（机械设计及理论专业论文）织物悬垂性能的研究及模拟.pdf

塑塑壁堂堕堡堂垡笙壅! 型星塑 摘要 织物的悬垂性能是织物由于受到地球引力的作用而具有的一种性能。悬垂性能的好 坏，真接关系到服装能否形成优美的曲面造型，能否与人体很好地贴合，能否给人带来视 觉上的美感。 对织物悬垂性能的测试般使用y g - 8 1 1 型织物悬垂仪。它是基于光电投影原理，但 由于受到织物透光的影晌，测得的悬垂系数误差较大，而且获得的指标单一。因此，本课 题采用t e c h d i g 取点软件，从悬垂图像中获取织物的悬垂轮廓，并记录各点的坐标值。利 用o r i g i n 软件强大的数据分析功能提取评价织物悬垂性能指标的参数。 本课题完成的主要工作包括： 1 ，针对目前织物悬垂性能测试方法的缺陷，应用实验室自行研制的织物悬垂性测试 仪，对织物的动、静态进行了悬垂性能测试，并对测试的初始条件进行了研究。 2 对提取的1 6 个指标进行主因子分析，将表达织物悬垂性能的1 6 个指标综合为4 个 因子，对织物悬垂的评价体系进行了简化。对用数码相机获取织物的悬垂图像引起的透视 误差进行补偿。 3 用激光扫描的方法获取织物的三维悬垂形态，采用逆向工程的软件r a i n d r o p g e o m a g i cs t u d i o 对扫描结果进行处理。得到比较均匀数据量不大更有利于成形的点云文 件。将该文件利用u n i g r a p h i c s 软件提取其纵向悬垂轮廓曲线并对其进彳亍函数拟合。 4 通过对织物数字化模拟的研究，根据织物的力学性能可以预测其悬垂性能，悬垂 形态可以用周期性正弦函数r = p + q x5 加r 月p j 来表示。本文对3 9 种不同利，类的织物从测 试得到的织物悬垂轮廓曲线入手，应用周期性正弦函数对其进行拟合。研究发现由于门：多 织物的经纬向性质差异较大，这时其悬垂形态是非对称的，每周期p 、口、7 的数值就不尽 相同，而应取变量值。 与传统的基于光电投影原理的测试方法相比，该测试系统可以得到般织物悬垂仪 昕测得的所有指标，能够更全面地评价织物的悬垂性能，且具有较高的精度。本课题又对 织物悬垂的动态特性及三维形态进行了研究，对织物悬垂特性做了较全面的分析。 【关键词】 悬垂特性 悬垂仪三维测量 织物 堑兰：! ：型堂堕堡堂堡堡塞 a b s t r a c t t h ef a b r i cd r a p ef e a t u r ei st h ec a p a b i l i t yt h a tp o s s e s s e sb e c a u s eo ft h ee a r t h g r a v i t a t i o n w h e t h e rt h e f a b r i cd r a p ef e a t u r ei sg o o d ，d i r e c t l yc o n c e r n st h a t w h e t h e rt h ec l o t h i n gc a l lf o r mt h eg r a c e f u lc u r v e ds u r f a c em o d e l i n g ，a n dw h e t h e r c a nj o i n th u m a nb o d yw e l l ，a n dw h e t h e rc a nb r i n gt h ea e s t h e t i c f e e l i n go nt h e v i s u a is e n s e t h et e s to ff a b r i cd r a p ef e a t u r eg e n e r a l l yu s e sy g - 811 d r a p em e t e rw h i c hi s b a s e do nt h es m o o t he l e c t r i c i t yp r o j e c t i o nt h e o r y b u tb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo f l i g h tp e r m e a t i o np r o p e r t yw i t hf a b r i c ，t h ee r r o ro fd r a p ec o e f f i c i e n ti sg e n e r a l l y l a r g e ，a n di n d e xg a i n e da r eu n i t y 。t h e r e f o r et h es o f t w a r eo ft e c h d i g w a su s e dt o g a i nt h eo u t l i n eo ff a b r i cd r a p ef r o md r a p ei m a g e e a c hd o t sc o o r d i n a t e v a l u ew a s r e c o r d e d t h ep a r a m e t e rf o re v a l u a t i n gf a b r i cd r a p ep e r f o r m a n c ec a nb et a k e nw i t h t h es o f t w a r eo fo r i g i nw h i c hh a st h ep o w e r f u lf u n c t i o no fd a t aa n a l y s i s t h em a j o rw o r kt h a tt h es u b j e c tw a sa c c o m p l i s h e di n c l u d e s 1 b a s e do nt h es h o r t a g e so ft e s tm e t h o d se x i s t e df o rf a b r i cd r a p e ，d r a p et e s t w a sb e e nc a r r i e do ni nd y n a m i ca n ds t a t i cs t a t ew i t ht h ea p p l i c a t i o no fd r a p em e t e r m a d ei no u rl a b o r a t o r y t h ep r i m a r yc o n d i t i o nw a sr e s e a r c h e di nt h es u b j e c t 2 16i n d e x e sg a i n e di nt h et e s tw e r ea n a l y z e dw i t hm a y o rf a c t o r ，a n dw a s c o l l i g a t e di n t o4f a c t o r s 。t h ee v a l u a t i o ns y s t e mf o rf a b r i cd r a p ew a ss i m p l i f i e d t h ee r r o rc a u s e db yt a k i n gd r a p ei m a g ew i t hd i g i t a lc a m e r a lw a sc o m p e n s a t e d 3 f a b r i cd r a p e3 ds h a p ew a sg a i n e dw i t ht h em e t h o do fl a s e rs c a n t h er e s u l t w a sd e a l i n gw i t hb yt h er e v e r s ee n g i n e e r i n g s o r w a r eo fr a i n d r o pg e o m a g i c s t u d i o t h ec l o u df i l ew a sg a i n e dw h i c hw a sf a i r l ya n ds m a l la n ds h a p i n ge a s i l y i i 浙江工程学院硕士学位论文 t ot h ef i l e ，w eu s et h es o f t w a r eo fu n i g r a p h i c st ot a k et h ed r a p eo u t l i n ec h iv ei n p o r t r a i t ，a n dt h e nu s et h ea p tf u n c t i o nt os i m u l a t ei t 4 a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hf o rf a b r i cd i g i t a li m i t a t i o n ，d r a p ea b i l i t yc a l lb e c a l c u l a t e dw i t hf a b r i c s m e c h a n i c sc a p a b i l i t y d r a p es h a p ec a nb ee x p r e s s e d b yt h e f u n c t i o no fp e r i o d i c i t ys i n ef u n c t i o n r = p + q xs i n ( n o ) t h et h e s i ss t a r t sw i t ht h e s i m u l a t i o nt ot h ed r a p eo u t l i n ec u r v eg a i n e df r o mt h et e s to f3 9k i n d so ff a b r i c si n a p p l i c a t i o nw i t ht h ep e r i o d i c i t y s i n ef u n c t i o n t h er e s u l t sf i n do u tt h a tb e c a u s e s o m ef a b r i c sl o n g i t u d ea n dl a t i t u d en a t u r ed i f f e r e n c ei sv e r yl a r g e ，t h ed r a p es h a p e i su n s y m m e t r i c a l ，t h ev a l u eo fp 、q 、ni ne a c hp e r i o da r e n te x a c t l yi d e n t i c a la n d s h o u l dt a k et h ev a r i a b l ev a l u e 。 i nc o m r l a r i s o nt ot h et r a d i t i o n a lt e s t m e t h o dw i t ht h et h e o r yo fs m o o t h e l e c t r i c i t yp r o j e c t i o n t h et e s ts y s t e mi nt h et h e s i sc a ng e ta l m o s tt h ew h o l ei n d e x e s a n dc a l le v a l u a t ed r a p ea b i l i t ym o r ec o m p l e t e l y ；f u r t h e r m o r e i th a st h eh i g h e r d r e c i s i o n t h er e s e a r c hs t i l lh a sb e e ni np r o g r e s st od y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n d t h r e e - d i m e n s i o n a lm o r p h o l o g y ，t h ef a b r i cd r a p ep r o p e r t yh a sb e e na n a l y z e dm o r e o v e r a l 】 k e yw o r d d r a p e f e a t u r e d r a p em e t e r t h r e e d i m e n s i o n a lm e a s u r e f a b 。i 。 i i i 浙江工程学院硕士学位论文 第一章织物悬垂性能研究概述 在人们的同常生活中，织物随处可见，服装更是占据着衣食住行的重要之席。随着科 学的不断发展，信息产业化的不断的深入与拓宽，和人们生活息息相关的传统产业也逐渐 走向信息化，自动化。织物悬垂性是个评价织物外观风格的重要指标。 织物的悬垂性是指在悬垂状态下，受织物本身重量和刚柔程度等影响而表现的下垂特 性，它是影响织物视觉美感的一个重要因素。目前，随着人们对服装美感的不断追求，以 及新型纤维面料的阃世，对于织物悬垂性能的研究已变得越来越重要。如何才能实现全面、 客观地评价织物的悬垂性能，已成为多年来国内外许多学者所研究的课题。 各国学者对织物悬垂性能的研究方向概括起来主要有以下两个方面： 1 1 悬垂性能测试方法的研究 对于织物悬垂性能的测试主要采用织物悬垂性钡试风格仪。目前，国内外也有很多的 单位与企业在织物悬垂测试仪上进行了很多的研发“3 ，其基本原理都是伞式悬垂法。他们 大都基于织物的二维悬垂性测试，且大部分只能进行织物静态的悬垂性测试，不能全面客 观地评价织物的三维悬垂形态n 1 。下面就国内的几种测试仪器简单地介绍一下他们的测试 方法和特点。 ( - - )y g 8 1 1 型织物悬垂测试仪日 y g 8 1 1 型织物悬垂度测试仪是目前在我国应用较为普遍的一种测试仪器。该仪器采用 光电转换的原理，利用抛物面反射产生平行光，通过收集平行光束的遮光量度，计算悬垂 系数。如图1 1 所示，将织物试样1 放置在圆盘支柱2 上，织物边缘自由下垂，支持柱2 的下方装有抛物面反光镜3 ，点光源4 位于抛面镜的焦点上，由反光镜射出的一束平行 光照射在织物试样上，因织物下垂的程度不同，对光的遮挡能力也不同，悬垂性能好的织 物遮挡的光线较少；反之，悬垂性能较差的织物遮挡的光线较多a 未被遮挡的光线又被位 于上方的另个抛物面反射镜5 反射，而在反射镜的焦点上装有一个光电管6 ，把反射聚 焦光线的强弱变成电流的大4 、，再用悬垂系数的大小来表示a 与传统的剪纸称重法和描图求积法相比虽然有较多的优点，但该测试系统在实际应 用中发现存在以下缺陷”。： ( 1 ) y g 8 1 1 悬垂仪系统是将测试试样视为不透光的黑体，但实际中织物总是或多或 少有一定的透光性，尤其对于较薄的织物。因此，遮光量度计算结果有较大偏差； ( 2 ) 织物的悬垂形状对悬垂系数计算有较大影响，而y g 8 1 1 悬垂仪系统通过投影面 一塑翌三堡兰堕堡主堂垡堡苎 积方法不能真实反映出悬垂形状，存在不可避免的计算误差； ( 3 ) y g 8 1 t 悬垂仪只能得到一个悬垂系数指标且只适用于静态测试，不能全面地评 匕砷 需 一k 图1 1y g 8 1 1 织物悬垂性测试仪原理 价织物的悬垂性能： ( 4 ) 由抛物面反光镜形成的平行光，沿圆形试样不同半径和不同方位上，存在着光 强分布不均，给测定结果带来一定误差，而且这种误差随织物悬垂形状的不同而不同； ( 5 ) 仪器的四波纹成形机构对某些织物( 如对较柔软的织物) ，并不能保证形成四波 纹形态出于形态的不同，加大了光强分布不均匀所引起的测量误差。 ( 二) l f y 一2 1 a 型电脑织物动态悬垂仪睛1 l f y - 2 1 a 型电脑织物动态悬垂仪在功能上、测量原理上、指标上都较原有的仪器和方 法有了较多的改进和发展，基本上能满足全面评价织物悬垂性能的要求，是当莳测定织物 悬垂性能比较理想的仪器和方法。该仪器有以下的优点： ( 1 ) 仪器用红外光电扫描方法，对悬垂试样的曲面投影面积，纵横分割，逐点扫 描，并通过数据处理。直接打印出所需的悬垂指标，如图4 所示，克服了光投影式悬垂仪 的一些基本缺点，减少了误差，提高了测量精度： ( 2 ) 仪器的支持台可分别以慢速( 6 r m i n ) 和快速( 2 4 “m i n ) 的不同速度回转，以模拟静 态和动态，并以静、动态下投影面积的变化率来反映悬垂曲面的活泼性，用柬评价织物在 动念下使用的悬垂美感； ( 3 ) 仪器可直接记录打印出悬垂曲面轮廓曲线形状，并直接计算打印出反映悬垂形 态美感的指标悬垂美感系数和波纹数。 但是也存在以下不同的缺陷： ( 1 ) 利用激光逐点扫描在慢速的时候会花费太多的时洲，这样织物发生孀交可能引 浙江i 程学院硕士学位论文 起较大的测量误差。也存在环境如风和人为走动带来的因素的影响； ( 2 ) 利用激光扫描在快速的时候，数据的传输也是一个不得不面对的问题。激光扫 描的数据量大，数据的传输可能造成疏落或堵塞造成死杌； ( 3 ) 由于采用了激光扫描，可能造成仪器的成本过高。而此类仪器应用的量不大， 这样不适应于产业化投入： ( 4 ) 织物动态悬垂形态的测试效果也不是很理想。 ( 三) z y f i 型织物悬垂性测试仪如1 周华、沈毅等人开发了一种全自动测试织物静动态悬垂性能的仪器l f y 一2 1 a 。如图 1 z 所示。该主机由c c d 图像传感器、旋转式试样平台、可升降试样托板、平行光源导槽 组成一体化箱式结构。该仪器的最大特点是能够多织物进行动态测试，提出移动台悬垂系 数和活泼率来表征织物的动态悬垂性能。但是动态时转速仅6 0 r m i n ，而且仅在这一恒定 转速下，织物达到的是一种准静态的悬垂性测试。无法真实反映织物在运动过程中所表现 的悬垂性能。 圈1 2z y f - - 1 型织物悬垂性测试仪 织物悬垂性研究经过几十年的发展，目前国内外已存在多种织物悬垂性测试仪。其应 用原理与方法、测试的评价标准以及适用的纺织品也各不相同【2 2 j 。经过研究和分析- 我们 发现现有织物悬垂性测试仪普遍存在以下不足： 不能客观地反映织物悬垂的三维信息和动态特性 对于织物的静态悬垂，目前的测试方法中，用的最多的是伞式投影法。目前研究的焦 点就是如何来开发一个测试系统能够全面反映织物悬垂的三维特性。随着纺织工业的蓬勃 发展由超细纤维等高性能纤维材料开发的轻、薄、柔面科不断出现，这些面料的很大优 点就是它的动态悬垂美感，可是在织物动态悬垂的理论和测试方法领域的研究基本上是一 片空白。直到1 9 9 7 年，g k s t y l i o s 和r z h u 研究了织物的动态悬垂的测试方法a 在 1 9 9 3 年徐军博士曾在这方面作过一些相关的探讨，研究了织物在不同旋转速度下的悬垂行 一一 塑坚王堡堂堕堡主兰焦笙茎 为，并在理论上做了初步的探讨，提出了一个特征矢量( f e a t u r e v e c t o r ) 的指标来表示织物 动态悬垂的大小。但是仍存在很多的问题。 1 2 织物悬垂性能的数字化模拟的研究 八十年代以来，随着计算机软硬件技术的不断进步，对于织物变形形态的模拟仿真一 直是计算机图形学领域内的一个研究的热点。模拟仿真技术是指遵循相似原理( 几何、环 境及性能相似) ，用模型( 物理模型或数学模型) 代替实际系统进行试验和研究。州其基本 方法是建立合适的织物力学结构模型。然后利用力学理论进行推导，从而预测出该织物的 悬垂效果。基于一般织物物理行为的计算机仿真，其目的是使仿真的效果与实际织物的悬 垂效果尽量接近并利用三维悬垂效果显示款式的美观性。织物模拟仿真技术的研究起步较 晚，但发展较快。目前，计算机图形学家和纺织学家针对该技术分别从不同的角度，采取 了多种方法进行研究，并取得了许多成果。 1 2 1 研究概况 织物模拟仿真技术的过程主要涉及织物仿真模型的建立；2 d 一3 d 的转换：为了获得真 实感较强的图像还要考虑碰撞检测与光照处理。其中，织物仿真模型的建立作为织物模拟 仿真技术研究的基础，其发展历史具有代表性意义。用于建立织物模拟仿真模型的方法很 多，这些方法主要可以分为：几何方法、物理方法和混合方法等三种凹3 ，下面逐一对其进 行介绍。 基于几何特性的建模方法 早期的研究工作主要集中于基于几何特性的建模方法。这些方法不考虑织物的物理特 性，而是着重于其几何表象，使用数学函数式来模拟织物的复杂变形形态。w e l l 。1 于1 9 8 6 年最先提出了采用余弦曲线及其几何变换模拟悬垂布料。这种方法可以模拟出带有悬垂性 和折皱性的织物，由于没有涉及到复杂的数字计算，因而其模拟速度较快。之后，a g u i ”3 以及n g 1 等采用纯几何变换模拟了一些特殊情况下的仿真。h i n d s “2 1 等提出了一个交互 式的三维设计系统，允许设计师直接在人体上进行服装设计。 基于几何的织物仿真技术仅仅注重织物的外在表现形式，不注重反映织物的物理属 性，而且还常常要求一定程度的用户交互操作。从某种意义上讲，它更像是一种高级的绘 图工具。其优点在于模拟速度快。 基于物理特性的建模方法 物理方法是根据运动学原理，给出质点间相互作用产生的形变关系，得到偏微分方程， 塑鎏三堡堂竖堡主堂垡堡奎 然后采用数值方法求解方程，确定在时间序列中的空间运动状态，最终得到织物随时自j 变 化的空间的表现。 近年来，三维柔性织物的模拟仿真技术主要采用基于物理特性的模型方法，它是一种 具有潜在优势的三维造型和运动模拟技术，尽管计算复杂度很高，但由于能够逼真效果， 因而得以广泛发展。 对织物的物理描述一般从其受力和能量角度出发，将其划分为力法和能量法。 基于能量的建模技术主要利用能量最小化原理，以织物的能量为目标函数，以织物自 身为约束条件，并结合外力产生的影响，采用最速下降法( s t e e p e s t d e s c e n t a l g o r i t h m ) 或 其优化方法求解具有晟小能量的柔性织物形态。能量法适用于织物的静态模拟。采用能量 法模拟织物的代表性研究工作包括： 1 质点网格模型：f e y n m a n 如提出采用能量最小化原理模拟织物的悬垂效果，他用 2 d 网格来表示3 d 空间中布料。布料的网格质点p i , j 同其周围的八个质点相关联，由弹性薄 板原理导出其能量公式。其中能量最小化的求解采用了最速下降法。质点网格模型模拟结 果不如弹簧质点模型逼真，反映织物特性的能力也较弱； 2 粒子模型：b r e e n 4 1 提出将整个织物用经线和纬线分割成一个个网格，网格的交 点看成一个个粒子，整块织物实际上是相应的粒子集合，在模拟织物的悬垂过程中，粒子 和粒子之间，粒子和周围环境之间存在相互的物理作用； 3 o k a b e 等3 研究开发的系统称为服装可视化系统。首先将二维服装样板映射到三维 的人体上模型上，形成粗略符合人体模型的三维结构，为了加入真实织物的悬垂褶皱效果， 系统将织物的物理机械性能化为能量方程，以人体模型为限制条件，以空间各点能量最小 进行大变形预测，进而显示出平衡状态下服装应有的自然三维形态。采用可变系数梯度法 ( a d a p t i v ec o e f f i c i e n tg r a d i e n tm e t h o da c g m ) 确定最小能量状态。 基于力的柔性织物模拟技术是对质点进行力或能量的分析，运用动力学理论，建立质 点系运动的微分方程，在通过数值求解微分方程，确定质点在时间序列中的运动轨迹，从 而获取织物的空阃动念。采用基于力的仿真技术能更好地表现柔性织物的空闯动感。适用 于织物的动态模拟。基于力的织物模拟技术，比较有代表性的研究工作有： 1 弹性体模型t e r z o p o u l o s 1 等人应用弹性力学中的薄板弹性变形方程，提出了一 个通用的弹性变形模拟。该模型采用了拉格朗日运动学方程描述了变形体的机械运动。为 求解方程，t e r z o p o u l o s 等采用了半隐式的数值求解方法。即，在空间域，将连续系统转化 为基于质子一弹簧的离散结构：在时间域，运用有限差分法求解系统方程。事实上，通过 浙江。【程学院硕士学位论文 选用一定形式的非线性弹簧，质予一弹簧系统6 1 7 1 可以近似等同于连续系统，达到和连 续系统同样的模拟效果。因而弹性形变模型成功地模拟了织物等一系列变形曲面； 2 质子一弹簧模型：p r o v o t “8 “们提出了经典的质子一弹簧模型。该模型约束下 的柔性织物被离散为规则的四边域网格，网格交点为质子，质子与质子之间以弹簧形式相 连。运用牛顿运动定律，列出质点的运动方程，由于用线性的弹簧形变模型模拟非线性的 织物受力形变，会出现失真现象p r o v o t 采用了基于反演动力学的直接修正法，调整弹簧 的拉伸率，解决了这个问题。质子运动方程的计算采用的是显式e u l e r 方法。p r o v o t 的方 法对模拟小规模的简单织物非常有效，在不考虑碰撞检测的情况下，虽然只能选择小步长， 但由于计算简单，所以计算效率高，速度快，几乎达到实时的效果，不足之处是模型不够 精确。无法真正表现织物的物理性能，对大规模的织物仿真计算效率低。 能量法和力法并无严格区分，实际上，研究过程中两方面是共同考虑的。 除了以上基于力法和能量法的物理建模方法，近几年，一些图形学家提出了基于有限 元方法的模型，从连续介质的本质上计算织物的变形，而其他些模型多是一种相类似的 比拟。因而该模拟的效果更加逼真，并且效率大大提高。但是有限元方法目前正处于起步 阶段，在国内外的研究还较少，主要原因是其研究具有高度的复杂性。有限元模拟织物悬 垂，计算耗时较多。其次在有限元中存在单元选择、补偿控制、非线性方程组求解、矩阵 存储、应力计算转换等问题，计算结果的后期处理直接涉及变形的逼真程度。但从整体上 看，该方法最有希望准确表达织物变形，有效表达材质特点，是一项极具挑战性的问题 具有高度的非线性。 基于物理的织物仿真技术由于卷入了大量的偏微分方程计算和为寻找最小能量而 引入的多步迭代进程，都使他们在动态仿真模拟中较其他技术费时，但由于基于物理的织 物仿真技术- - f 以直观地表现织物特性的参数。因而在织物的真实感仿真和动画模拟上较其 它技术具有更好的仿真效果。 基于混合特性的建模方法 基于混合特性的建模方法是几何方法和物理方法的结合。往往在图形生成或模拟的 过程中，先用几何方法来决定模拟织物的大概轮廓，再以物理方法来定义更精细的结构， 从而获得逼真、快速的图形。在这方面有代表性的工作为：r u d o m u n ，t a i l l e f e r 等，t s o p l e a s d h a n d e 等和k u n ii 等沁。2 2 ”1 。 ( 1 ) r u d o m u n 将面料裹在对象上以确定对象的外凸轮廓，再用几何算法将其映射为2 d 空制图形，从新计算面料图形内的点以获得3 d 的面料轮廓，由此得到近似悬垂的形状，再 浙江下程学院硕士学位论文 用t e r z o p o u l o s 变形模型精化最终形态； ( 2 ) t a i l l e f e r 将褶皱归纳为两类：垂直褶皱和水平褶皱。象w e i l 一样先用悬垂线拟 合，只是增加了许多来自拉伸能、弯曲能、重力势能和自排斥能等物理约束，而不是仅有 的几何约束，他的工作只限于悬挂的面料，可以视为w e i1 的延伸； ( 3 ) t s o p l e a s 主要利用混合技术模拟褶皱的生成，也首先利用薄壁变形理论分析织 物的受力，然后通过在弹性点上利用非均匀b 样条进行插值来构造曲面； ( 4 ) k u n i i 首先用弹簧连接结点构成的网络模拟面料并定义了两种能量：度量能量和 弯曲能量，用梯度下降法寻找并求解最小能量状态，并由此给出模拟的初步形态，在这一 步之后，用奇异理论( s i n g u l a r i t yt h e o r y ) 表征褶皱的起因，确定并连接特征点以形成 褶皱，并用正弦曲线构造褶皱曲面。在褶皱加上之后，在运用能量最小化技术经化最终状 态。他的算法对于特征点的确定未形成明确规则，而且未考虑面料与衬垫物问相互作用。 就目前出现的混合技术来说，还仅仅是初级阶段，他们无论是在织物模拟范围来说， 还是在几何和物理技术来说，都远没有达到人们所预期的目标。 1 2 2 存在的问题及发展趋势 从国内外对织物仿真技术的研究状况，我们可以对其存在的问题和发展趋势略见一 斑。由于柔性织物本身的物理机械性能非常复杂，其材料的多样性、结构和复杂性、形状 的不规则性都给织物的造型和动态仿真带来很大的困难。到目前为止，虽然人们在这方面 展开了很多工作，柔性织物模拟仿真技术却仍处于研究阶段，无法真正满足实际应用的需 要。在这一领域中，还存在许多亟待解决问题。包括： 1 尽管大量的试验给出了精确的织物变形参数，但不同方向，不同性质的力涉及不 问的形变规则，如何对这些参数进行总结分类，采用一种简单的模型概括所有的形变规则， 是难点问题；“” 2 对于基于物理的柔性织物模型，计算要涉及微分方程的数值求解，现有方法或简 单但精度低，稳定性差，或满足精度和稳定性的要求，却过于复杂，不利于计算机求解， 如何平衡精度，稳定性和计算复杂性这三者的关系，找出最有求解方案，也是目前柔性织 物动态方针领域中的热点问题； 3 碰撞检测是阻碍柔性织物动态仿真实时性的重要因素，也是计算机动画领域的经 典问题。由于织物通常表示为一张网格曲面汹1 ，该曲面由成百上千生个网格质子构成，曲 面在空间运动形变，彼此没有严格的约束，因此必须进行大量的碰撞检测计算以避免织物 在运动中产生自身及周围物体之间的渗透。碰撞检测要消耗大量的内存和计算时例； 7 浙江工程学院硕士学位论文 4 对于大型柔性织物的动态仿真，例如三维服装c a d ，由于服装的几何售息量大，单 纯采用基于物力的造型技术，计算开销大，时间长，无法满足交互式设计和实时仿真要求， 如何利用几何造型，提高效率，优化计算，实现交互式设计，也是值得研究的方向之一： 5 开拓新的织物变形仿真领域不周形态的织物服饰、不同条件下的变形研究是一 个有待开拓的领域，譬如双层、多层服装及褶皱服装等的变形研究； 6 努力发展有限元模型有限元模型的难点在于真实的本构关系的获取和大变形菲线 性的处理，但是工程界在这方面已经积累了许多经验；另外，有限元的动态模拟也是个 有待研究的空白点，该技术原则上没有大的困难我们有理由期待有限元模型在织物变形 模拟中起重要作用。 基于以上几点，目前研究者通常首先要裰据不同的应甭特点，选择合适的模型，然 后从多优化微分方程求解方法等方面对柔性织物模拟仿真技术展开研究。 综上，我们从织物悬垂性能的测试方法及模拟仿真两个方睡对悬垂性能的研究傲了 概述总结。本课题应用实验室自行研制的织物悬垂性测试仪进行悬垂性能的测试，并对测 试结果进行分析。采用激光扫摇的方法获取织物三维信息，用u n i g r a p h i c s 软件提取织物 悬垂的纵向轮廓曲线并对其进行函数拟合，意在探索其满足的函数关系方程。对于织物悬 垂性能的仿真研究，许多学者采用周期性的正弦函数来模拟织物的二维悬垂形态，本课题 通过对3 9 种机织物试样的研究，初步探讨了用该公式模拟织物悬垂形态的可行性。 浙江 程学院硕士学位论文 第二章织物悬垂性测试的过程及方法 对织物悬垂性能的测试主要借助于织物悬垂性风格仪。织物悬垂仪的研发，在国内外 早有一定的发展，但这些仪器通常只能测试织物的静态悬垂性能。本课题采用的织物悬垂 性测试仪，其基本思路是能够覆盖现有测试仪器的基本功能，对于现有测试系统没有完成 或者有待改善的功能，在本澳4 试系统中能够得到解决。 2 1 悬垂测试仪的基本构思 本j 9 1 | | 试仪器采用国际通用的伞式法来测试织物的悬垂，其基本构思如图2 。l 。如该图所 示? 首先把一个点光源放在一个抛物面的焦点上，光源发出的光线经过抛物面的反射就可 以变成垂直向上的平行光，我们在中间加了两道光栅。用于过滤不平行的光线部分，然后 经过4 5 。反射锥面的反射转换成水平的平行光投影在织物试样上，在试样的表面形成明暗 相阃的等高光栅条纹。通过数码相机或是c c d 摄像头，获取织物曲面的二维投影曲线图。 最后，通过图像处理技术，分离出各条等高光栅线条纹形成的曲线，即织物的等高轮廓线。 由于我们的光栅有一定的间距，通过一定的坐标变换可以分别将各投影曲线返回原有的立 体空间位置，从而得到织物的三维悬垂形状。 为保持试样放置的随机性和减少人为因索带来的误差，设计一个可以控制的升降托板， 来实现试样的自然下垂，这样更接近它自然的悬垂形态。 数码相机或 c c d 摄像头 日 扩| 、厂 7 v 夕 f 争 厂 ii il ii 、 扫础 ，9诌然 圭 虻| 形一 士 弋 一 7 弋= 、 一多 7 手7 。蕊7 p 、心 图2 1 悬垂仪基本构思 9 - 一塑鲨三堡兰些堡主堂焦丝壅 2 2 悬垂溺试仪的测试原理 如图2 2 是织物悬垂性测试仪的工作原理图，其中：( 1 ) 试样旋转反射锥台步进电机： ( 2 ) 电光源；( 3 ) 步进电机；( 4 ) 环形抛物面；( 5 ) 升降平台步进电机；( 6 ) 光栅模板： ( 7 ) 环形反光面：( 8 ) 托盘、( 9 ) 操作平台；( 1 0 ) 图像采集器。 9 j 、 、，、 、j 。、0 。“。 圈2 2 织物悬垂性测试仪i ：作原理图 本仪器是通过下列方案来实现织物悬垂性能的测试的：该装置采用点构造光光源，通 过环型抛物面镜，将点光源发出的光反射成平行光，再由两个平行的光栅模板构造等商光 栅并滤去杂光；环型圆锥反光镜将平行光照射到三维织物表面，使碍在三维织物表面形成 平行的均匀光栅。光栅模板上n 个光栅条纹分别投影到全视场空闯，由图像采集装置摄取 物体在这些模板投影下的光栅图像。 步进电机l 通过主传动轴传递动力，可以使锝织物、测量圆台机器上的附属部件绕主 轴旋转。电机的转速为l2 0 0 f r a i n ，且均匀可调。步进电机3 通过两对齿轮副传动，使得 升降托盘可以沿主轴上下平动。当开始测量时，将圆形织物试样平放在托盘上。启动电机 10 i。o江 浙江上程学院硕士学位论文 3 ，使得托盘缓慢均匀下降，织物自然下垂。电机5 有一对齿轮副和一对螺纹副构成的传 动装置，将电机的转动转化为圆锥反光镜的上下均匀移动，这样在织物的三维表面形成的 光栅也随着上下均匀移动，从而实现织物三维表面的全场测量。 如图2 3 是织物悬垂性测试仪的外观图。测试时，将直径为2 4 0 r a m 的圆形织物试样放 置在直径为 2 0 r a m 的圆柱形支持台上，试样的边缘在其重力下自然下垂形成流线型的悬 垂形态。步迸电机带动小圆盘旋转，完成悬垂测试的初始化。点光源发出的光线透过两组 平行光栅垂直照射到悬垂的织物三维表面上，形成明暗相问的光栅条纹。用与计算机相连 接的数码相机垂直拍摄织物的动静态悬垂图像，从而获取悬垂信息。 图2 3 悬垂仪外观圈 不同的织物由于其物理机械性能不同，悬垂形态也不尽相同。一般说来，比较硬挺的 织物，其悬垂形态的投影面积比较大，悬垂性能较差；反之，比较柔软的织物投影面积比 较小。悬垂性能也较好。 浙江工程学院硕十学位论文 第三章 织物悬垂评价体系的建立及动态测试的研究 对于织物悬垂性能的研究，本章从织物悬垂的不稳定性研究入手，通过步进电机的 正反旋转，消除了由于初始条件的不同而带来的织物悬垂形态的不稳定性影响。建立了织 物悬垂性能的评价体系，并对织物动态悬垂特性进行了研究。 3 1 悬垂形态的不稳定性研究 由于织物内部纱线与纤维之间的摩擦，使得织物在受到微小的外力变形后不能恢复， 织物这一独特的力学特性使得织物在重力作用下的悬垂形态是不稳定的，受初始条件和织 物本身力学特性的影响，初始条件不同，同一块织物的悬垂系数有很大的差异。因此，在 织物悬垂性能的测试中，初始条件的确定显得非常重要。本小节主要对织物悬垂形态的不 稳定性进行研究。 3 1 。1 悬垂形态的不稳定性 文献 2 6 的研究表明：织物悬垂系数的离散程度与表征织物内部纱线与纤维之间 的摩擦指标有关，在k e s 织物风格测试系统中用单位重量织物的弯曲滞后来表示，即 ? 舳( 其中，h b 为弯曲滞后，w 为平方厘米克重) 越大，织物内部纱线间的摩擦也 越大，织物悬垂形态的不稳定趋势也越大，所得的表征织物悬垂指标的波动也越大。另外， 还指出了织物在测试前，除重力外不施加任何其他因素，则织物的悬垂形态几乎没有波动， 试验的重复性最好。测试结果与力学指标是相互独立的。因为2 瑚渺表征的是织物受 微小外力后的恢复能力。如果没有外部影响因素，就谈不上恢复。但是在实际的测试过程 中，要保证所有测试试样的测试初始条件不受任何外部因素的干扰却又是非常困难的。例 如：测试前总是要用手把织物试样放到支撑台上，不可避免手的接触就是一个很难克服的 外部因素。所以，考虑外部因素的介入，同一块织物试样其悬垂形态达到稳定以后，可能 会出现多种悬垂形态，这主要表现在织物的波纹数、悬垂面积、悬垂长段短半径等方面的 差异。 为弄清织物试样的悬垂系数随着其悬垂波纹数的变化而变化的程度，如图3 1 ，我们 选取不同类别的4 种织物，采用自由放置的方法研究同一块织物试样悬垂时不同波纹数对 应的悬垂系数。试验表明，虽然是同一块织物试样由于织物悬垂波纹数的不同织物的悬垂 系数也会有变化。悬垂系数重复测试的误差在1 , 8 4 9 7 5 ，试验的再现性比较低，而且 不同种类的布料这个误差也不同。 塑望三堡兰堕堡主堂垡笙苎 根据以上分析我们得出，如果不消除织物初始条件的影响，织物悬垂形态测试的重 复性会大大降低，对应的表征织物悬垂性的评价指标也会有很大的波动，更不能真实地评 价织物悬垂的特性。 5 0 4 5 4 0 水弘 正3 0 2 5 2 0 1 6 d 2 4 681 0 波纹数n 图3 1 波纹数与织物悬垂系数之间的关系 3 1 2 测试初始条件的解决 为了解决测试的初始条件所带来的不稳定性因素，根本的途径是排除初始条件的影 响。但是初始条件是系统的偶然误差，它是根本不能完全避免的。所以目前的测试仪器大 都通过统一初始条件的方法来减小初始条件对测试的影响。例如国内经常使用的y g 8 11 织 物悬垂性测试仪，是通过一套复杂的机械结构，将试样放置在测试台上后，上下均匀抖动 三次后实现的。这一解决办法大大降低了悬垂测试的结果波动，但是由于抖动的初始外力 是由试验者施加的，所以施加外力的大小以及每次腌力的均匀程度都影响最终的悬垂形 态，所以这种解决方案在大大提高测试重复性的同时又弓l 入了一个新的不稳定因素。 本测试系统的解决方法是：通过步进电机的正反转来实现的。具体方法是：测试前， 升降托盘与试样支持台平齐，将织物试样平整地放在升降托盘与支持台构成的平面上。首 先启动升降托盘的步进电机使得托盘下降，从而使试样边缘在自重下自然悬垂，当运动到 测试的位置停止。然后缓慢启动控制主轴的电机均匀加速，织物在主轴的带动下旋转。当 加速度达到最大时候速度达到最大值( 2 0 0 r m i n ) 持续运动3 m i n ，再均匀减速到0 ，织物 静善2 m i n 后进行悬垂形态的采样。测试完毕，在反向启动控制升降托盘的步进电机，使 一 塑竺二! 塑兰堕婴主堂堡笙苎 得升降托盘上升到原来的位置。由于整个过程没有认为因素的介入，同时步进电机的精确 转速都严格保证了试验测试初始条件的一致性。 使用这种测试方法得到以上4 种织物的悬垂系数与波纹数的关系见图3 2 所示，悬垂 系数重复测试的误差在0 4 7 1 3 1 ，可见大大减小了由于初始条件的影响带来的悬垂系 数的变化。两种初始条件对悬垂系数的影响分析见表3 1 。 表3 1 初始条件对织物悬垂系数的影响 全棉牛子母条 全棉牛子母条 次数 绢丝纺真丝绉次数 绢丝纺真丝绉 筋布仝棉绒 筋布全棉绒 自由放置 旋转放置 14 4 5 44 8 5 4 3 9 1 52 4 2 414 3 4 54 8 13 9 3 5 2 6 2 24 3 7 54 7 0 2 3 6 6 42 0 5 224 3 2 34 7 8 53 8 9 8 2 6 4 4 34 4 1 25 1 1 7 3 5 8 72 7 8 434 3 0 84 8 3 33 9 1 42 6 0 2 44 2 8 35 0 8 33 8 5 92 5 4 24 4 3 、5 44 8 4 14 0 2 82 5 9 8 54 5 6 64 6 1 64 2 ，4 l2 4 6 9 5 4 3 6 6 5 7 9 33 87 52 62 4 64 3 94 5 7 44 1 7 92 5 0 164 3 1 64 8 6 3 9 5 82 5 7 4 74 2 9 24 8 5 93 8 1 42 66 674 3 5 9 4 8 4 6 3 8 ，9 2 6 5 7 8 4 3 4 6 4 9 4 5 3 4 9 72 3 9 784 3 6 7 4 85 5 4 0 0 42 61 2 94 4 0 34 9 8 43 9 8 62 6 4 6 9 4 3 4 】4 8 2 3 9 8 42 6 2 9 1 04 4 7 64 8 6 53 7 4 93 0 4 6104 3 5 9 4 7 7 4 3 8 8 32 6 0 6 平均值4 44 8 63 8 52 5 5 3平均值4 3 4 44 8 2 l3 9 ，3 72 6 1 2 橐鐾 。”，s ，s”s 橐鐾 ，们。”，s 浙江 程学院硕十学位论文 5