Softwaretool TexMath zur Simulation von Gestricken, Geweben, Gewirken

Unser Softwaretool TexMath ermöglicht als modulares Programm Simulationen von mechanischen Materialeigenschaften und die Optimierung textiler Produkte sowie von Mehrskalenproblemen für textile Anwendungen.

  • Mit MeshUp erstellen wir periodische Textilstrukturen aller Art (Gewebe, Gewirke, Gestricke, Abstandstextilien) gemäß der jeweiligen Maschinensteuerung mit komplexen Bindungen.
  • Die effektiven mechanischen Eigenschaften (Biegung, Zug, Druck) berechnen wir via FiberFEM für die mit MeshUp erzeugten Textilstrukturen.
  • Komplexe Belastungsszenarien auf Textilien (z.B. Dehnen, Drapieren) oder sogar der textile Produktionsprozess wie beispielsweise das Stricken simulieren wir mit FISFT.

Alle Tools haben Schnittstellen untereinander und auch zu GeoDict, um weitere strömungsmechanische Simulationen an den Textilien durchzuführen, 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 können.

MeshUp zur Strukturgenerierung von Webmustern und Maschen

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 dem Bindungspatronen für diverse Gewebe, Gewirke und Gestricke mit verschiedenen Bindungstypen, dem Fadenverlauf und allen Kontaktstellen zwischen verschiedenen Garnen erzeugt, grafisch abbildet und für weitere Simulationen in TexMath mit FISFT und FiberFEM in entsprechende Eingabeformate übersetzt werden. Darüber hinaus stellt MeshUp die Geometrie auch als Volumendaten (Voxelformat) für Berechnungstools wie GeoDict und FeelMath zur Verfügung.

3D-Abstandsgewirke mit markierter Monofil-Faser in leicht gezogenem Zustand.
© Fraunhofer ITWM
3D-Abstandsgewirke mit markierter Monofil-Faser in leicht gezogenem Zustand.
Mehrlagiges Gestrick. Verschiedene Fäden farblich markiert.
© Fraunhofer ITWM
Mehrlagiges Gestrick. Verschiedene Fäden farblich markiert.
Weiteres 3D-Abstandsgewirke im Ausgangszustand.
© Fraunhofer ITWM
Weiteres 3D-Abstandsgewirke im Ausgangszustand.

FiberFEM zur Berechnung effektiver mechanischer Eigenschaften einer periodischen Textilstruktur

Mit FiberFEM können gewebte und geflochtene Textilien, Abstandsgewebe, Gelege sowie Fachwerke hinsichtlich ihrer effektiven mechanischen Materialeigenschaften berechnet und optimiert werden. Ein spezielles Merkmal von FiberFEM ist, dass neben Zug- und Schubeigenschaften auch effektive Biege- und Torsionseigenschaften von Textilien anhand ihrer textilen Struktur und der Garneigenschaften bestimmt werden können.

Virtuelle Biege- und Kompressions-Prüfung für Abstandsgewirke.

Als Eingangsgrößen benötigt FiberFEM neben der Mikrostrukturbeschreibung aus MeshUp die Faserquerschnittsgeometrie, sowie mechanische Fasereigenschaften wie Zugsteifigkeit und Reibung. Als Output werden die effektiven mechanischen Textilgrößen berechnet. Neben der Berechnung der effektiven mechanischen Materialeigenschaften für bereits existierende gewebte oder gestrickte Textilien für technische und medizinische Anwendungen, bietet der Ansatz auch das Potential zur gezielten Auslegung und Optimierung neuer Textilien mit vorgegebenem mechanischem Eigenschaftsprofil.

So kann das Relaxationsverhalten eines Textils aus dem Web- bzw. Strickmuster und den Garnrelaxationszeiten für viskoelastische Garne ermittelt werden. Auch Reibungskoeffizienten zwischen den Garnen werden berücksichtigt und werden direkt in die Simulation der effektiven Eigenschaften einbezogen bzw. aus der experimentellen Validierung mit dem Gewebe identifiziert.

Kompression eines Abstandsgewirkes.
© Fraunhofer ITWM
Kompression eines Abstandsgewirkes.
Faltenbildung in einem Gewebe.
© Fraunhofer ITWM
Faltenbildung in einem Gewebe.
Simulation eines fortlaufenden Schadens in einem Gewebe.
© Fraunhofer ITWM
Simulation eines fortlaufenden Schadens in einem Gewebe.

FIFST zur Berechnung der Deformation und Belastung von Textilien

Das Model FIFST ist spezialisiert für dynamische Simulationen von Gestricken, sehr dehnbaren Geweben und Gewirken. So kann beispielsweise 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 personalisierter Textilien oder produktspezifischer Designs ist möglich.

Simulation des Strickprozesses in einer Rundstrickmaschine.

Die numerische Umsetzung nutzt die Finite-Element-Methode mit nichtlinearen Balken-Elementen, die für die Kontaktprobleme um eine zusätzliche interne Variable – das Gleiten von Fäden an Kontaktknoten – erweitert wurde. Das Reibungsgesetz ist mit dem Euler-Eutelwein-Modell 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.  

 

Auswirkung unterschiedlicher Reibeparameter der Garne.

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.

Beispielhafter Überzugprozess.