基于造纸纤维特性模型的纸页结构计算机模拟及性能预测方法分析

本文是计算机论文，使用改进的质点­弹簧模型建立了造纸纤维模型和纸页结构模型，并对纸页抗张强度进行了动态模拟；基于Qt5和OpenGL软件开发工具，研发了纸页结构模拟及性能预测计算机仿真平台。本文研究结果可以为制浆造纸领域提供一种定量分析造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间关系的方法，以及基于所研发的计算机仿真平台开展造纸纤维建模、纸页结构模拟和纸页性能预测的方法。结合实验室条件及现有文献经验，本研究做出如下假设和简化：（1）抄纸实验仅考虑手抄纸工艺过程（包括打浆、滤水、压榨及烘干），暂不考虑加填、流送、施胶等工艺过程。（2）对造纸纤维模型的假设：（a）造纸纤维模型截面的初始形态为同心圆环；（b）同一根造纸纤维模型的所有截面具有相同的宽度和壁厚；（c）同一根造纸纤维模型的所有位置具有相同的密度和力学性能。基于上述假设和简化开展研究工作，得到如下结论：(1)造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间关系统计模型的建立及关系趋势分析选择桉木纤维、针叶木纤维、棉纤维、蔗渣纤维和竹纤维5种纤维原料，实验测量了多种造纸纤维特性及对应纸页的抗张强度性能。获取的造纸纤维特性包括：纤维长度、宽度、粗度、壁厚、柔软度、弹性模量以及强度指数；考虑的抄造参数为打浆度。最终得到总的实验数据317组。而两种模型进行动态过程模拟的主要差别在于，有限元模型在进行动态过程模拟的时候，需要分别计算每个有限元区域在对应物理场中的受力及位移、形变过程。为了得到准确的结果，通常需要基于相关物理公式及插值法对有限元区域内的不同位置进行计算。

第一章绪论

近几年来，在材料学领域，模拟材料各种特性的主流方法包括基于有限元模型的分析方法和基于质点­弹簧模型的分析方法。这两种方法在建模和模拟计算过程中的主要差别体现在如下几个方面[8,18]：(1)建模：有限元模型建模方法是将完整物体分割成许多被称为有限元的小区域，每个有限元本质上还是该物体的一部分；而质点­弹簧模型的建模方法则是直接使用质点模型和弹簧模型替代原物体，可以理解为将物体划分为多个区域，再将每个区域内物体的体积和质量缩小到一个质点上，最后使用弹簧模型连接这些质点以模拟物体的内部力；(2)物体性能参数计算：由于在有限元模型中被划分的有限元区域仍然是原物体的一部分，所以其各项性能（如质量、抗张强度、泊松比、拉伸强度等）均可根据原物体各项性质值直接得到；而质点­弹簧模型由于将原物体进行了简化，为了能还原原物体的性能，需要基于原物体的各项性能值进行换算或拟合，从而得到质点的质量和弹簧的弹性系数。通过这个差别对比可以看出，有限元模型的模拟准确度在理论上高于质点­弹簧模型。(3)动态过程模拟：在进行动态过程模拟计算时，两种模型均是采用离散时间的方式进行模拟，即假设物体在一个较短的时间内受力状态不发生变化的前提下，计算物体在该时间段内的位移或形变。当所有有限元区域均完成计算后可以得到原物体整体的位移、形变状态；而质点­弹簧模型则只需要基于胡克定律和牛顿定律，计算每个质点在所受到外力和弹簧力作用下的位移即可。比较两种模型进行动态过程模拟的计算方法可知，质点­弹簧模型在动态过程模拟中的计算量会远远小于有限元模型，所以在相同计算条件下，质点­弹簧模型的计算速度会远远快于有限元模型。基于有限元模型和质点­弹簧模型的上述差别，有限元模型因为其较高的模拟准确度被较广运用，例如对金属材料特性的模拟[19,20]；对建筑结构的特性模拟[21]；对工业器件的特性模拟[22]；对通信设备性能的模拟[23]等。

第二章造纸纤维特性及纸页抗张强度性能数据

2.1实验

表2­1中，纤维疏解机的主要作用是分散纤维，从而避免在使用纤维质量分析仪时浆料堵塞进样、出样管道，抄纸过程中纤维分布匀度较差等问题；纤维筛分仪可将同种类纤维按长度进行分类，有利于后续研究中进一步分析纤维特性与纸页抗张强度性能间的关系；纤维质量分析仪是一种自动化程度很高的纤维分析仪器，可以自动测定统计得出纤维长度、宽度、粗度等特性的分布比例；显微镜可用于造纸纤维壁厚、柔软度测量实验中，对纤维形态的观测；零距抗张强度测试仪用于测量纸页零距抗张强度指数性能，从而间接计算纤维强度指数；PFI磨浆机用于对抄纸浆料进行磨打浆，有利于纸页性能的提升以及后续研究中分析打浆度与纸页性能间的关系；纸页手抄机用于抄造纸张，为测量纸页性能提供原料；L&W抗张强度仪用于测量手抄纸页抗张强度性能。本论文中，造纸纤维种类选取的主要原则包括如下几个方面：(1)造纸纤维的实际使用价值。在制浆造纸的实际生产中，由于不同类型纤维原料的特性、价格等方面存在较大差异，其使用比例是有所不同的。通过分析2009年至2018年我国各类纸浆的生产量[76]，如图2­2所示，废纸由于其廉价、环保的特点被大量使用。然而，由于相关废纸进口禁令，以及限于废纸浆本身强度性能较差等原因，近几年我国废纸浆的使用量呈下降趋势。除了废纸浆，木浆、苇浆、竹浆、蔗渣浆及稻麦草浆在我国制浆造纸工业中的使用比例也相对较高。除了纤维的长度、宽度、粗度和壁厚特性外，纤维的柔软度也对最终纸页的抗张强度性能存在较大影响。柔软度较高的纤维容易发生形变，从而使纤维之间的结合面积扩大，间接提高纸页抗张强度性能。但是，柔软度较高的纤维很可能本身强度不足，这也会影响到最终的纸页强度。另一方面，弹性模量是材料的固有属性，可以通过柔软度计算得到。

2.2结果与讨论

基于纤维质本研究中，为了获取不同造纸纤维类型（桉木纤维、针叶木纤维、棉纤维、蔗渣纤维和竹纤维）、纤维特性（重均长度、宽度、粗度、壁厚、柔软度、弹性模量和强度指数）、手抄纸工艺参数（打浆度）以及对应的纸页性能（抗张强度），分别进行了造纸纤维类型选取、造纸纤维特性测量、手抄纸及纸页抗张强度测量实验，最终得到不同类型造纸纤维特性、不同打浆度所抄造纸页的对应抗张强度如表2­10所示。表2­10中，每种造纸纤维数据分为不同打浆度数据（打浆度为22°SR至77.5°SR不等）和同一打浆度（30°SR）不同筛分等级数据（6目、30目、50目、100目、200目），从工艺和处理方法的角度对实验数据进行了丰富，便于为后续章节提供更全面的统计分析数据和建模输入数据。需要注意的是，由于不同纤维浆板中，纤维长度分布不同，导致筛分过程中部分纤维的部分筛分目数得率较低，难以进行抄纸实验，故表2­10中部分造纸纤维没有体现5个筛分目数的数据。另外，为了便于在后续研究中区分造纸纤维自身特性和抄造工艺对纸页抗张强度产生的不同影响，本研究实验中造纸纤维自身特性数据为打浆前测量得到的数据。综上所述，在排除实验中由于材料自身特性、操作失误或仪器精度等问题导致的实验数据与经验明显不符的情况外，得到不同类型造纸纤维、不同筛分等级及不同打浆度所对应的手抄纸纸页抗张强度有效实验数据共317组，将为后续统计分析及模拟建模提供数据支持。本章主要从造纸纤维选材依据、造纸纤维特性测量计算、手抄纸抄造实验及纸页抗张强度性能测量四个方面，介绍了本论文主要选取的造纸纤维特性及对应纸页抗张强度性能的测量计算方法和结果，得到如下结论：（1）通过实验的方法测量并计算了5种造纸纤维(桉木纤维、针叶木纤维、棉纤维、蔗渣纤维及竹纤维)的长度、宽度、粗度、柔软度、弹性模量及强度指数特性；（2）基于手抄纸实验将造纸纤维原料抄造为纸页，并对纸页的抗张强度性能进行测量，获得有效实验数据317组，这将为后续研究提供有力的数据支持。

第三章造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间关系的研究............39

3.1反向传播神经网络算法简介........................40

3.2基于BPNN的造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间关系建模.......42

3.3灰色关联分析法简介...........................51

3.4基于灰关联分析法分析造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间关系.....53

3.5本章小结.................................54

第四章造纸纤维特性动态模拟研究.......................55

4.1质点­弹簧模型及其动态模拟方法介绍...................56

4.2造纸纤维静态几何模型建立........................59

4.3造纸纤维动态模型建立..........................62

第五章纸页结构模型建模及抗张强度预测研究.................83
5.1实验....................................84

5.2纸页结构模型生成方法..........................85

第六章纸页结构模拟及性能预测的计算机仿真平台研究

6.1计算机仿真平台的研发功能及目的

介绍本章主要研发了一款适用于制浆造纸领域的计算机软件仿真平台，旨在为业内工艺人员和研究人员提供一种便捷的纸页性能模拟预测仿真工具，得到的主要结论如下：（1）使用Qt5及OpenGL开发工具，采用“三层结构”及面向接口设计方式，研发了纸页结构模拟及性能预测的计算机仿真平台。其中，“三层结构”包括：实现显示及人机交互功能的显示层，实现具体功能逻辑运算的业务逻辑层以及实现数据存取的数据访问层；（2）该计算机仿真平台实现了对造纸纤维特性模拟、纸页结构建模及纸页抗张强度性能模拟预测等功能。通过可视化人机交互界面的实现，便于相关工艺人员和研究人员的使用。（3）该计算机仿真平台使用面向接口编程方式研发，为制浆造纸领域的计算机模拟研究提供一个较为完整、易用的程序框架，便于后续研究及功能的扩展。相比于柔软度，弹性模量能更好的用于描述纤维的材料特性。与纤维的壁厚特性类似，不同筛分等级对纤维柔软度特性的影响较小，所以对纤维柔软度的测量和计算也不考虑筛分等级。另一方面，由于纤维尺寸较小，常规仪器设备难以测量纤维的柔软度或弹性模量。所以，本论文将通过材料力学中的横向负载梁弯曲实验对纤维柔软度进行测量[14]，并通过显微镜（OLYMPUSBX51）对结果进行观测。使用筛分仪和PFI磨浆机对每种造纸纤维进行筛分和打浆处理，得到了不同筛分等级，不同打浆度的造纸纤维原料及其对应的纤维特性，增加了抄纸原料的多样性，为后续研究提供了更加丰富、全面的原始数据

纤维选取、纤维及纸业特性测量技术路线图

6.2计算机仿真平台研发工具及操作系统简介

为了实现纸页结构模拟及性能预测计算机仿真平台的搭建，提高系统灵活性和扩展性，本研究参考了软件系统开发中经典的“三层架构”，既表示层、业务逻辑层和数据访问层。其中表示层主要负责在屏幕上显示直观的用户界面并与用户实现交互功能；业务逻辑层主要负责实现相关需求的功能逻辑；数据访问层主要用于实现数据的存取。通过这种“三层结构”进行软件系统设计，最大的优势在于下层模块不必依赖于上层模块，上层模块仅依赖于下层模块提供的的接口。各模块的具体实现可以基于接口定义灵活变动或扩展。结合本论文搭建计算机仿真平台，总体框架设计如图6­2所示：如上图所示，本论文所研究的软件系统共分为8个模块，分别属于表示层、业务逻辑层和数据访问层。图中箭头表示模块间的依赖关系，由被依赖部分指向依赖部分。可以看出，上层模块依赖于下层模块；下层模块不依赖上层模块；同层模块间可能存在单向依赖的关系。为了进一步介绍每个模块的功能及研发方法，下文将自底向上对每个模块进行逐一介绍模型数据管理模块主要用于定义和封装本系统中需要使用的模型参数，主要包括：质点模型、弹簧模型、OpenGL参数模型、碰撞检测包围盒模型、图形模型、动态过程总结模型、工程模型等。每一种模型的所有特征参数将被统一封装成一个类，例如封装质点模型的类将包括如下特征参数：质点坐标、质点质量、质点移动速度、质点受力、与质点连接的弹簧以及质点在动态模拟过程中所有时刻的坐标位置。

纤维质量分析仪分析结果

结论与展望

基于上述实验数据，采用反向传播神经网络（BPNN）方法，经过训练、验证及测试三个步骤，建立了造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间的关系统计模型，测试的平均相对误差（MRE）为6.42%，满足建模要求。使用所建立的BPNN模型逐个分析造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间的关系，得到造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间的关系趋势数据共3500组。再基于这些趋势数据分析获得每种造纸纤维特性对纸页抗张强度性能的影响关系，具体如下：大部分造纸纤维特性，如纤维长度、宽度、壁厚等几何特性，与纸页抗张强度性能间的关系趋势均是先增后降，即纸页抗张强度性能先随着造纸纤维特性的增加而增加，再继而减小；造纸纤维强度指数对纸页抗张强度性能的影响关系以促进为主，但随着造纸纤维强度指数的进一步增加，纸页抗张强度性能几乎不再变化。(2)基于灰关联分析法定量分析造纸纤维特性对纸页抗张强度性能的影响程度使用BPNN模型预测得到的3500组造纸纤维特性与纸页抗张强度性能间的关系数据，采用灰关联分析法，分析不同造纸纤维特性对纸页抗张强度性能的影响程度（影响因子），根据影响因子的大小关系所得排序结果如下：纤维强度指数（0.924）>纤维宽度（0.880）>纤维壁厚（0.839）>纤维重均长度（0.823）≫纤维粗度（0.590）≈纤维柔软度（0.590）其中，纤维强度指数对纸页抗张强度性能的影响最大，纤维粗度和纤维柔软度对纸页抗张强度性能的影响程度最小。
参考文献（略）