一种基于Texgen纬编织物模型的三维模拟方法与流程

本发明涉及织物模型的建立，具体为采用TexGen软件对纬编针织物进行三维仿真，属于计算机图形学领域。

背景技术：

随着计算机技术的发展，电子计算机技术在纺织行业的应用也越来越多，而对织物的三维模拟仿真研究也吸引了越来越多的学者和专家的注意。对织物的三维仿真不仅可以直观的反应微观几何结构、三维空间形态和纱线间的交织、嵌套关系，还可以用于及产品的设计等方面。同时，织物的三维模拟仿真还可以与有限元模拟相结合，可以预测织物的各种物理、机械性能等。此外，织物的三维模拟仿真也可以作为复合材料性能有限元分析的增强结构模型，合理的模型建立是后续研究的基础，可为后续研究提供充足的前期准备。

早在1999年，克劳斯·哈特等人就发明提供了根据纱线参数和织物参数模拟纱线和织物的方法、系统和计算机程序(CN1211319)。纱线参数可以直接从实际纱线确定。织物参数可以由用户定义。实际纱线通过使用位置和取向矢量来模拟，理想织物通过使用部分基于实际纱线数据的位置矢量来模拟。实际纱线纱线模型和理想纱线织物模型可以组合，以建立可以视觉显示的实际纱线织物模型以模拟由纱线制成的织物。2015年王醒策等人公开了基于弹簧模型的球B样条编针织物形变仿真的方法(CN104679958A)发明对基于球B样条构造的编针织物进行形变仿真，球B样条是通过定义一系列的控制点、控制点所在的控制半径以及和这些控制点相联系的B样条曲线来表现2D绘画和3D绘画，操作时，基于胡克定律在编针织物的各个线圈之间建立弹簧模型，通过改变球B样条曲线控制点和其对应的厚度可以实现编针织物精确的形变并且提高了存储和传输的效率。本发明的优点是：纬编针织物的计算机三维模拟采用参数化的方法，方便用户交互操作，使用更少的数据在计算机中能真实地模拟编针织物形变模型并达到了很好的模拟效果，为编针织物在CAD系统中的形变仿真提供一种新的思路方法。

CAD、Pro/ENGINEER等建模软件均可实现针织物模型的建立，但需建模人员对软件的基本操作、建模方法等有一定程度的了解和操作熟练程度，并对针织线圈有充分的理解和掌握才能建造出针织物模型；本专利基于Texgen建模原理，通过选择合适的型值点和曲线插值函数，得到织物最小基本单元，然后将基本单元按照需求进行沿纵、横向阵列排布，得到纬平针织物模型，从而提供一种较简单的建立纬平针织物模型的方法，所建模型可以实现在三维空间内对织物结构进行视图观察，亦可作为有限元分析模型进行后续的有限元分析研究。

技术实现要素：

针对现有纬编针织物三维仿真的不足，本发明拟解决的技术问题是提供一种基于Texgen纬编织物模型的三维模拟方法，所述的模拟方法具有方便、快捷、简单等特点，模拟成型的线圈与实际线圈较为逼近，能达到模拟实际线圈的作用，可作为有限元分析模型进行后续的有限元分析研究和日后纬编针织物及复合材料的力学性能的模拟的基础。

本发明解决所述的纬编针织物三维仿真技术问题的技术方案是：采用TexGen软件对纬编针织物进行三维仿真。基于TexGen的建模原理，先确定最小重复单元线圈及单元线圈的三维空间形态，并确定最小单元上的型值点的个数，通过选择合适的样条插值的方法获得纱线长度方向的三维中心线，然后通过扫掠二维的横截面，再沿纵、横向对最小单元进行阵列的方法获得纬编针织物中纱线的三维几何模型；

所述的基于Texgen纬编织物模型的三维模拟方法，其特征在于结合Pierce线圈模型和B样条线圈模型的特点，在尽量满足线圈模型与实际织物线圈结构相逼近的情况下，克服线圈间相互嵌入的问题，提供一种采用TexGen建立纬编针织物的方法

所述的基于Texgen纬编织物模型的三维模拟方法，其特征在于所述的确定最小重复单元线圈及单元线圈的三维空间形态。

所述的基于Texgen纬编织物模型的三维模拟方法，其特征在于所述的确定最小单元上的型值点的个数为15个。

所述的基于Texgen纬编织物模型的三维模拟方法，其特征在于所述的选择合适的样条插值的方法三次周期样条插值获得纱线长度方向的三维中心线。

本发明模拟的纬编织物模型的三维模拟方法，方法中设计了最小重复单元线圈及单元线圈的三维空间形态，以及模拟中最小单元上的型值点的个数。本发明纬编织物模型的三维模拟方法的优势在于两方面，一是方便快捷，能在最短的时间内，模拟出理想的纬编针织物的线圈模型；二是模拟线圈与实际线圈较为接近，能真正模拟真实线圈的形态和受力状况；

附图说明

图1为本发明实施例1所述线圈正面型值点选取示意图，图2为本发明实施例1所述线圈侧面结构示意图，图3为本发明实施例2所述TexGen编织向导，图4为本发明实施例2所述织物模型和实际织物正面对比图，图5为本发明实施例2所述织物模型和实际织物反面对比图，图6为本发明实施例2所述织物模型侧面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及发明内容对本发明做进一步详细描述。

实施例1

在建模中通用的纬编针织物模型是Pierce模型，即假设织物处于理想状态，圈柱用直线段表示，线圈针编弧、沉降弧用圆弧近似表示。在Pierce线圈模型的基础上将三维线圈分解成5个部分分别段建立模型，并使用正弦函数表示线圈的起伏角β，建立了三次B样条模型，且可通过B样条模型对线圈的形态进行控制。本发明将参照针织物实际线圈在三维空间的几何形态和线圈间的相互串套关系，结合Pierce线圈模型和B样条线圈模型的特点，在尽量满足线圈模型与实际织物线圈结构相逼近的情况下，克服线圈间相互嵌入的问题，提供一种采用TexGen建立纬编针织物的方法，基于三次B样条线圈模型进行纬平针正面线圈参数的确定，三次B样条曲线数学表达式为：

式中：N_i，4(t)为三次B样条基函数，Q_i为控制点坐标，P_i为型值点坐标。其中，型值点的值以及各个变量间的相互关系必须结合纬编针织工艺及线圈形态的基本参数加以确定。纬平针织线圈模型选取15个型值点(n＝15)，如图1所示，分别记为P₁(x1，y1，z1)，P₂(x2，y2，z2)，P₃(x3，y3，z3)，……，P₁₅(x15，y15，z15)。织物的基本结构参数圈距w、圈高h、纱线直径d等可通过测量或推导计算得出。模型中的弧段采用椭圆来描述，因此需引入椭圆扁系数α，其中椭圆长轴长短轴长α取值范围为(0，1)。

根据纬平针线圈结构的对称性，仅求出P₁、P₂……P₈八个点的坐标值，然后将这些点的x坐标表达式取正就可得到所对称的型值点的正面线圈参数值。将线圈划分为AB、BC、CD和三次B样条曲线段DE、EF构成，依次对各段分别建模，然后组合成一个完整的单元线圈模型。

假设沉降弧AB段越过的弧度为设变量为当前弧度，其中起点为A(θ＝0)，终点为则根据图4有：

公式(2)

经计算得根据线圈的对称性可得

与沉降弧段建模原理相同，设针编弧CD段跨过的椭圆弧度为π，起点为A(θ＝0)，终点为B(θ＝π)，根据图1-b有：

公式(3)

经计算得

由于圈柱段(即BC段和DE段)直接用椭圆弧或直线来代替都不能很好的反映出线圈的实际形态，因此本专利采用由基函数和控制点构成的B样条曲线来逼近实际线圈的圈柱段，将型值点用结构参数来表示。具体方法如下：如图1将DE段按直线段平分为4段5点(从上到下依次为P₉，P′₁₀，P₁₁，P′₁₂，P₁₃)，取点P₉，P₁₀，P₁₁，P₁₂，P₁₃为型值点。对于P₁₀点，y坐标不变对x坐标作调整，调整方法：将曲线P₉ P₁₁投影到x轴上(得到投影Q₉ P₁₁)，Q₁₀是Q₉ P₁₁的第一个等分点，得到型值点P₁₀。同理对于P₁₂点，y坐标不变对x坐标作调整，将曲线P₁₁ P₁₃投影到x轴上(得到投影P₁₁ Q₁₃)，Q₁₂是P₁₁ Q₁₃的第二个等分点，得到型值点P₁₂。计算得

线圈的侧面模型如图2所示关于Z轴对称，线圈侧面分为HI、IG、GK三段，借鉴Pierce线圈模型能够满足避免纱线间嵌的问题，并将Pierce线圈模型进行改进，线圈的侧面HI、GK均采用椭圆弧来表示，纱线虽为柔性材料，但仍具有一定的刚度，在受到弯曲作用时会产生一定曲率的弯曲，因此Pierce线圈模型中将IG段用直线段来表示不能很好反应线圈的实际形态，为更贴近线圈的实际形态，将IG用椭圆弧来表示。假设HI段越过的弧度为设变量为当前弧度，其中起点为H(γ＝0)，终点为则根据图5有：

IG段沿z方向有一定的起伏度，且起伏程度与织物的厚度T相关，故根据织物的厚度T来确定起伏度的大小。据纱线间的较之关系和织物的厚度，得出P5的z轴坐标值z5。所有型值点的坐标经计算推导后计算得出后，将实际所建织物的线圈结构参数圈距w、圈高h、纱线直径d、织物厚度T、线圈的总高度L等代入方程，求解得出15个型值点的x、y、z坐标值。

实施例2

在TexGen插入15个节点，将所计算出的15个型值点的三维空间坐标值赋给所插入的节点，如图3-a所示，用来描绘线圈的基本形状；在“section”中进行纱线截面大小、形状的设定，如图3-b为纱线截面设定的操作界面(本专利将纱线截面设为圆形)；在工具栏的“Interpolation”中进行样条插值方式的选择，TexGen提供了三次贝塞尔曲线插值、三次自然样条和三次周期样条插值三种插值方式，基于三次周期样条曲线头尾两节点的切矢量相等，且属于二阶连续样条，因此采用三次周期样条所得到的线圈形状更接近实际线圈形状。最后，在“Repeat”中进行线圈沿纵、横方向的阵列排布，得到纬平织物的模型。

如图4、图5和图6所示分别为织物模型和实际织物的线圈结构正、反面对比图和侧面图，经对比可发现，线圈的弯曲状态及空间结构达到了与实际织物的相逼近的要求。