CN109583048A - 一种基于六边形网格结构的三维针织物建模方法 - Google Patents

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丁子寒
代文杰
邱华
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Abstract

本发明公开了一种基于六边形网格结构的针织物三维建模方法，它是通过选用纬平针结构的交织点作为特殊点，形成平面六边形网格结构，测量各点之间的距离和角度，及织物的厚度和纱线细度，通过本发明设计的公式确定三维空间内的型值点，然后插入样条曲线并进行截面扫描形成结构单元，通过阵列形成整块纬平针织物三维模型。本发明操作方法简单快捷，可根据实际织物规格创建三维模型，并且与实际线圈较为接近，还可用于模拟分析针织物保温性能，也为进一步对针织物进行有限元其他模拟分析提供前期基础。

Description

一种基于六边形网格结构的三维针织物建模方法
技术领域
本发明涉及一种基于六边形网格结构的三维针织物建模方法，属于织物三维模型的创建领域。
背景技术
随着人们生活水平的提高，在服装挑选和购买的过程中越来越注重其穿着舒适性，所以对面料的要求就越来越高，为了减少面料测试的繁琐和节约成本，建立三维模型并进行仿真模拟成为一项具有发展潜力的技术。对于面料的仿真建模一直是一个艰难探索的过程，因为纱线不仅尺寸小，还呈现不规则弯曲形态。目前较为成熟的一般是平纹机织物的模型创建，因其最小单元结构简单，弯曲程度较小，其中最著名的是20世纪三十年代的Peirce模型，后来有人用MatLab语言编程计算构建，朱建华等人利用函数矩阵来确定纱线中心轨迹并进行纱线截面拟合，及至英国诺丁汉大学设计开发的TexGen软件可以简单快捷地创建机织物三维模型。
针对针织物三维模型的创建，目前鲜有成果，大部分的仿真研究着重于三维图案效果，重点研究不同编织规律的织物呈现的整体视觉形态。还有部分研究以织物变形为主的仿真模拟，2015年王醒策等人申请发明了基于弹簧模型的球样条编针织物形变仿真的方法(CN104679958A)可用于织物形变仿真研究的思路。而对于三维几何织物模型，由于针织线圈弯曲程度大，循环单元较为复杂，所以一直在探索阶段，李翠玉等人2017年申请发明了一种基于Texgen纬编织物模型的三维模拟方法(CN106709203A)，在软件Texgen里根据织物尺寸选择确定了15个型值点，并插入B样条曲线，创建出与实际线圈相似的三维模型，但是型值点较多，确定的过程较为麻烦。
发明内容
本发明针对现有技术中针织纬平针三维模型存在难以成型、取点复杂的问题，提供了一种提高针织纬平针三维模型仿真效果的建模方法，采用3D模型创建软件，依据六边形网格结构所建立的公式快速建立纬平针织物三维模型，并且可以保存为.stp或.igs等格式用于有限元分析模型，并可以进一步作织物保温性能仿真模拟分析等。
本发明的第一个目的是提供一种基于六边形网格结构的三维针织物建模方法，所述方法包括如下步骤：(1)连接线圈在二维平面上的交织点，形成六边形网络结构；(2)在垂直于二维平面的轴上测量织物厚度，计算线圈与二维平面的夹角，以确认线圈的六边形网格结构顶点对应的三维空间型值点；(3)插入样条曲线，获得三维模型。
在本发明的一种实施方式中，所述三维几何模型按下述步骤构建：(1)采集针织物线圈在二维视图中的交织点；(2)连接交织点构成六边形网格结构，(3)通过厚度计算线圈与二维平面的夹角；(4)将三维空间型值点插入样条曲线形成纱线中心线，(5)沿纱线中心线对纱线截面进行扫描即可得到最小重复单元的线圈结构，(6)沿着横向、纵向进行矩阵排列即可得到完整的针织纬平针三维几何模型。
在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括如下步骤：
(1)将针织纬平织物放在显微镜下，观察纱线交织状态，定义一个线圈的交织点和与之相邻的另一个线圈在线的方向上互相连接的交织点分别为P1～P8；
(2)利用超景深仪内置的测试工具，测量在一个循环组织内相邻纱线交织点间的距离和角度；
(3)利用织物厚度仪测试织物厚度数据，并根据纱线细度和交织结构几何关系计算出线圈与二维平面的夹角θ，根据来确定型值点P1～P4在三维空间的坐标值，其中，h为厚度；d为纱线直径；型值点的坐标分别如下：
P1(x1，y1，z1)，其中
P2(x2，y2，z2)，其中
P3(x3，y3，z3)，其中
P4(x4，y4，z4)，其中
注：a、b、α、β、θ如图2和3中所示的测量数据，其中a＝P1P2＝P3P4，b＝P2P3＝P2’P1；∠α是以P3为顶点P2P3连线与P3P4连线之间的夹角，根据循环规律也是以P1为顶点的P1P2与P1P2’的角度；∠β是P2P7与P2P3之间的夹角；∠θ是线圈与二维平面的夹角。
(4)根据镜像对称确定P5、P6、P7、P8型值点，根据型值点插入非均匀有理三次B样条曲线，形成线圈纱线的中心线。
(5)根据纱线实际截面选择能够完整呈现线圈模型的截面形状，并画出纱线截面，沿纱线中心线扫描截面即可完成单个线圈的模型，通过阵列矩阵沿横向、纵向排列可得到纬平针织物模型。
在本发明的一种实施方式中，所述的型值点分布在三维六边形网格的顶点位置。
在本发明的一种实施方式中，以8个型值点确定针织线圈的最小结构单元。
在本发明的一种实施方式中，所述样条曲线为非均匀有理三次B样条曲线。
本发明的有益效果：
(1)本发明根据六边形网格结构所建立的公式创建针织模型可操作性强，并且可根据实际织物规格快速创建和调整模型。
(2)本发明创建的针织纬平针三维模型与实际织物较为接近，并且可导出模型进行织物导热性有限元模拟分析，模拟计算结果与实际实验值的误差在4％以内，所以可进一步用于其他有限元分析。
附图说明
图1为纱线交织点结构示意图；
图2为一个单元线圈的8个交织点所在位置；
图3为线圈正面型值点结构示意图；
图4为线圈侧面型值点结构示意图；
图5为实例中所建模型与实际织物正面对比图；
图6为实例中所建模型与实际织物反面对比图；
图7为所建的线圈单元模型模拟分析结果下表面视图；
图8为所建的线圈单元模型模拟分析结果上表面视图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种针织纬平针织物，纱线原料为棉，细度为26s。
该织物的三维模型创建方法包括如下步骤：
(1)将织物放置于超景深显微镜下，利用超景深仪内置的测试工具，根据图3测量在一个循环组织内纱线交织点的距离和角度，所得数据如表1所示，据此来确定平面六边形网格结构；
表1织物交织点测量数据
注：如图2所示，其中a＝P1P2＝P3P4,b＝P2P3＝P2’P1；∠α是以P3为顶点P2P3连线与P3P4连线之间的夹角，根据循环规律也是以P1为顶点的P1P2与P1P2’的角度；∠β是P2P7与P2P3之间的夹角。
(2)利用织物厚度仪测试织物厚度h的数据如表2所示，并根据纱线细度和交织结构特征计算出线圈在YZ平面的倾斜角度θ，由此确定三维空间的型值点；
表2织物的厚度测试数据
根据步骤1和步骤2中的测量数据及纱线细度，可以计算得到其中h为织物厚度，d为纱线直径；
(3)将所得数据代入以下公式可确定确认P1、P2、P3、P4型值点坐标值，最后结果如表3所示；
P1(x1，y1，z1)，其中
P2(x2，y2，z2)，其中
P3(x3，y3，z3)，其中
P4(x4，y4，z4)，其中
表3
注：单位为mm
(4)根据步骤二和步骤三，确认P1、P2、P3、P4型值点，再根据镜像对称确定P5、P6、P7、P8确定型值点，插入非均匀有理三次B样条曲线如下式所示：
式中，k＝3；i＝0，1，2，…，7；Qi表示第i个几何控制顶点，Wi是相对应几何控制顶点的权值，用来调节控制顶点的权重，k为B有理样条曲线的幂次，Bi,k(u)为k次B样条基函数；
当k＝3时，节点矢量首尾两端各需要4个重节点，采用积累弦长参数化法来计算样条曲线的矢量节点，求解节点ui的值为：
其中，i＝1，2，…，7；Δpi＝pi-1-pi。
对数据点进行严格化规范后可得到一个参数化序列，将其分别对应的矢量点代入到非均匀有理三次B样条曲线函数中，并且使曲线经过几个插值型值点，以及满足曲线的首尾两端的端点与其型值点重合的条件，联立方程进行计算，最终可求出该样条曲线的控制顶点，通过控制顶点确定纱线路径；
(5)假设织物处在理想状态下，选择圆形的纱线截面，根据纱线细度计算出纱线的直径根据直径画出圆形截面，通过扫描即可完成单个线圈的模型，最后通过阵列矩阵沿横向、纵向排列可得到纬平针织物模型。
实施例2
将实施例1所建的针织物模型与实际织物的横纵密度进行比较，并将模型导入到模拟分析软件STAR-CCM+当中进行导热性分析，纱线区域设置棉的导热系数0.072W/(m.K)，流体区域设置空气的导热系数0.026W/(m.K)，上表面温度初始温度设置为20℃，下表面温度设置为35℃，达到平衡后根据傅里叶定律来计算织物总系统的热阻。最终所得结果与实际实验结果如表4所示：
表4
从实验结果与模型分析结果对比看来，应用上述方法构建的织物纬平针的实体模型与织物实际情况较为相似，并且该模型可以导入模拟分析软件进行导热模拟，最终计算结果与实验值接近，所以该方法所建的模型具有一定的实用性。所建模型与实际织物照片对比如图5、6，能够准确呈现实际织物的横向密度和纵向密度，针织物单元结构传热有限元分析结果如图7、8所示，采用本发明的方法建立的模型模拟获得的导热性能与实测值误差在4％以内。。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种基于六边形网格结构的三维针织物建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)连接线圈在二维平面上的交织点，形成六边形网络结构；(2)在垂直于二维平面的轴上测量织物厚度，计算线圈与二维平面的夹角，以确定认线圈的六边形网格结构顶点对应的三维空间型值点；(3)插入样条曲线模拟纱线路径，获得三维模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样条曲线为非均匀有理三次B样条曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的型值点分布在三维六边形网格的顶点位置。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，以8个型值点确定针织线圈的最小结构单元。
5.根据权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述针织物为针织纬平织物。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
(1)观察针织纬平织物的纱线交织状态，定义一个线圈的交织点和与之相邻的另一个线圈在线的方向上互相连接的交织点分别为P1～P8；
(2)测量在一个循环组织内相邻纱线交织点间的距离和角度；
(3)利用织物厚度仪测试织物厚度数据，并根据纱线细度和交织结构的几何关系计算出线圈与二维平面的夹角θ，根据来确定型值点P1～P4在三维空间的坐标值，其中，h为厚度；d为纱线直径；型值点的坐标分别如下：
P1(x1，y1，z1)，其中
P2(x2，y2，z2)，其中
P3(x3，y3，z3)，其中
P4(x4，y4，z4)，其中
其中：a＝P1P2＝P3P4，b＝P2P3＝P2’P1；∠α是以P3为顶点P2P3连线与P3P4连线之间的夹角，根据循环规律也是以P1为顶点的P1P2与P1P2’的角度；∠β是P2P7与P2P3之间的夹角；∠θ是线圈与二维平面的夹角；
(4)根据镜像对称确定P5、P6、P7、P8型值点，根据型值点插入非均匀有理三次B样条曲线，形成线圈纱线的中心线；
(5)根据纱线细度画出纱线截面，沿纱线中心线扫描获得单个线圈的模型，通过阵列矩阵沿横向、纵向排列可得到纬平针织物模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述几何关系为三角函数关系。
8.权利要求1～6任一所述方法在分析针织物特性方面的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用包括模拟织物结构，进行织物保温性能评估。
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