三维纵横步进编织预成型件的计算机仿真.pdf

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1、第2 9 卷第9 期 2 0 0 8 年9 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N O 9 S e p 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 9 - 0 1 2 9 - - 0 5 三维纵横步进编织预成型件的计算机仿真 邵将，温卫东，崔海涛 ( 南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京2 1 0 0 1 6 ) 摘要针对三维纵横步进编织物的建模仿真问题。基于三维纵横步进编织的基本编织原则，引入编织图对其编 织模式进行描述，将编织过程转换为数学置换运算过程，通过计

2、算机模拟纵横步进编织运动，并采用B 6 z i e r 曲线对 纱线运动轨迹进行拟合，利用计算机图形技术对三维编织结构进行显示。获得了一种设计与实现三维纵横步进编 织预成型件的计算机仿真方法，从而解决了各种纵横步进编织工艺预成型件的仿真问题。同时针对规则截面以及 异型截面的预成型件结构进行了仿真分析，仿真结果表明所提出的仿真方法有效、可行。 关键词三维编织预成型件；纵横步进编织；计算机仿真；编织图；B 6 z i e r 血线 中图分类号：T B3 3 2文献标识码：A C o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h r e e - d i m e n s i

3、 o n a lp r e f o r m su s i n gt r a c k a n dc o l u m nb r a i d i n g S H A OJ i a n g ，W E NW e i d o n g ，C U IH a i t a o ( 嘶o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g ，N o m j i n g 蚵o A e r o n a u t i c s A s t r o n a u t i c s ，N a n j i n g ，J i a n g s u2 1 1 6 ，C h i n a ) A b

4、s t r a c t A i m i n ga t t h es i m u l a t i o np r o b l e mo ft h r e ed i m e n s i o n a lt r a c ka n dc o l u m nb r a i d i n gp r e f o r m s ， b r a i d i n gs c h e m ei si n t r o d u c e dt od e p i c tt h eb r a i d i n gm o d eb a s e do nt h eb a s i cb r a i d i n gp r i n c i p l

5、 e T h eb r a i d i n g p r o c e s si st r a n s l a t e dt oam a t h e m a t i co p e r a t i o n ，t h e nt h em o v e m e n to ft r a c ka n dc o l u m nb r a i d i n gi ss i m u l a t e d T h et h r e a dp a t hi sd e s c r i b e db yB 6 z i e rc u r v e 。t h u st h e3 - Db r a i d i n gp r e f

6、o r m si sd e r i v e du s i n gc o m p u t e r g r a p h i c st e c h n i q u e T h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r da n e ww a yf o rb r a i d e df a b r i cs t r u c t u r es i m u l a t i o nf o rt h r e e d i m e n s i o n a lt r a c ka n dc o l u m nb r a i d i n gp r e f o r m s ，a n dt h

7、ec o m p l i c a t e ds i m u l a t i o np r o b l e mi ss o l v e d F i n a l l y ， s i m u l a t i o n so fn , g u h ra n di r r e g u l a rs e c t i o n so fb r a i d i n gp r e f o r m ss t r u c t u r e sa r ec o n d u c t e da n dt h e r e s u l t sp r o v e t h a tt h em e t h o di so fa v a

8、i l a b i l i t y K e yw o r d s 3 - Db r a i d i n gp r e f o r m s ；t r a c ka n dc o l u m nb r a i d i n g ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ：b r a i d i n gs c h e m e ； B 6 z i e rc u r v e 三维编织复合材料因其整体的纤维空间网格结 构显著提高了强度和刚度，避免了传统层合复合材 料中的分层，同时具有优良的抗损坏性及良好的力 学性能和耐烧蚀性能，所以受到普遍关注，已成为航 空航天领域的重要结构材

9、料。纵横步进编织作为一 种通过编织锭子组在平面纵横方向上的交替运动完 成编织过程的三维编织方法，在2 0 世纪9 0 年代初 出现了一个研究高潮，在编织模式、编织原理、编织 设备以及编织预成型件的结构及性能等方面取得了 较大进展口。2 】。文献 3 4 提出了一种以编织图和 方格阵来描述三维纵横步进编织的方法，反映了实 现编织过程的基本要素，并研究了纵横步进编织技 术中编织盘的初始排列规则、编织规律中的步进循 环数与约束条件的关系及纵横向编织步进阵的规律 等。目前，纵横步进编织的研究多集中在四步法矩 形编织结构的细观结构及力学性能分析方面1 5 。7 1 ， 而关于纵横步进编织的仿真研究局限在

10、简单的三维 四步法1 1 编织工艺，三维纵横步进编织预成型件 收稿日期：2 0 0 7 0 9 0 3修回日期：2 0 0 8 0 2 2 5 作者简介：邵将( 1 9 8 卜) ，男，博士生。研究方向为三维编织复合材料的力学性能。温卫东，通讯作者。E - m a i l ：g s w w d n u 腿 e d u c n o 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 0 纺织学报第2 9 卷 仿真方法的系统研究尤其是异型截面编织实体的建 模问题目

11、前仍未得到解决。 在前人研究的基础上，本文利用计算机图形技 术提出一种设计与实现三维纵横步进编织预成型件 计算机仿真的方法。在方法实现上，采用数学中集 合和置换理论建立编织模式与方格阵之间的数学模 型，将编织过程转换为数学运算过程，利用 V i s u a lC + + 6 0 开发三维编织物空间形状和位置数 据的设计计算程序，以U GN X 2 0 为仿真平台构造 纱线的实体模型及纱线的运动过程，从而系统地解 决三维纵横步进编织的计算机仿真问题，得到比较 精确的织物宏观结构。 1 纵横步进编织法的基本编织原则 纵横步进编织的工作原理是通过载纱锭座沿编 织盘上纵横交叉的轨道移动，使锭座上的编织

12、纱产 生交错运动而实现立体上的编织，最终形成不分层 的三维整体结构。在这种工作原理下编织盘上的锭 座采用整行和整列的方式移动，即纵横步进编织的 基本编织原则。 传统的四步法和多步法的定义方式仅表达了完 成编织所需的锭座步进次数，从编织特征上来讲均 属于纵横步进编织，其中最简单的四步法2 2 编织 过程如图l 所示，通过这种编织过程所得到的编织 结构即为三维四向结构。图2 为八步法4X4 编织 过程示意图。改变图中纵向或横向每次步进的距 离，即步进的距离取2 个方格或更多方格，或者增加 锭座纵横方向的循环数，则可以得到结构更为复杂 的三维编织预成型件。 8 高醪一 8 一警 初始状态第1 步 出

13、8 一鄹孙8 囤固一鄹园 囝 8 甲学一呷g 第2 步第3 步第4 步 图l四步法三维编织工艺示意图 隐1 S c h e m eo f4 - - s t e p3 - Db r a i d i n gp r o c e s s 嚣署；喾替 嚣皤；喾替 第5 步第6 步第7 步第8 步 图2 八步法三维编织工艺示意图 F i g 2 S c h e m eo f8 - s t e p3 - Db r a i d i n gp r o c e s s 2 纵横步进编织法的描述 2 1编织图 为研究编织模式和锭子的移动轨迹之间的关 系，引用编织图的方式来表达纵横编织过程。即用 1 个方格阵表示编织

14、盘，用标有符号或色泽的方格 表示锭子在编织盘上的初始排列状态，分别在方格 阵的左侧和顶侧相应位置用数阵的形式表示锭子横 向所有行和纵向所有列的移动模式，并将这2 个表 示移动模式的数阵与方格阵一起称为纵横编织图， 简称编织图。 图3 为八步法工字梁的纵横步进编织图。编织 方格阵上方的整数矩阵表示纵向步进阵，阵的最上 面一行表示第1 次纵向步进；左方的整数矩阵表示 横向步进阵，阵的最左面一列表示第1 次横向步进， 数字表示对应的该列或者该行沿相应方向移动的方 格数，0 表示不移动，负号表示向左或向上移动，正 号表示向右或向下移动。方格阵中的每个小方格代 表纵横轨道的交叉点，方格的颜色表示锭座存在

15、的 状态，白色方格代表未放置锭座，浅灰色方格代表空 载锭座，即该锭座上不挂纱或纤维束，但占据了纵横 轨道的交叉点，深灰色方格代表载纱锭座。这样的 编织方格图全面准确地描述了纵横步进编织过程中 实际编织时锭座在编织盘上的排列情形| 4 1 。 2 2 纵横步进编织过程的置换表达 利用组合数学中集合原理，可以将编织方格阵 抽象为一个集合F ，将方格阵中每个方格抽象成为 此集合中的元素。步进阵z 和H ( 即编织模式) 可 以抽象为作用在，上的映射( z ，) ，方格阵按步 进阵( Z ，日) 运动的结果成为映射垂作用在F 上的 结果。为了使集合F 中的元素在西( Z ，H ) 下的像 都保持在集合

16、F 中，即所有方格都在方格阵内交 换，设定左边阵的左侧与右边阵右侧相接，形成封 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第9 期邵将等：三维纵横步进编织预成型件的计算机仿真 。1 3 1 图3 八步法工字形编织图 F i g 3 S c h e m eo f8 - s t e p3 - D ”g o u g - s h a p eb r a i d i n gp m c e 鹤 闭；上边阵的顶部与下边阵底部相接，亦形成封闭。 这样，西( Z ，H ) 成为

17、作用在F 上的变换。而且方格 阵中的方格数总是有限的，方格在交换过程中既不 会增加，也不会减少，因此变换垂( Z ，H ) 就成为作 用在F 上的置换。采取上述的抽象之后，编织过程 转化成为对集合F 中有限元素的置换。利用置换 这一成熟的数学工具，可以对编织模式和编织锭子 的移动模式之间的关系进行数学分析，从中得到以 下结论：1 ) 对纵横步进编织过程进行数学抽象之后， 纵横步进编织过程转化成为对二维数组矩阵的数学 置换运算过程；2 ) 由于数学置换的特点，置换的过程 与置换元素的值无关H 。 具有较好的几何特征和很高的灵活性。本文用 l 始z i e r 曲线来拟合纱线在制件中的形状。 在对

18、折线形式的运动轨迹进行光顺处理时，将 纤维每一步所到达的位置作为控制点，采用B 6 z i e r 曲线进行柔顺拟合：对J I v + 1 个控制点P 。( k = 0 ， ，) ，生成向量P ( u ) ，P ( H ) 为描述P o 到 之 间的B 6 f i e r 近似函数。 P ( u ) ：P I 风( ) ，0 M l ( 1 ) 正历 式中：P 。构成该B 6 z i e r 曲线的特征多边形；B 洲( “) 是几次B e m s t e i n 基函数。 B 州( u ) = 蝶( 1 一扯) 肌= 百“t(1一u)MNk 露! (一) ! 坤、1 一曲7 后：0 ，1 ，N

19、( 2 ) 4 三维纵横步进编织物的仿真方法 本文所建立的三维纵横步进编织预制件的仿真 系统流程图如图4 所示。 开始 二工二 初始化模块 3 三维编织纱线屈曲状态的描述厂1 赢 通过编织图可以方便地得到实际编织时锭座在 编织盘上的排列情形。对于纵横步进编织，载纱器 每运动l 步，根据定义的编织纱线步进的距离和制 件成型方向前进的距离，通过建立笛卡尔坐标系进 行分析可得到每根纱线的具体位置。取编织物基本 阵列的行方向为戈轴方向，列方向为Y 轴方向，取： 坐标为编织物高度方向坐标，根据纱线在叫坐标面 内的运动轨迹，再考虑每个运动循环后每根纱线沿 三维编织的高度方向( 彳方向) 移动1 个编织节距

20、， 就可确定每根纱线在空间的形状和位置的有关 数据。 由于携纱器带动纱线的运动轨迹为折线形式， 经过预成型件的“打紧”工序成为光滑曲线结构，因 此在仿真模拟时，必须对运动轨迹进行光顺处理。 B 6 z i e r 曲线是在物理样条的数学模型基础上发展而 来的，在工程和C A D C A M 系统中应用非常广泛。 编织规律运算模块 输入主体行列阵m n 行边阵方格数f ，列边阵，玎格数c 输入步进循环数r 输入锭了循研数丁 输入纵向步进阵z 和横向步进阵， 判断步进的方向： 纵横步进阵中元素值的正负 每一次步进的置换： 输出每一步进循外后锭子的位置 输出譬蒹絮达的H 噌嚣黝嚣麓袭鬻 l 台编织纱

21、线的空闻运 动轨迹 二二 二二二 建立编织结构的三维 实体图形 r 一 厂萧 图4 三维纵横步进编织预制件的仿真系统流程图 F i g 4 S i m u l a t i o ns y s t e mf l o wc h a r to f3 - Dt r a c ka n d c o l u m nb r a i d i n gp r e f o r m 根据上述编织物纱线空间形状和位置数据的确 定方法，在按照编织图通过置换理论得到编织过程 中锭座在编织盘上的排列情形，用V i s u a lC + + 6 0 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchas

22、e from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 2 纺织学报第2 9 卷 开发了三维编织物空间形状和位置数据的设计计算 程序，程序根据已知参数计算出纱线的空间形状和 位置数据，并将这些数据写入数据文件。再以 U GN X 2 0 为三维仿真平台，将纱线每一步所到达的 位置作为控制点，采用B 6 z i e r 曲线拟合得到编织纱 线的空间运动轨迹，假设纱线横截面为圆形，其圆心 沿编织纱线的轨迹移动，并保证轨迹线的切线方向 和纱线横截面的法线方向一致，绘出每根编织纱线 的实体图，进而可以得到编织结构的三维实体图形， 实现纵横步进编织三维预

23、成型件的计算机仿真。 三维四步法4 4 矩形、三维八步法8 8 方管 形编织预制件所对应的编织图及实物模拟如图5 、6 所示。针对图3 所示的三维八步法6 6 工字形编 织预制件的编织图，建立的实体模型如图7 所示。 ( a ) 编织图(b)横截面(c)三维外观 图5四步法4 4 矩形编织物的编织工艺图及计算机模拟图 隐5B r a i d i n gp r o c e s sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ns c h e m eo f4 - s t e p4 4s q u a r eb r a i d i n gp e r f o r m ( a

24、 ) B r a i d i n gp r o c e s s ；( b ) C r o s s - 鸵c t i o n ；( c ) 1 1 l r e e - d i m e n s i o n a la p p e a r a n c e ( I ) 编织图C o ) 横藏面 ( c ) 三维外观 图6 八步法方管形编织物的编织工艺图及计算机模拟图 F i g 6B , 丑i d i n gp r o c e s sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ns c h e m eo f8 - s t e p3 - Ds q u a r et u b

25、eb r a i d i n gp e d o r m ( a ) B r a i d i n gp r o c e s g ；( b ) C r o s s s e c t i o n ；( c ) T h r e e - d i m e n s i o n a la p p e a r a n c e (”横截面(I)三雉外观 图7 计算机模拟的八步法工字形编织物 F i g 7C o m p u t e rs i m u l a t i o n 卵h e m eo f8 - s t e p ”g D n 矿s h a p eb r a i d i n gp e r f o r m ( a

26、 ) C r o s s - s e c t i o n ； ( b ) T h r e e - d i m e n s i o n a la p p e a r a n c e ( 下转第1 3 6 页) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 6 纺织学报第2 9 卷 C U B E 算法从服装整体销售考虑，将具有相似历史 销售记录的服装分组，C 4 5 决策树将这些服装的属 性和从聚类中抽取的销售原型联系起来。然后，决 策树就可以将未来销售的

27、服装和用属性描述的销售 原型联系在一起，这就构成了服装销售预测模型。 通过对5 6 8 项历史销售数据和3 2 6 项新数据进 行测试，该模型中期预测的准确率与其他预测模型 相比有了很大的提高。然而，在决策树的分类中出 现了一些错误，这些错误的产生是由对未来销售服 装的属性掌握不充分造成的。考虑到服装销售市场 的复杂性，可以将决策树算法与其他算法相结合，如 神经网络、遗传算法以及模糊算法等，这些算法有待 于进一步的讨论。渊 参考文献： 1 万艳敏。陈胜，戴淑娇基于时间序列和P E R T 的服装 销售预测方法研究 J 丝绸，2 0 0 6 ( 1 1 ) ：6 0 6 3 2 C , uH a

28、 i j u n ，Z h a n gT i a n p i n g D e c e n t r a l i z e dm o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v es l i d i n gm o d ec o n t r o l b a s e do nf u z z ym o d e l J J o u r n a lo fS y s t e m sE n g i n e e r i n ga n dE l e c t r o n i c s ，2 0 0 6 ， 1 7 ( 1 ) ：1 8 2 1 8 6 3 F r a n kC e l i a

29、 ，G a r gA s h i s h F o r e c a s t i n gw o m e n sa p p a r e l s a l e su s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g J I n t e n a t i o n a lJ o u r n a l “- - 。一I I - 1 0 - _ I ”- o - ( 上接第1 3 2 页) 由以上实例可见本文所建立的三维编织物仿真 模型几何结构形状比较理想，说明本文提出的仿真 方法与技术具有很好的效果。 5结论 本文在分析三维纵横步进编织原理和编织过程 的基础上，采用集合和

30、置换理论将编织过程转换为 数学运算过程，提出运用计算机技术来实现纵横步 进编织过程仿真的方法，系统地解决了三维纵横步 进编织预成型件的计算机仿真问题，得到了合理的 预成型件实体模型，使得在编织物织造前就可观察 到编织物的形成过程及其空间结构，对提高编织物 的设计与制造效率和质量具有较好的现实意义。所 建立的计算机三维仿真方法适用于纵横步进编织中 各种规则截面以及异型截面的立体编织预制件的实 体建模问题。黼 o fC l o t h i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 。2 0 0 3 ，1 5 ( 2 ) ：1 0 7 1 2 5 H a nJ

31、 i a w e i ，K a n l b e rM i c h e l i n e D a t aM i n i n gC o n c e p t sa n d T e c h n i q u e s M N e wY o r k ：A c a d e m i cP r e s s ，2 0 0 1 ：2 3 9 2 4 0 暴志刚顾新建，徐河杭，等面向纺机行业的可重构 客户关系管理系统 J 纺织学报，2 0 0 6 2 7 ( 1 2 ) ： 1 1 7 一1 2 0 杨青海，祁国宁，李响烁服装大批量定制的主要形 式与实现方法 J 】纺织学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 3 ) ：1 1

32、 5 一1 1 9 A k u m eD ，W e b e rGW C l u s t e ra l g o r i t h m s ：t h e o r ya n d m e t h o d s J J o u r n a lo fC o m p u t a t i o n a lT e c h n o l o g i e s ，2 0 0 2 ， 7 ( 1 ) ：1 5 2 7 何劲松，郑浩然，王煦法从熵均值决策到样本分布决 策 J 软件学报，2 0 0 3 ，1 4 ( 3 ) ：4 7 9 4 8 3 D o m b iJ ，Z s i r o sA L e a r n i n gm

33、 u l t i c r i t e r i ac h s s i f i c a t i o n m o d e l sf r o m e x a m p l e s ：d e c i s i o n r u l e si n c o n t i n u o u s s p a c e J E u r o p e a nJ o u m a l o f O p e r a t i o n a lR e s e a r c h ， 2 0 0 5 ( 3 ) ：6 6 3 6 7 5 D u c hW ，S c t i o n oR ，Z u r a d aJM C o m p u t a t

34、i o n a li n t e l l i g e n c e m e t h o d sf o rr u l e b a s e dd a t au n d e r s t a n d i n g J P r o c e e d i n g s o f t h eI E E E ，2 0 0 4 ，9 2 ( 5 ) ：7 7 1 8 0 5 M u l l e rW ，W i e d e r h o l dE A p p l y i n gd e c i s i o nt r e em e t h o d o l o g y f o rr u l e se x t r a c t i o

35、 nu n d e rc o g n i t i v ec o n s t r a i n t s J 】E u r o p e a n J o u r n a lo fO p e r a t i o n a lR e s e a r c h ，2 0 0 2 ( 2 ) ：2 8 2 2 8 9 十_ _ q “ 参考文献： 1 】【jW ，H a m m a dM ，E l - S h i e k hA S t r u c t u r a la n a l y s i so f 3 - D b r a i d e d p r e f o r r n s f o r c o m p o s

36、i t e s p a r tI ：f o u r - s t e p p r e f o n n s J JT e x tI n s t ，1 9 9 0 ，8 1 ( 4 ) ：4 9 1 5 1 4 2 K o s t a rTD ，C h o uTW M i c r n s t r u c t u r ed e s i g no fa d v a n c a d m u l t i - s t e pt h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d e dp r e f o m m J JC o m p o s M a t e r ，1 9 9 4 ，2

37、 8 ( 1 3 ) ：1 1 8 0 1 2 0 1 3 】李毓陵，丁辛纵横步进编织中的一些基本概念 c 复合材料的现状与发展：全国第十届复合材料学术会 议论文集合肥：中国科学技术大学出版社。2 0 0 0 ： 3 3 9 3 4 2 4 李毓陵三维编织规律的研究 D 上海：东华大学。 2 0 0 4 【5 】C h e nL ，T a oXM ，C h o yCL O nt h em i c r o m r u c t u r eo f t h r e e - d i m e n s i o n a lb r a i d e d p r e f o n n s J 】C o m p o s

38、 S c i T e c l m o l 。1 9 9 9 ，5 9 ：3 9 1 4 0 4 6 】S u nw ，“nF ，H uX C o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dm a d 幽- s o fc o m p o s i t eu n i te e l l s J C o m p o sS c iT e c h n o l 。2 0 0 1 6 l ： 2 8 9 2 9 9 7 卢子兴，杨振宇，刘振国三维四向编织复合材料结构 模型的几何特性 J 】北京航空航天大学学报2 0 0 6 。 3 2 ( 1 ) ：9 2 9 6 j 】 】 4 5 6 7 8 9 m n r L r L r L r L ，L r L r L ，L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark