CN109800532B - 一种平纹机织物的三维模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平纹机织物的三维模拟方法，基于Pierce理论模型和平纹机织物的SEM图，采用数学建模方法分别建立纱线截面模型、纱线中心线模型以及截面纤维分布模型；在上述模型的基础上，采用三维建模软件建立单根平纹机织物纤维的三维模型；再根据截面纤维分布模型装配得到单胞纱线三维模型；最后依据平纹机织物纱线交织规律和装配方法得到平纹机织物三维模型。由本发明方法中的数值模拟得到的三维数据可以更加全面和准确地反映微滴在织物表面碰撞后，微滴在织物表面的铺展及渗透过程中的形态变化规律，为连续多颗微滴喷射打印成形导电线路技术的发展提供了重要的理论基础。

Description

一种平纹机织物的三维模拟方法

技术领域

本发明属于织物建模技术领域，涉及一种平纹机织物的三维模拟方法。

背景技术

随着工业的快速发展，纺织品也向着功能化、智能化方向快速地发展着，并产生了一些智能纺织品。智能纺织品柔性化集成的关键与导电线路的制备有关。近年来，多采用微滴喷射技术在织物表面打印形成导电线路，而微滴与织物基板碰撞的成型状态直接影响了导电线路的成形精度和质量，因此，对微滴沉积过程中的形态变化进行精确控制是制备优良导电线路的关键和难点。

目前，多采用理论分析与数值模拟相结合的方法对微滴沉积过程中的形态变化进行控制。主要通过建立机织物二维模型，对微滴与机织物碰撞后的铺展和渗透过程进行研究，揭示微滴在织物表面铺展和内部渗透过程中的形态变化规律，从而为打印高质量的导电线路提供理论基础。但是，由于织物基板的组成纱线的纤维细度非常小，扭曲复杂，使得织物表面具有高粗糙度和多孔等复杂特征；而采用平纹机织物二维模型只能描述织物二维横截面上微滴表面铺展和内部渗透过程，分析得到的形态变化规律不准确。因此，建立出与真实织物基本符合，而且能够准确、全面地分析出微滴在织物表面铺展和内部渗透过程中的形态变化规律的模拟方法，是微滴喷射打印成形高质量导电线路亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种平纹机织物的三维模拟方法，具有模拟成型的平纹机织物与实际平纹机织物较为逼近，可以更加全面和准确反映微滴在织物表面碰撞、铺展及渗透过程的形态变化的特点。

本发明所采用的技术方案是，一种平纹机织物的三维模拟方法，基于Pierce理论模型和平纹机织物的SEM图，采用数学建模方法分别建立纱线截面模型、纱线中心线模型以及截面纤维分布模型；在上述模型的基础上，采用三维建模软件建立单根平纹机织物纤维的三维模型，再通过装配得到单胞纱线三维模型；在上述单胞纱线三维模型的基础上，依据平纹机织物的纱线交织规律装配得到平纹机织物三维模型；具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用电子显微镜检测相邻纱线的间距，再通过角度测量仪器测出纱线的交织角，通过图像分析软件测量出纱线中心线的宽度、厚度以及纱线中心线形态的屈曲波高，依据上述特征参数建立平纹机织物纱线中心线模型的计算公式；

步骤2、基于Pierce理论和平纹机织物的SEM图，通过图像分析软件测量出纱线截面的宽度和高度，依据上述特征参数建立平纹机织物纱线截面模型的计算公式；

步骤3、采用电子显微镜得到平纹机织物的SEM图，通过图像分析软件测量出平纹机织物纤维的直径，纤维在纱线截面内以半径相等的圆按层分布，同一层的纤维的圆心分布在一条曲线上；依据上述特征参数建立平纹机织物截面纤维分布模型的计算公式；

步骤4、在上述步骤的基础上采用三维建模软件构建经纬向纤维中心线的二维草图，再扫描得到单根平纹机织物纤维的三维模型，再通过装配得到单胞纱线三维模型；

步骤5、在上述单胞纱线三维模型的基础上，依据平纹机织物的纱线交织规律装配得到平纹机织物三维模型。

本发明的特点还在于：

步骤1中的纱线中心线模型的计算公式如下：

其中，y表示纱线中心线高度，x表示纱线中心线宽度，h表示纱线中心线形态的屈曲波高，X_j表示经纱纱线中心线的宽度。

步骤2中的纱线截面模型的计算公式如下：

其中，C表示纱线截面函数，t表示周期，h表示纱线截面的高度，ω表示纱线截面的宽度，у表示纬向纱线，х表示经向纱线。

若平纹机织物在相互交叉时形状变化较大，则对步骤2中的纱线截面模型进行改进，表述如下：

其中，n表示纱线截面椭圆系数，式中n＝2。

纱线截面为椭圆形。

步骤3中的截面纤维分布模型的计算公式如下：

其中，μ表示纤维体积分数，ρ_x表示纤维的纱线线密度，ρ_w表示纤维的密度，A表示纤维纱线截面面积。

本发明的有益效果是：

本发明的三维模拟方法，在Pierce理论模型的基础上采用了数学建模，分别建立了纱线截面模型、纱线中心线模型、以及纤维分布模型，通过采用电子显微镜得到织物实物并生成SEM图，然后通过图像分析软件测得平纹机织物的特征参数，最后利用三维建模软件装配得到与平纹机织物实物基本符合的三维模型；采用本发明的三维模拟方法进行数值模拟时，可以直观地观察到微滴在三维织物表面发生碰撞和铺展的形态变化过程，其次，通过点迹追踪可以立体地展示出微滴在织物内部渗透的形态变化过程，为连续多颗微滴喷射打印成形导电线路技术的发展提供了重要的理论基础。

附图说明

图1是本发明平纹机织物的三维模拟图；

图2是本发明平纹机织物纱线中心线模型图；

图3是本发明平纹机织物纱线截面模型图；

图4是本发明平纹机织物横截面纤维分布模型图；

图5是本发明单根纬纤维(经纤维)三维模型图；

图6是本发明单胞纱线(纬纱和经纱)三维模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种平纹机织物的三维模拟方法，基于Pierce理论模型和平纹机织物的SEM图，采用数学建模方法分别建立纱线截面模型、纱线中心线模型以及截面纤维分布模型；在上述模型的基础上，采用三维建模软件建立单根平纹机织物纤维的三维模型，再通过装配得到单胞纱线三维模型；在上述单胞纱线三维模型的基础上，依据平纹机织物的纱线交织规律装配得到平纹机织物三维模型；具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用电子显微镜得到相邻纱线的间距(L_j或者L_w)，再通过角度测量仪器测出纱线的交织角α，通过图像分析软件测量出纱线中心线的宽度(X_j或者X_w)、厚度S以及纱线中心线形态的屈曲波高h，依据上述特征参数建立平纹机织物纱线中心线模型的计算公式，表述如下：

其中，y表示纱线中心线高度，x表示纱线中心线宽度，h表示纱线中心线形态的屈曲波高，X_j表示经纱纱线中心线的宽度；

步骤2、基于Pierce理论和平纹机织物的SEM图，通过图像分析软件测量出纱线截面的宽度和高度，依据上述特征参数建立平纹机织物纱线截面模型的计算公式，表述如下：

其中，C表示纱线截面函数，t表示周期，h表示纱线截面的高度，ω表示纱线截面的宽度，у表示纬向纱线，х表示经向纱线；

若平纹机织物在相互交叉时形状变化较大，则对步骤2中的纱线截面模型进行改进，表述如下：

其中，n表示纱线截面椭圆系数，式中n＝2；

步骤3、采用电子显微镜得到平纹机织物的SEM图，通过图像分析软件测量出平纹机织物纤维的直径，纤维在纱线截面内以半径相等的圆按层分布，同一层的纤维的圆心分布在一条曲线上；依据上述特征参数建立平纹机织物截面纤维分布模型的计算公式，表述如下：

其中，μ表示纤维体积分数，ρ_x表示纤维的纱线线密度，ρ_w表示纤维的密度，A表示纤维纱线截面面积；

步骤4、在上述步骤的基础上采用三维建模软件构建经纬向纤维中心线的二维草图，再扫描得到单根平纹机织物纤维的三维模型，再通过装配得到单胞纱线三维模型；

步骤5、在上述单胞纱线三维模型的基础上，依据平纹机织物的纱线交织规律装配得到平纹机织物三维模型。

在本发明一种平纹机织物的三维模拟方法中，步骤1的作用为：

首先，采用电子显微镜得到织物的SEM图，通过图像分析软件测出纱线中心线的宽度、厚度以及纱线中心线形态的屈曲波高；然后通过角度测量仪器测出纱线的交织角，依据上述特征参数基于最小势能原理得到纱线中心线模型的计算公式。其优点在于更加接近实际纱线中心线模型，与实物编织结构更加吻合。

在本发明一种平纹机织物的三维模拟方法中，步骤2的作用为：

采用Pierce理论，其原理是：在假设平纹机织物截面为椭圆形的基础之上，考虑到织物在相互交叉的过程中形状会发生很大变化，对椭圆形截面进行改进在y坐标轴上引入参数n，当n＜1时，椭圆形的圆角部分发生变化类似于矩形；当n>1时，椭圆形类似于透镜形，本文中n＝2。其优点在于更加准确的反映了平纹机织物纱线截面形态。

在本发明一种平纹机织物的三维模拟方法中，步骤3的作用为：

采用了假设-验证的方法，其原理是：基于实物纤维分布SEM图，合理假设纤维的分布情况，并引入纤维体积分数，用纤维的纱线线密度与纤维的密度和纤维纱线截面面积的乘积的比例来表示纤维体积分数。其优点在于排出纤维在纱线受多种因素的影响，简化计算，并且由该方法得到的纤维体积分数更加准确。

在本发明一种平纹机织物的三维模拟方法中，步骤4的作用为：

采用三维建模软件“拉伸”方法，其原理是：用纱线中心线路径代替平纹机织物内单根纤维的屈曲形态，而且在已经测出纤维直径的基础之上，利用三维建模软件的“拉伸”命令，得到单根纤维(经纤维和纬纤维)三维模型；然后，采用三维建模软件“装配”命令，把单根纤维依次通过“配合-重合”命令装配到平纹机织物截面纤维分布模型上。就得到单根纱线三维模型，其优点在于：模型大幅度简化，操作简单，结构准确。

在本发明一种平纹机织物的三维模拟方法中，步骤5的作用为：

采用三维建模软件“装配”方法，其原理是：平纹机织物由经、纬纱按一上、一下的规律交织而成。根据平纹机织物纱线交织规律，综合考虑平纹机织物纱线交织规律和织物厚度，利用三维建模软件的“配合-移动/旋转”命令，得到平纹机织物三维模型。其优点在于，充分考虑了织物交织方式和织物厚度，建模方法简单易懂，得到的三维模型结构清晰，更加准确。

本发明的图1是平纹机织物三维模型图，由图中可知本发明制备的平纹机织物的三维模型与平纹机织物实物SEM图片基本吻合；图2是平纹机织物纱线中心线模型，从图中可知，由最小势能原理得到的纱线中心线几何表达式所构造的纱线中心线模型与平纹机织物纱线编织构造基本吻合；图3是平纹机织物纱线截面模型，由图中可知，基于Pierce理论中提出的纱线截面为椭圆形，与平纹机织物实物SEM对比之后，对椭圆形截面模型进行改进，得到改进后的平纹机织物纱线截面模型为透镜形与实物截面形态更加相似；图4是平纹机织物截面纤维分布模型，从图中可看出纤维总数为24根，分三层分布，依次为3根、9根、12根，故本发明制备的平纹机织物截面纤维分布模型与实物纤维分布完全吻合；图5是单根纤维(纬纤维和经纤维)三维模型，用纱线中心线模型代替平纹机织物内单根纤维的屈曲形态，通过建模软件“拉伸”命令得到单根纤维三维模型，反映了单根纤维的形态变化以及纬纤维与经纤维的形态差异；图6是单根纱线(纬纱和经纱)三维模型，反映了平纹机织物内部纱线的形态变化，以及经纱和纬纱的形态差异，也为后续的数值模拟提供了依据。

Claims (6)

1.一种平纹机织物的三维模拟方法，其特征在于，基于Pierce理论模型和平纹机织物的SEM图，采用数学建模方法分别建立纱线截面模型、纱线中心线模型以及截面纤维分布模型；在上述纱线截面模型、纱线中心线模型和截面纤维分布模型的基础上，采用三维建模软件建立单根平纹机织物纤维的三维模型，再通过装配得到单胞纱线三维模型；在上述单胞纱线三维模型的基础上，依据平纹机织物的纱线交织规律装配得到平纹机织物三维模型；具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用电子显微镜得到相邻纱线的间距，再通过角度测量仪器测出纱线的交织角，通过图像分析软件测量出纱线中心线的宽度、厚度以及纱线中心线形态的屈曲波高，依据纱线中心线的宽度、厚度以及纱线中心线形态的屈曲波高建立平纹机织物纱线中心线模型的计算公式；

步骤2、基于Pierce理论和平纹机织物的SEM图，通过图像分析软件测量出纱线截面的宽度和高度，依据纱线截面的宽度和高度建立平纹机织物纱线截面模型的计算公式；

步骤3、采用电子显微镜得到平纹机织物的SEM图，通过图像分析软件测量出平纹机织物纤维的直径，纤维在纱线截面内以半径相等的圆按层分布，同一层的纤维的圆心分布在一条曲线上；依据平纹机织物纤维的直径建立平纹机织物截面纤维分布模型的计算公式；

步骤4、在上述步骤的基础上采用三维建模软件构建经纬向纤维中心线的二维草图，再扫描得到单根平纹机织物纤维的三维模型，再通过装配得到单胞纱线三维模型；

步骤5、在上述单胞纱线三维模型的基础上，依据平纹机织物的纱线交织规律装配得到平纹机织物三维模型。

2.根据权利要求1所述的一种平纹机织物的三维模拟方法，其特征在于，所述步骤1中的纱线中心线模型的计算公式如下：

其中，y表示纱线中心线高度，x表示纱线中心线宽度，h表示纱线中心线形态的屈曲波高，X_j表示经纱纱线中心线的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种平纹机织物的三维模拟方法，其特征在于，所述步骤2中的纱线截面模型的计算公式如下：

其中，C表示纱线截面函数，t表示周期，h表示纱线截面的高度，ω表示纱线截面的宽度，у表示纬向纱线，х表示经向纱线。

4.根据权利要求1所述的一种平纹机织物的三维模拟方法，其特征在于，若所述平纹机织物在相互交叉时形状变化较大，则对所述步骤2中的纱线截面模型进行改进，表述如下：

其中，n表示纱线截面椭圆系数，式中n＝2。

5.根据权利要求3或4所述的一种平纹机织物的三维模拟方法，其特征在于，所述纱线截面为椭圆形。

6.根据权利要求1所述的一种平纹机织物的三维模拟方法，其特征在于，所述步骤3中的截面纤维分布模型的计算公式如下：

其中，μ表示纤维体积分数，ρ_x表示纤维的纱线线密度，ρ_w表示纤维的密度，A表示纤维纱线截面面积。

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