien oder produktspezifischer Designs ist möglich.

Bei der numerischen Umsetzung wird als Werkzeug die Finite-Element-Methode mit nichtlinearen Truss-Elementen genutzt, die für die Kontaktprobleme um eine zusätzliche interne Variable – das Gleiten von Fäden an Kontaktknoten – erweitert wurde. Das Reibungsgesetz wird mit dem Euler-Eutelwein-Modell für elastische Seile umgesetzt, das um einen zusätzlichen Adhäsionsterm modelltechnisch ausgebaut wurde.

Die Adhäsion erlaubt somit auch unterschiedliche Vorspannung in den jeweiligen Maschen. Die elastische Energie wird dabei direkt aus den Garn-Kraft-Dehnungskurven berechnet. Die resultierenden nichtlinearen Probleme werden für die elastische Verformung und das Gleiten unter der Reibkraft in zwei separaten Newtonverfahren gelöst. Dabei wird der Kreuzungswinkel zwischen den Threads in jedem Deformationsschritt an die aktuelle Konfiguration angepasst.

Ein wichtigstes Alleinstellungsmerkmal von FIFST ist die spezielle Technologie der Zugehörigkeit mehrerer Elemente zu bestimmten Threads und deren Anordnung im Thread sowie das gleichzeitig Kontaktgleiten an Million von Knotenpunkten. Somit ermöglicht FIFST multiskalige Simulation von großen gestrickten oder gewebten Schalenbauteilen unter Berücksichtigung der lokalen Textilstruktur.