（纺织工程专业论文）机织物机械物理性能的计算机模拟.pdf

摘要 本文主要研究讨论在纹织c a d 过程中，机织物的拉伸、撕裂 的预测和模拟问题，是在原课题基础上的进一步延续和扩充，主 要完成了两方面的内容，即：模型的建立和拓展、计算机模 拟实现。 首先，以平纹织物的单元分析法为基础，将i j i j 面已建立的平 纹织物的拉伸断裂强力的数学模型进行改进和拓展推广，使之适 应更多的品种范围。本文主要将平纹织物扩充到斜纹织物上去， 对斜纹织物的不同织物品种( 这里主要讨论了2 l ，2 2 ，3 1 等相 关斜纹织物) 的横断面处的各根经纱进行受力分析，而后运用平 纹织物得出的结论为基础进一步分析得出斜纹织物的拉伸断裂的 数学模型。份析比较己建立的模型，发现2 2 和3 l 斜纹织物拉伸 断裂的数学模型一致。将已得到的织物拉伸断裂强力的数学模型 组织起来建立了一个适用范围较为广泛的模型库，为以后的计算 机模拟提供数学基础。广 其次，把建立的数学模型反映到计算机中，实现模拟软件的 编制。f 以已建立的织物拉伸断裂强力和撕裂强力的数学模型为基 础，应用程序设计语言( p d l ) ，对织物的拉伸断裂过程进行动态 模拟，并且编制相关应用程序，用户可以通过g d i 在界面上输入 相关的织物结构参数，从而得到相关的拉伸断裂强力和撕裂强力， 也可以通过参数看到织物的拉伸断裂强力与织物各项参数之j 目的 关系夕1 最后，以平纹织物和斜纹织物为例，采集样品进行实验，并 将实验数据与系统得出的数据进行对比，验证模型的准确性，结 果差距较小，从而验证了数学模型的准确和系统的可用性。 f 本文的意义在于：通过建立织物参数与织物机械物理性能之 1 间的数学关系，在计算机上进行织物机械物理性能的模拟，实现 了较为宽广范围的织物结构适应性，在设计织物的同时，得到其 机械物理性能的指标和效果的近似参考值，为织物的开发和设计 提供了理论依据，并大大缩短了产品设计的周期。 万一 f 关键词计算机模拟 结构参数 i i 纺织c a d 数学模型 a b s t r a c t t h ea r t i c l e m a i n l ys t u d y t h e p r e d i c t i o n a n dm o d e l i n go ft h e w o v e nf a b r i cd u r i n gt h ep r o c e s so ft e x t i l ec a d t h et h e s i si m p r o v e a n de x t e n dt h ef o r m e ro n e ，a n di tm a i n l yc o m p l e t et w oc o n t e n t s ，t h a t i s ，e s t a b l i s h i n g m o d e la n d e x t e n d i n g t h e r e a l i z a t i o no ft h e c o m p u t e rm o d e l i n g a tf i r s t ，o nt h ef o u n d a t i o no ft h e p l a i n - w o v e n f a b r i c s u n i t a n a l y s i sm e t h o d ，t h ea r t i c l ea i m sa ti m p r o v i n ga n da m p l i f y i n gt h e m a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h et e n s i l ea n d t e a r i n gs t r e n g t h o f p l a i n w o v e n f a b r i c sa n dt w i l l f a b r i c s ，s o a st h a tt h em a t h e m a t i c a l m o d e lc a nb ea p p l i e di nm o r es p e c i e s t h et h e s i sm a i n l ya p p l yt h e p l a i n w o v e nf a b r i c si n t w i l lf a b r i c s ；t h es t r e n g t hw h i c ha c to nt h e w a r po fd i f f e r e n ts p e c i e s ( h e r e ，t h e t h e s i s m a i n l ya r g u ea b o u tt w i l l f a b r i c si n c l u d i n g2 1 ，2 1 2a n d3 1t w i l lf a b r i c s ) d u r i n gt h ep r o c e s so f t e a r i n gh a v eb e e nd e a l tw i t h ，a n dt h e ng e tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f t w i l lw e a v e sa f t e rh a v i n ga n a l y z e dt h e ma c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n a b o u tp l a i n w o v e n f a b r i c s a n a l y z i n ga n dc o n s t r u c t i n gt h e m o d e l s h a v i n gb e e nb u i l t ，w ec a n f i n dt h er e s u l t ：2 2a n d3 1t w i l lf a b r i ch a v e t h es a m et e n s i l em o d e l t h ea r t i c l ef o u n d sag e n e r a lm o d e lb a s ea f t e r o r g a n i z i n gt h e t e n s i l e s t r e n g t h s m a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n do f f e r a b a s ef o rt h el a t e rc o m p u t e rm o d e l i n g s e c o n d l y ，t h e t h e s i sr e a l i z e st h e d e s i g n o ft h e c o m p u t e r s i m u l a t i o ns o f t w a r ew i t ht h et e n s i l ea n dt e a r i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s w i t ht h e e s t a b l i s h i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u tt h e t e a r i n g a n d t e n s i l es t r e n g t ho fp l a i n w o v e na n dt w i l l w e a v e s ，a p p l y i n gp r o g r a m d e s i g nl a n g u a g e ( p d l ) ，w ec a ni m i t a t et h ed e v e l o p m e n tp u l l i n gt h e i i i f a b r i ca f t e rp r o g r a m m i n g t h ec u s t o m e rc a np a s st h eg d i o nt h e i n t e r f a c et o i n p u t t h er e l a t e df a b r i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，a n dt h e n g e t t h er e l a t e dt e n s i l ea n dt e a r i n gs t r e n g t h ；w ea l s o c a ns e et h e r e l a t i o nb e t w e e nt h et e n s i l e s t r e n g t h a n dt h ev a r i o u sf a b r i c p a r a m e t e r s a tl a s t ，t oc o n f i r mt h o s em o d e l s ，m a n yp l a i n w o v e na n dt w i l l s a m p l e sh a v eb e e nc o l l e c t e db y m e a n so fe x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，t h ea g r e e m e n tb e t w e e nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t ai ss a t i s f a c t o r i l yo b t a i n e d t h i sc o n f i r m st h ee x a c t d e g r e eo ft h o s em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dt h eu s eo f t h es y s t e m t h et h e s i si s o fm o m e n t o u sc u r r e n t s i g n i f i c a n c e b y e s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o nb e t w e e nt h ef a b r i cp a r a m e t e r s a n dm e c h a n i c a la n dp h y s i c a lf u n c t i o no ff a b r i c s ，w ec a ns i m u l a t et h e f a b r i cm e c h a n i c a la n d p h y s i c a lp r o p e r t y ，a tt h es a m et i m ew ec a ng e t t h ei n d e xa n d t h e a p p r o x i m a t e r e f e r e n c ev a l u eo ft h ef a b r i c m e c h a n i c a la n d p h y s i c a l f u n c t i o n t h i s p r o v i d e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h ef a b r i cd e v e l o p i n ga n dd e s i g n i n g ，a l s os h o r t e nt h e p e r i o da b o u tp r o d u c td e s i g n i n g k e y w o r d s g a o c h u a n p i n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gl i m i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o n t e x t i l ec a d s t r u c t u r a lp a r a m e t e r m a t h e m a t i c a lm o d e 鹕一章绪论 第一章绪论 1 - 1 引言 随着生产力的发展和人类物质文化生活水平的不断提高，人 们对自身生活质量的要求也不断提高，这突出反映在人们生活的 各方面上，其中包括人们的衣着问题、家用装饰问题等。纺织品 不仅是重要的生活必需品，也是重要的工业用品和装饰用品。是 体现国家经济发展和人民生活水平的重要指标之一，而织物的拉 伸性能、撕裂和顶破等各项机械性能的好坏直接影响其使用性能， 因此也是评定织物品质质量的主要内容。如何高质量、高水平地 解决人们的穿衣问题，从理论上研究织物的结构参数对其机械物 理性能的影响，从而提高织物质量，更好地满足国内外市场的需 要，指导人们科学地使用原材料，科学地设计和开发新品种，是 摆在产品设计人员面前的重大而紧迫的课题。 传统的机织物设计是由人工进行织物组织的意匠设计，经反复 试织后确定其工艺路线，然后再测试其样品织物的机械物理性能。 这种设计方法要经过设计、试织，而后再对织物进行综合性评价， 如果设计出的产品不符合要求则还要进行返工，这样设计费时、 费力，而且效率低下。随着计算机技术的发展，计算机在纺织行 业的应用日益普及，特别是计算机辅助设计( c a d ) 在织物设计 及生产中的应用，提高了企业对市场的快速适应能力和市场竞争 能力，加速了产品的开发速度，从根本上改变我国纺织品设计与 生产的落后局面，为纺织行业带来巨大的经济效益和社会效益。 现有的纺织c a d 系统对织物的组织设计，采用计算机设计， 塑二里塑堕 大大提高了设计速度和效率，然而，现有的c a d 系统仍不能对所 设计的织物进行初步的物理性能分析和输出。即无法预先估计织 物的机械物理性能( 如抗拉强度，抗撕裂强度，弹性，悬垂性， 厚度，单位面积重量等) ，使纺织品设计具有很大的盲目性和随机 性。 本课题的主要目的是：根据织物的组织结构参数，建立其织物的 机械物理性能分析模型，设计一套计算机模拟软件。在进行计算机 纹织c a d 设计的同时，即可通过织物设计参数的选择来确定其所 设计的机械物理性能，使纺织科研人员可以根据实际需要的织物 风格来确定织物的各项结构参数，或者根据织物的结构参数来预 测织物的风格，从而改变了以往产品设计人员依照相似织物的经 验数据来确定织物的结构参数、对织物的区分不严格、产品试制 带有相当程度的随机性和盲目性等缺点，为研究各类织物的性能 提供可供借鉴的方法和思路，同时也将为纺织c a d 系统的丰富提 供充分的内容。 通过建立织物参数与织物机械物理性能之间的数学关系，在计 算机上进行织物机械物理性能的模拟，在设计织物的同时，得到 其机械物理性能的指标和效果的近似参考值。 本课题借助于一定的软件，实现机织物机械物理性能的计算机 模拟，使织物在未设计出前便可预知织物的机械物理性能，无需 纺织产品设计人员直接进行实验便可获得所需要的数据，大大节 省了人力、物力和产品设计周期；为纺织厂设计和丌发新品种， 合理的利用原材料提供直接的理论依据和指导作用，也为织物力 学的深入研究开辟了一条新思路，对以后的产品设计具有重要意 义。 1 2 织物力学发展现状 筛一章绪论 1 2 1 织物结构力学性能的研究方法 织物力学性能是确定织物实际用途及其品质评定的重要方面， 如何根据已知织物结构参数和纱线参数来预测织物的结构力学性 能，在纺织研究中已有较氏历史。目前对织物结构力学性能的研 究方法主要有基本力学模型( 几何法、力法和能量法) 和经验模 型法等。 l 、几何法主要围绕着p i e r c e 在19 3 7 年提出的平纹织物几何结 构原始模型及其改进方面展丌。在该模型中，p i e r c e 假设组成织 物的纱线是抗弯刚度很小以至可以忽略不计且又不能产生伸长的 柔性体，截面总是呈现圆形，得到平纹织物组织单元模型。p i e r c e 原始结构模型及其改进模型作为研究平纹织物剪切、拉伸伸长等 出发点是较成功的，但在分析织物的初始拉僻i f 申长比较麻烦，且 模型不能用来分析织物力学行为的内部应力松弛效应。 2 、力法和能量法是从力学角度来分析织物，两者分别表示织 物结构研究的两条根本不同的途径。力法研究的范围是织物的小 变形及线性范围内进行，且限于简单变形范围。力法研究只能在 局部解决问题，不能总体上反映织物力学性能。即使求解出来， 也是在线性范围内，在不同的区域用不同的模量值进行折线拟合， 又由于不同模量值取值数量太少而使折线拟合十分粗糙。能量法 目前存在的问题主要是实用化程度不高。它虽可较成功的反映织 物结构力学，但它仍停留在理论探讨上面，离实用化有一定距离。 主要是因为：一是假设条件不合理，如不能反映织物细观结构： 二是假t 发参数太多，使实用性及数值化实现很困难，在反映织物 内部的细观力学等方面如纱线间的相互作用方面，仍不能使该方 法完善：三是边界条件确定困难。 堡二兰竺堡 3 、经验模型法则是通过实验调查的方式建立模型来预测织物 的特征和性能。这种模型是在严格控制的条件下，通过做大量实 验并运用统计方法( 如曲线模拟和回归分析) 得出的，在使用h 寸 受到限制，主要是因为：( 1 ) 这些实验的大小一般受到成本和时 问因素的限制，因而选择的原料和工艺参数仅能在较窄的范围罩 考虑i ( 2 ) 现存的统汁方法不能精确的模拟织物形成过程中复杂 的：限线性关系。 i 2 2 织物结构力学研究的发展历程 自三十年代以来，在发达国家比如美国、德国、西欧、f = l 本甚 至印度，对于织物结构力学理论的研究就已经丌始起步。1 9 3 7 年 及1 9 4 7 年，p e i r c e 对织物结构的几何学以及适用于功能性 织物的几何原理分别进行了研究，为织物结构力学理论的发展打 下了重要基础。文献【2 】提出纱线是柔性的，截面为圆形，弯曲 刚度为零的假设，由此而建立的模型中的纱线的路径是由圆弧与 直线段构成的( 如图1 1 所示) ，并有下列关系： p = f l d o ) c o s 0 + d s i n o h = ( l d o ) s i n 0 + d ( 1 一c o s o ) h 1 + h 2 = d 式中： l ：纱线长度：h l ，h 2 ：卷曲高度；p ：纱线间距；o ：织造 角 自五十年代起，g a v l e a f “1 分析了机织物和针织物的几 何特点，并利用锯齿状模型对织物的拉伸特性进行了研究。1 9 6 9 年，h e a r l e 1 等人编写了纤维、纱线和织物的结构力学一书， 将自1 9 4 5 年以来有关于系统地分析柔性织物的工作成果收于其 中。其后至1 9 8 0 年的成果则收集于大西洋组织召开的柔性织物力 学会议的论文集18 l 。 第一帝绪论 图l i图1 2 文献【7 】中的k e m p 等人考虑到由于纱线加捻及纱线间有挤 压的实际情况，提出了椭圆形截面模型和跑道形截面模型。为便 于计算，通常采用跑道形截面模型，如图l 一2 所示。 在使用跑道形截面模型时，涉及到椭圆积分，力学分析得到 的平衡方程是非线性的，理论分析十分困难。为此，文献【6 】建 立了锯齿状的理论模型( 如图l 一3 ) ，并在此基础上对织物的性 能进行了理论分析与预测，取得了一些成果。 图1 3 从目前所掌握的资料来看，国外学者对织物的力学性质进行 了较为广泛的研究，其中一些是直接应用固体力学的理论与方法 的。 笙二! 竺堡 d r e s d e n 技术大学凹1 在纺织工艺的早期研究工作中，为了预 测与组织有关的织物的力和伸长特性的关系，在对拉伸载荷下组 织交织点的机械性能以及表面区域内交织点分布特性的描述基础 上，提出了一种模型，但仅适用于载荷较低的情况。 自八十年代中期以来，随着计算机发展水平的提高，以及相 关力学方法的不断完善，对织物结构力学理论的研究进展顺利。 1 9 8 4 年，c j l u i j k 1 利用有限元法分析了织物的弯曲特性。1 9 8 6 年，k a w a b a t a 1 等人报道了一种模拟织物双轴拉伸应力一应变关 系的线性方法。1 9 9 1 年，j r c o l l i e r 2 1 利用以经典非线性板材理 论为基础的非线性有限元要素法分析了织物的弯曲性能如悬垂 性。n j z h o u “”等提出了以经平和编链为地组织的衬纬经编坯布 的几何模型。1 9 9 2 年，t a k a s h ik o m o r i 5 1 结合织物的粘弹性， 应用各种异性板的大变形理论研究了织物的变形。1 9 9 3 年，德国 的p o f f e r m a n n 1 研究了不同的组织交织以及纱线密度对摩擦现 象，也即对织物断裂特性的影响程度。日本的m m a t s u d a d i v a “6 1 利用k e s f b 织物风格仪对纤维的横截面形状对织物物理机械 性能和手感的影响进行了研究。而印度的k t a s w a n i 7 和 r c d k a u s h i k “”则分别对织物内纱线滑移力以及纱线对织物的 影响进行了定性分析和研究。1 9 9 4 年，韩国的s m h w o 9 1 对机 织物的机械性质作作了研究。其他一些专家学者眨o “7 1 也分别利 用各自的理论与方法对织物结构力学进行了研究。 从内容来看，早期的研究主要集中于纤维、纱线的变形，强 度等问题上，近期_ 丌始重视掌握结构力学理论的研究，并较多地 涉及了织物的拉伸、弯曲、剪切、摩擦等课题。专家们从不同角 度应用各种力学理论对织物性能进行了研究，取得了些有工程 应用价值的成果。但由于织物几何结构及受力变形过程中的复杂 第一审鲔论 性，多数学者在对织物性能的研究过程中沿用了固体力学中的概 念与理论，如弹性模量、泊松比、弯曲刚度及大变形理论等，对 如何根据织物的本质特点建立适用于织物的统一、有效的几何与 力学模型，形成有特色织物结构力学理论体系的研究重视则不够， 研究的理论深度也不够，使研究成果尚缺乏系统性与完整性，理 论结果与实际结果问存在较大的差异，影响了研究成果的推广与 应用。 我国在这方面也做了相当程度的研究。专家们( 如吴汉金 卜8 0 1 等) 利用各自的实验原料、实验手段和方法，对其作了大 量的研究工作，并作了定性的概述，取得了可喜的成绩，但理论 深度尚不够。目前仅有少数学者“8 。2 1 对织物的性能运用力学的 手段进行了初步的研究，与外国同行相比，我国在这一领域的研 究仍十分薄弱，尚需进一步努力。 总之，本课题所涉及的研究内容是众多纺织科学工作者长期 研究探讨的重要内容，从发展眼光看，本课题具有很好的应用前 景。相信随着微机的普及和多元分析方法的广泛应用以及各学科 的交融，织物几何结构、纱线物理参数与织物的机械物理性能之 间的定量关系，定能逐步为人们所认识和应用。 1 3 纺织c a d 发展的现状和展望 计算机辅助设计是利用计算机强有力的计算功能和图形处理 能力，辅助进行产品的设计与分析的理论和方法。由于计算机具 有运算速度快、信息储存量大、记忆能力强、计算可靠性高、能 快速反应与显示图形、图像等诸多特点：人又具备较强的想象力、 判断能力和择取有用信息的能力，利用人机交互的手段进行设计， 墨二里堕堡 可充分发挥人和计算机两方面的优点，使设计质量和效率大大提 高。 在过去的1 0 15 年时i n 里，计算机辅助设计技术在纺织工 业中的应用呈现了巨大的增长趋势。在9 5 届i t m a 上，纺织 c a d c a m 的发展以形成一定的规模。大体可以分为以下七大类： l 、产品和色泽模拟；2 、生产工序的控制和监测；3 、与生产计划 和控制以及工厂数据纪录系统的连接；4 、维护和服务设备的扩充： 5 、质量管理功能；6 、商业软件的总和；7 、多种任务处理的作用。 1 3 1 纺织c a d 功能概述 1 纱线的计算机仿真，包括普通纱线、混色纱线及花式纱线 的仿真。可调整组成纱线的纤维的色彩及混纺比、纱线的股 线及捻度，纱线本身颜色纱号等。纱线的模拟还可按要求模 拟一定程度的毛羽，并可将模拟的纱线随机嵌入到一定织物 结构的经纬纱图像上，模拟这种纱形成的织物外观。 2 机织物组织的设计，包括绝大部分织物组织的计算机，如 基础组织、变化组织、联合组织、复杂组织。其中多层织物 的设计已可由三维织物的设计来体现。织物组织的设计还可 与纱线的配色功能相结合设计色织物或配色模纹织物，并通 过计算机设计与之相关的纹链编制。 3 针织物组织及花型设计，包括提花花型设计与结构花型设 计，丰富的色板和工具，各式色纱及不同形状尺寸的画笔， 使其具有强大的绘图功能，花型可通过符号、颜色或图符三 种方式绘制及显示，且通常在窗i ：3 中都会显示出所有各种微 型提花图案，供设计者选择；而且多带有m n 绞花、阿朗 花、凸条等多种基本花型结构库，供用户调用、嵌套，模拟 其在针织成衣上的外观效果。 塑二里堕堡 4 纺织品印花图案设计，素织物在设计好组织后，有的要通 过印染配上花样图案，花样图案的设计也可通过计算机实 现。该类软件一般提供三种功能：徒手画功能，提供一定的 环境，包括一系列工具按钮，如笔、线型、颜色等，以及工 具菜单，如复制、剪切、粘贴、翻转、旋转、放大、缩小等， 出设计师任意创作。 5 服装计算机辅助设计，包括二维服装设计与三维服装设 计，该技术功能已覆盖了服装设计的所有部分，即款式设计、 结构设计和工艺设计，其中已产品化的系统由款式设计、样 片设计、放码、排料等，同时还有自动量体和试衣系统等。 1 3 2 国内纺织c a d 发展状况及动向 纺织物的c a d 系统在国内已有十几年的研究历史了，并且 产生了一批有使用价值的基于d o s 基础上的c a d 系统。其中有 浙江丝绸工学院z i s 素织物c a d 系统，具有主要的花色纱线及 组织设计功能；纺织工业部纺织科学研究院的c a d 系统，除具有 纱线设计、组织设计及织物模拟外，还增加了与工艺相关的许多 计算功能；天津纺织研究所的c a d 系统，除组织设计及较强的颜 色配置外，花式纱线的设计功能也较强；上海毛麻纺织科研所与 上海十一毛联合开发的c a d 系统，可模拟织物效应、花色线效应、 加捻效果等，功能较强：上海印染技术研究所开发了计算机平面 图案及色彩设计系统，石家庄第一印染厂在此基础上开发了穿着 效果软件，即将设计好的图案根据用途，通过计算机穿在模特身 上，展示图案衣着效果。 目前，鉴于w i n d o w s 界面的诸多有点如速度快、安全性好、 界面轻松、图形图像操作丰富、用户功能多等，以上c a d 系统已 由许多逐步开始向w i n d o w s 9 5 9 8 n t 平台转移。 第一币绪论 1 3 3 国外纺织c a d 发展状况及动向 从国内外软件开发现状分析，在纺织c a d 领域，国内与国外 的差距很大。由于纺织品的主要用途是制作服装，因而以服装体 现纺织品的设计效果，建立法各级与服装款式设计间的接口是纺 织品软件丌发必须完成的。国外的许多软件包如c d i 公司的、 l e c t r a 公司的等都己具备了纺织品设计与服装设计一体的功能， 国内在这方面还有些欠缺。在1 9 9 6 年c a de x p o 展览会上，以及 i n t e r n e t 网上，我们可看到许多较成熟c a d 软件包，包括纺织c a d 方面的软件系统有：d e s i g n e rs o f t w a r e 、a v ll o o m s ( a v l c o l o r a d o t e x t i l e d e s i g ns o f t w a r ea n da v l b o n a sa r i z o n ac o l o rj a cj a c q u a r d d e s i g ns o f w a r e ) 、i n f o d e s i g n 、j a c q c a dm a s t e r 、a p s oc a dv a n t a g e d e s i g ns y s t e m 、i n f o m a x 系统、c a d e x 系统、i a m 、s o p h i s 、c i sg r a p h i c 的c y r o sd e s i g n3 、e a t 、n e d g r a p h i c s 、h i g h t e x 、e a s y t e x 、 p r i m a v i s i o n 、n a t a s s y a ，c d i ，p o i n t c a r r e 、f o r e s i g h t 、d e s i g n i n c 的f o r e s i g h tv 2 6 、k a r a ts y s t e m s ( k a r a t c a d d e s i g n e r 4 0 ) 等。所 有的c a d 系统提供的软件功能各具特色，但基本上都具有纱线的 设计与仿真、织物的设计与仿真、配色与印花的设计、映像仿真 ( 大部分为二维映像) 图像管理、服装设计与模拟等主要功能， 并且相应的提供了纱线库、基本织物库、线圈库和服装类库。对 于纱线的仿真，基本上所有的系统均可模拟花式或混色纱线的效 果，大部分允许用户为新种类纱线扩大纱线库。各个系统还具有 不同程度的织物仿真能力，有些系统可对曲线织物的表示如蜂窝 形或提花凸纹双层织物进行仿真；有些系统可展示织物的界面示 意图，并允许直接修改，这种修改可直接影响纱线及纹板图，这 对于多层织物的设计很有用；有个别软件还提供多层织物的三维 设计功能。 墨二里笪堡 目前，国外的软件丌发内容集中于下列几个方面：织物设 计( 提花织物和多臂织物) ；针织物设计；模拟织物效果或织 物映射，如s o p h i s 等公司已推出具有3 d 织物映射功能的产品； 建立可视化数据库；视频会议；i n t e r n e t 和i n t r a n e t 上传递 信息或通过i n t e r n e t 进行交互没计。目前将信息技术应用于纺织工 业上的最引人注目的是英国诺定汉市特任特大学纺织服装系领导 的研究小组所从事的f i n s ( f a s h i o ni n t e l l i g e n c en a v i g a t i o ns y s t e m ) 研究项目。该项目将各种信息源收集到的有关纺织、服装的信息 以多媒体数据库的形式放在c d 或i s d n 电信网上，并在局域网上 向各种用户提供实时的货源预测、市场预测等各方面的信息。 事实上，就c a d 技术与信息技术而言，在纺织服装上的应用 要比在其他的领域具有更得的复杂性与难度。尽管在c a d c a m 纺织上应用的领域中，仍有许多亟待开发的难题，但随着计算机 软硬件价格的大幅度降低，c a d c a m 技术的曰趋成熟，以及 c a d c a m 实用化系统应用于纺织行业后所体现出来的巨大的优 越性，c a d c a m 的市场一定会一天比一天更成熟。 长期以来，许多专业人士对纺织c a d 进行了深入的研究，形 成了许多很实用的系统，并发表了许多相关的论文邸1 - 8 8 1 ，这对纺 织c a d 的发展和纺织业的变革起到了很大的推动作用。 传统的织物设计过程需经过初始设计、反复试样、反复修改等 步骤，工期很长，不能适应多品种、小批量的市场要求，c a d 技 术的应用缩短了设计周期、提高了功效、降低了设计式样人员的 工作强度。进一步，如果在织物设计阶段能模拟显示出织物的实 际效果，则可大大提高新产品的设计能力，从而增强市场竞争力。 探索有效的计算机模拟显示方法对完善c a d 系统、增强c a d 系 统功能有着重要的意义。 耍；一币埔论 纺织c a d 技术的发展是随着织物力学和近代测试技术的不 断发展而发展和完善的。随着对织物结构力学理论的研究不断深 入，各种理论模型的不断涌现，相应的用计算机来模拟织物的相 关性质的软件也层出不穷，纺织c a d 便是c a d 技术在纺织行业 中的应用之一。运用纺织c a d 可以方便快捷地开发出纺织新品 种，然而现有的纺织c a d 系统多集中在对织物的外观以及视觉效 果模拟，对织物机械物理性能进行模拟的软件尚未出现。本课题 旨在对这一尚未涉足的领域进行一些努力，以期能得到一些关于 织物品种的计算机模拟，将其嵌入到纺织c a d 系统中去。 1 4 本文研究的主要内容 平纹织物在受到外力被拉伸过程中，对织物单根经纬纱进行 受力分析，从而得出平纹织物拉伸断裂强力的数学模型。由于该 课题是前一课题的延续，因而在论文进展过程中，将以已建立的 平纹织物的数学模型为基础，对斜纹织物的受力状况进行分析， 将平纹织物得出的结论应用到斜纹上去，从而得出斜纹织物的拉 伸断裂强力的数学模型。本文主要研究机织物拉伸断裂强力和撕 裂强力的数学模型，并将模型反映到计算机中，以模拟机织物的 机械物理性能。主要研究内容如下： 1 建立数学模型和模型库。首先将已经建立的平纹织物的拉伸 断裂强力的数学模型扩展到其它织物品种如斜纹织物上去，本文 主要讨论2 1 、2 2 、3 1 斜纹织物，并以它们为例简要介绍了建立 斜纹织物拉伸断裂强力数学模型的方法；其次将已建立的模型和 他人建立的模型组织起来，建立模型库。对已有的织物的两种力 学模型( 拉伸断裂、撕裂) 进行筛选、调研，明确两种力学模型 第一币绪论 在建立时所作的假设以及忽略的各种因素，综合分析比较其应用 范围，优缺点，而后对建立的模型进行有关修f ，最后在此基础 上建立一个标准的模型库。在程序设计过程中，可以依据建立的 模型库，从优选择数学模型或相关参数。 2 实现模拟系统。根据已建立的数学模型，编制程序将模型反 映到计算机中。本课题研究的内容就是运用计算机软件初步建立 一个织物经拉伸断裂和撕裂的系统，本系统运用v b 语言设计一 个w i n 3 2 应用程序，该程序拥有一个交互式界面，用户可以通过 界面输入一定的织物设计参数( 如经纬纱密度、纱线特数、材质 和经纬纱体积重量等织物参数) 确定该平纹织物的机械物理性能。 同时还可以看到织物的拉伸断裂强力随织物位移的动态曲线关 系。 3 实验验证。到各纺织厂采集相关布样，而后在l n s t r o n 强力 仪上按照国标规定的标准进行织物断裂和撕裂的实验，将实验结 果与系统计算得出的结果进行对比，验证织物断裂和撕裂强力的 数学模型的准确程度，并以此为依据对已建立的数学模型进行修 正。 4 系统的进一步修改和完善。经过实验对比验证，对已建立的 数学模型进行相关修改，从而相应的修改模拟系统，并对系统进 行完善，使其具有更高的可靠性和可使用性。 第二章模型库的建立和选择 第二章模型库的建立和选择 2 - 1 模型的建立原则和选择依据 计算机辅助设计系统的实现是以一定的数学模型为基础的， 数学模型的好坏直接关系到数据的准确程度，由好的数学模型得 出的数据与实际测试出来的数据吻合性较好，误差较小，可以作 为一个参考的模型；相反，模型建立的不好，测出的数据与实际 差别较大，则该模型不能作为模型库的一部分，需要对模型进行 修正。因此数学模型的好坏直接关系到系统的可用性，同时也是 课题成功与否的关键。 本章的任务有两方面：一是进一步将平纹织物的数学模型扩 展到其它机织物品种中去，如斜纹织物；而后将其作为模型库的 一部分；所谓模型库，就是存放两种力学状态数学模型的一个库。 我们所做的数学模型作为模型库的一部分，另外还要广泛收集别 人已做的经实验验证已成功的模型，将其嵌入到模型库中：二是 计算机模拟，就是通过编制程序将己建立的数学模型反映到计算 机中，使其成为可以直接使用的东西，为以后的产品设计和生产 服务。在程序当中，对不同织物品种输入一定的织物结构参数， 可以得到相应的断裂强力和撕裂强力。 数学模型的建立是一个十分繁琐复杂的过程，要综合考虑和 分析各种因素，同时做出各种合理的假设，而后经过一系列复杂 的公式推导，最后得出所需的数学模型。在建立平纹织物拉伸断 裂和撕裂强力的数学模型时，已经详细分析和考虑了各种因素， 最后得出了数学模型。本文旨在将该模型进行推广和扩充，使其 第二章模型厍的建立平选样 适用于更多的品种范围。在建立斜纹织物的数学模型时，不再从 基础做起，而是将平纹织物已得到的结果应用于斜纹织物上去， 再对织物进行受力分析，从而得到斜纹织物的数学模型。 模型库是系统的一部分，选择两种力学状态下的数学模型， 将数学模型组织起来，构成为模型库。在选择两种力学模型时， 要充分考虑模型建立的背景，以及模型在建立时所作的各种假设 及忽略的各种因索，综合分析其应用范围，优缺点，而后综合评 价该模型的性能，对于建立的较好的模型，我们将其纳为系统的 一部分。在进行系统设计的过程中，依据不同的条件，调用不同 的数学模型，而后进行机织物拉伸断裂强力和撕裂强力的计算， 使其结果尽量接近真实值。 1 、在选模过程中，我们将尽量使用参数为基本织物结构 参数的模型，尽量减少中间变量，因为中间变量的参数值很难 确定，甚至有的参数名称难于理解，这样不利于我们系统的应 用和推广。 2 、在软件设计时，我们不仅要考虑软件的实用性，而且 要考虑软件的普遍性，软件设计完成后不仅要面向专业的纺织 工程技术人员，还要面向广大的非专业的计算机用户，因此软 件在设计时不仅要是用户界面简洁，还要尽量使织物结构简 单，最好是基本的可直接确定其值的织物结构参数。用户可以 通过界面在计算机上输入其值，以确定织物的拉伸断裂强力和 撕裂强力。 3 、 如果数学模型中涉及许多中间变量，我们将根据相应 的知识，将参数进一步细化，而后将其作为模型库的一部分。 第二章模型库的建立和选择 2 - 1 机织物拉伸断裂强力的数学模型及其改进 织物拉伸断裂和撕裂过程的数学模型是对其进行计算机模拟 的前提和基础，模型建立的好坏是问题的关键，它直接决定模拟 结果的准确性和可靠性。 数学模型的建立是一个非常复杂的过程。针对机织物的两种 力学状态，从不同的角度，运用不同的方法，对织物的力学状态 进行受力分析，就可以建立不同的数学模型。本文作者从以下几 个方面建立机织物两种力学状态( 拉伸断裂、撕裂) 下的数学模 型。 2 1 1 纱线力学推广法。 从p i e r c e 的织物结构模型出发，对拉伸过程中织物单根经纬 纱交织点处受力进行分析，建立平纹织物拉伸断裂的数学模型， 模型在建立过程中，对各项织物结构参数都进行了细化，无中间 变量，这在程序设计中比较有利于织物参数的直接输入，避免了 参数输入的不确定性和盲目性。而其相对弱点也比较明显，即参 数的细化必然带来过多的假设和特殊情况的出现，因而此模型的 适应条件也比较苛刻。 本文是对以前平纹织物所做数学模型的延续，这里将主要讨 论斜纹织物。通过对织物交织点处的各根经纬纱进行受力分析， 从而得出了1 1 平纹织物的拉伸断裂的数学模型，并得出结论： 织物在沿经纱方向进行拉伸过程中，经纱所受最小载荷发生在经 纬纱交织弧段的中点，最大载荷发生在与纬纱切向直线段上，其 大小随织物组织参数不同而异，此处即为纱线断裂最大危险点。 对平纹织物进行受力分析， p = n t c o s ( z 得出其拉伸断裂强力的数学模型 ( 2 一1 ) 第二章模型库的建立和选择 n 一一织物经纱总根数。 7 1 一一经纱所受张力。 口一一经纱包角。 该模型在参数进一步细化时，对r 进行分析，得出两种情况， 我认为有必要对此项进行有必要的修f ： 对织物中纱线的断裂情况有滑移断裂和破坏断裂两种，分两 种情况进行讨论。 1 ) 当织物中经纬纱密度很小时，织物内的经纱断裂强力可看 作单根经纱的断裂强力。此时当p n m 1 时经纱断裂，表现为织物 拉伸断裂。此时的数学模型为： p = n 珠纷c o s t 2 ( 2 2 ) 即当p ”珠纱c o s a 时，织物断裂，其最小拉伸断裂强力为 疗纱c o s t ( 。 2 ) 织物中经纬纱密度很大时，经纬纱抱合紧密，经纱断裂方 式为纱线中的纤维断裂。此时应由纤维断裂强力来求得经纱线的 断裂强力，而不能直接应用单纱断裂强力。此时依据纺织材料学 的知识，纱线断裂强力和纤维强度之间应该存在一个修正系数， 即 p = 门口上 尤 ( 2 3 ) p 一一单根纤维平均强度( c n ) p 一一纱线强度( c n ) n 一一纤维根数。 卜一系数。系数对棉、毛、丝、麻有所区分，有待于通过实验确 定。 设纱线横截面中包含纤维的当量根数为n o ，则： 第二章模型库的建立和选扦 n o = 纱线特数纤维特数 ( 2 4 ) 所以织物内经纱断裂强力t ： 1 t ( n ) = n o 纤维断裂强力 k 1 = 纤维断裂强力纱线特数纤维特数土( 2 5 ) 庀 上式中纤维断裂强力是指单纤维断裂强力。当织物内纤维所 受强力大于单纤维断裂强力时，表现为织物拉伸断裂。 此时模型为： p = n r ( ) ，c o s a( 2 6 ) 下面将以平纹织物的数学模型为基础，推导讨论斜纹织物断 裂强力的数学模型。 该课题是在原课题基础上的进一步的深入扩充和改进，原课 题【8 9 】在对纱线进行力学分析的基础上，得出平纹织物在外力 作用下断裂的数学模型。本文力求在1 1 平纹织物的基础上，以 它的纱线受力分析为基础，将2 1 ，2 2 ，3 1 等斜纹织物纱线的受 力分析归结到平纹织物组织单元上去，而后运用平纹织物得出的 结果，求出斜纹织物拉伸断裂的数学模型，从而可得出斜纹织物 与平纹织物之间的关系，并将公式推广至普通织物中去，使公式 具有普遍适用性。下面我们就以1 1 平纹织物拉伸断裂的数学模 型为基础，探讨斜纹织物的数学模型。我们将以2 l 、2 2 和3 1 斜纹织物为代表。 ( 1