经编组织三维仿真中的线圈偏移.pdf

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1、第3 1 卷第3 期 2 0 1 0 年3 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 3 1 。N o 3 M a r ，2 0 1 0 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 6 4 0 4 经编组织三维仿真中的线圈偏移 张丽哲，蒋高明 ( 生态纺织教育部重点实验室( 江南大学) ，江苏无锡2 1 4 1 2 2 ) 摘要为了采用计算机技术更真实地模拟经编组织中线圈的形态结构，通过观察各种经编针织物的线圈结构， 分析由纱线张力所引起的线圈偏移规律，得出了线圈偏移理论和计算公式。

2、该理论假设同一枚针上的线圈偏移量 是该针上所有线圈偏移量的累加值。结合此偏移理论，在已建立的经编线圈三维模型的基础上，修正了定义线圈 三维结构的部分控制点坐标。最后结合V i s u a lC + + N E T 编程语言和O p e n G L 工具，成功实现了各类单针床经编 针织物的计算机三维仿真。仿真图片与真实织物对比，在形态结构上具有较高的相似度。 关键词经编组织；线圈偏移；三维仿真；O p e n G L 中图分类号：T S1 8 4 ；T P3 9 1 7 2文献标志码：A L o o po f f s e to fw a r p - - k n i t t e ds t r u

3、c t u r e si n3 Ds i m u l a t i o n Z H A N GL i z h e ，J I A N GG a o m i n g ( K e yL a b o r a t o r yo f E c o - T e x t i l e s ( J i a n g n a nU n i v e r s i t y ) ，M i n i s t r yo f E d u c a t i o n ，W u x i ，J i a n g s u2 1 4 1 2 2 ，C h i n a ) A b s t r a c tI no r d e rt os i m u l a

4、 t et h el o o pc o n s t r u c t i o no fw a r p k n i t t e ds t r u c t u r e sm o r et r u l yw i t hc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，l o o po f f s e tt h e o r ya n dc a l c u l a t i o nf o r m u l aa r ed e r i v e da f t e ro b s e r v i n gt h el o o pc o n s t r u c t i o no f a l lk

5、i n d so fw a r p k n i t t e df a b r i c sa n da n a l y z i n gt h er e g u l a t i o no fl o o po f f s e tc a u s e db yy a r nt e n s i o n T h e t h e o r ya s s u m e st h a to f f s e ti st h ea c c u m u l a t e dv a l u eo fe a c hl o o po f f s e ti nt h es a m en e e d l e A p p l y i n

6、 gt h e t h e o r yt ot h et h r e e - d i m e n s i o nm o d e lo fw a r p - k n i t t e dl o o p ，t h ec o o r d i n a t e so fs o m ec o n t r o lp o i n t sd e f i n i n g t h el o o pa r ea m e n d e d F i n a l l y c o m p u t e r3 一Ds i m u l a t i o no ft r i c o tw a r p k n i t t e df a b

7、r i c si ss u c c e s s f u l l y r e a l i z e dw i t ht h ep r o g r a ml a n g u a g eV i s u a l C + + N E Ta n dt h et o o lo fO p e n G L C o m p a r i n gt h es i m u l a t e d i m a g e sw i t ht h er e a lf a b r i c s ，i ti sf o u n dt h a tt h e r ei sh i g hs i m i l a r i t yo nf a b r

8、i cc o n s t r u c t i o nb e t w e e nt h e m K e yw o r d sw a r p k n i t t e ds t r u c t u r e ；l o o po f f s e t ；3 - Ds i m u l a t i o n ；O p e n G L 采用计算机技术对织物进行三维仿真，其最终 目的是力求真实地模拟织物的形态结构，展示其三 维结构特征，进而方便研究织物的力学性能和其他 特性。目前，计算机三维仿真技术在纺织行业的多 个领域都已得到发展和应用，如机织物、纬编针 织物旧o 、编织物3 等。就经编针织物而言，其计算 机三维

9、仿真研究在国内外开展的较少，仿真程度也 与真实织物存在差异山1 。这些对经编织物三维仿 真的研究，往往仅限于对纱线走纱轨迹的模拟，而对 织物中线圈真实形态以及织物整体效果的三维仿真 还缺乏深入研究。 为了真实地展现经编针织物中线圈的结构形 态，本文将重点研究经编线圈的偏移问题，并结合之 前的研究成果，运用计算机技术模拟出经编针织 物的真实形态。 1 线圈偏移的原因分析 在经编针织物，特别是一些网眼类织物中，线圈 不是呈直立柱状处于组织结构中，而是存在一些偏 移，如图1 所示。线圈的偏移与纱线张力紧密相关， 纱线张力的大小直接影响线圈的偏移程度。纱 线张力是由多方面因素引起的，如织物上机编织时

10、的送经张力、原料粗细等。纱线张力越大，线圈倾斜 收稿日期：2 0 0 9 0 3 1 2修回日期：2 0 0 9 0 8 一0 6 作者简介：张丽哲( 1 9 8 2 一) ，女，博士生。研究方向为计算机技术在经编中的应用。蒋高明，通讯作者，E - m a i l ：j i a n g 5 2 6 c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期 张丽哲等：经编组织三维仿真中的线圈偏移 6 5 程度越大。此外，织物的组织结构也会对线圈偏移 产生

11、影响。通过分析各种具有不同组织结构的经编 针织物可以发现，在原料、纱线粗细、织物密度相同 的情况下，线圈的延展线长度和方向对线圈偏移起 主导作用。 图l 经编针织物显微图 F i g 1P h o t o m i c r o g r a p ho fw a r p - k n i t t e df a b r i c 2 线圈偏移量的计算 在不同的经编组织结构中，线圈的偏移方向与 偏移幅度各不相同。为简化线圈偏移规律，方便对 线圈偏移量进行量化计算，这里假设线圈偏移仅受 纱线张力和线圈延展线长度影响，并且线圈偏移仅 考虑横向位移，忽略纵向变形呻1 。 2 1 成圈线圈的偏移量计算 在成圈经编组

12、织中，每个线圈都与上下2 根延 展线相连，因此，线圈偏移量可通过这2 根延展线的 长度计算得到。为方便描述与计算，定义如下坐标 体系：以织物平面为X O Y 坐标平面，当前线圈的机 上位置( 即线圈未发生偏移时的位置) 为原点0 点， 水平向右为x 轴正向，垂直向上为y 轴正向。 如图2 所示定义线圈延展线长度如下：设，t ，为 连接前一横列与当前横列线圈延展线所跨越的矢量 针距数，厅：为连接当前横列与下一横列线圈延展线 所跨越的矢量针距数。其计算公式为 ，l - = 一以一- ( 1 ) 忍2 = 犯+ ，一N 。 ( 2 ) 式中：_ 为当前横列数；N i 为当前横列所在的针号； 川为前一

13、横列所在的针号；以+ 。为下一横列所在 的针号。 1 ) 当1 , 。0 ，且n ：O 时，即非编链线圈，在上述 坐标体系下，与当前横列线圈相连的2 根延展线方 向可归纳为4 种情况：n l 0 ；，善1 0 ，1 2 0 ，J 1 2 0 。此4 种情况下，当前横 列线圈偏移量正都可用以下公式求得： d f = ( ，1 2 一n 1 ) 矗 ( 3 ) 式中蠡为张力系数，与纱线张力有关。系统应用界 面中会给出一个常用的k 值，用户也可根据生产实 践经验中织物上机时的纱线张力大小估算k 值，通 过多次调节达到最佳状态。 2 ) 当，l 。= 0 ，且n ：0 时，当前横列线圈偏移量 嘭= I

14、 f , 2 k 。 3 ) 当n 。0 ，且n ：= 0 时，当前横列线圈偏移量 嘭= 一t l , I k 。 4 ) 当n ，= 0 ，且，l ：= 0 时，当前横列线圈为编链 线圈，线圈自身延展线对线圈偏移无影响，但上下横 列线圈的偏移会影响当前编链线圈，因此，在此情况 下，根据上下横列线圈的偏移量来计算当前横列线 圈的偏移量d ，= ( d ，- l + d 川) 2 。式中d 卜。为前一 横列线圈的偏移量，d 为下一横列线圈的偏移量。 。 厂。 L 八 1n 2 - 1 V、 。，仝 夕 M 1 。r 、 7 L 。八 M - l 图2 线圈延展线长度示意图 F i g 2 S k

15、 e t c hm a po fu n d e d a pl e n g t h 以上所求线圈偏移量均为单把梳栉的线圈偏移 量，实际织物往往由多把梳栉编织而成，因此每根针 上编织的线圈受到该根针上所有线圈拉力的作用， 偏移量也是各线圈偏移量叠加之和一o 。例如经平 组织中，每根针上的线圈仅受自身延展线的影响发 生偏移，如图3 ( a ) 所示；在双经平组织中，由于每根 针上有2 个延展线长度相同且反向垫纱的线圈，2 个方向的牵拉力相互抵消，因而线圈不发生偏移，呈 直立状态，如图3 ( b ) 所示。 令数组S H 为第k 根针上当前横列所有线圈的 偏移量；k ；为第i 把梳栉的偏移系数，k ；

16、1 ，用于调 节第i 把梳栉的线圈对当前针上线圈偏移所作贡献 的大小，且所有梳栉的偏移系数之和为1 ，即 n _ k ；= 1 。k ；可由用户根据各把梳栉的垫纱情况通 蜀 过多次调试获得最佳值，则 s 茸= 矗；嘭 ( 4 ) i - I 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 6 6 纺织学报第3 1 卷 ( a ) 经平组织( b ) 双经平组织 图3 经编组织显微图 F i g 3P h o t o m i c r o g r a p ho fw

17、a r p k n i t t e ds t r u c t u r e s ( a ) T r i c o ts t r u c t u r e ；( b ) D o u b l et r i c o ts t r u c t u r e 其中n 为最大梳栉数。 2 2 衬纬线圈的偏移量计算 织针编织衬纬组织时无针前垫纱，仅依靠针背 横移将纱线垫入织物中，因而单独的衬纬组织不能 形成织物，前梳必须为成圈梳栉。衬纬组织虽无针 前垫纱形成的线圈，但同样有连接前后2 横列线圈 的延展线，而且延展线的方向与长度也会对线圈的 偏移产生影响。 通过对比分析可以发现，衬纬线圈的延展线对 线圈偏移所作的贡献

18、与成圈线圈延展线相同，同样 可用式( 4 ) 求得，而且前述对单把梳栉线圈偏移量 的算法对衬纬线圈同样适用，这里不再赘述。 3 三维线圈模型各点偏移量的确定 文献 7 运用非均匀有理B 样条( N U R B S ) 曲线 和曲面原理建立了经编线圈的三维结构模型，已实 现较理想状态下经编组织的三维仿真。通过以上对 线圈偏移量的分析与计算，可以将这一因素加入到 三维线圈模型中，从而使该模型的适用范围更广，模 拟效果更逼真。 3 1 成圈线圈各点偏移量的确定 在用N U R B S 方法建立成圈线圈的三维模型 时，采用1 1 个型值点来确定1 个线圈，见图4 0 。 当线圈发生偏移时，由于受不同横

19、列线圈拉力的影 响，各点的偏移量并不相同。 对这1 1 个点的位置进行分析，可以将这些点分 为3 组，分别受不同拉力的影响。P 。、P 。、P ”P 。、P ， 这5 个点位于线圈的根部，主要受连接当前针上 ( 第根针) 当前横列( 第_ 横列) 线圈的2 根延展 线的拉力作用，但这5 个点受此拉力的影响稍有不 同，由式( 4 ) 可以分别求出各点偏移量S k 。，其 Z 图4 成圈线圈模型图 F i g 4 L o o pm o d e l n 中k 。为影响系数，k 。1 ，根据各点位置稍作调节。 P ：、P 3 、P 4 这3 个点位于线圈的顶部，主要受当前针 上( 第，根针) 下一横列

20、( 第_ + 1 横列) 线圈延展线 的拉力作用，且三点所受拉力大小可近似认为相同， 因此其偏移量为S 删+ 。P 。、P “ P 。这3 个点位于当 前横列线圈延展线的上方，可近似认为主要受与当 前横列线圈相连的那根针上( 第根针) 下一横 列( 第_ + 1 横列) 线圈延展线的拉力作用，故其偏移 量为S 扎小。k 。，调节k 。大小来调节各点偏移量。 以上各点的偏移量均可通过式( 4 ) 计算得到。 将偏移量加入到各点的x 坐标值中，就可以得到成 圈线圈发生偏移时各型值点的坐标值。 图5 示出经平组织和双经平组织的计算机三维 仿真图。通过与图3 ( a ) 、( b ) 中真实织物对比可

21、以 发现，采用上述线圈偏移量算法能够较逼真地模拟 成圈组织。 ( a ) 经平组织( b ) 双经乎组织 图5 经平组织三维仿真图 F i g 5 3 - Ds i m u l a t i o ni m a g eo fw a r p k n i u e d s t r u c t u r e s ( a ) T r i c o ts t r u c t u r e ； ( b ) D o u b l et r i c o ts t r u c t u r e 3 2 衬纬线圈各点偏移量的确定 在三维立体模型中，衬纬线圈由5 个型值点定 义，见图6 7 。线圈受力发生偏移时，这5 个点分为 2

22、 组，分别受不同横列线圈拉力的作用。P 。、P 。、P ： 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期张丽哲等：经编组织三维仿真中的线圈偏移 6 7 这3 个点在线圈发生偏移时，变形基本相同，主要受 当前针上当前横列线圈延展线的拉力作用，故用式 ( 4 ) 可求其偏移量S ，。P 3 和P 4 这2 点构成的曲线 与当前横列线圈相连的那根针上( 第M + 。根针) 下 一横列的线圈相连接，因此其变形主要受其延展线 拉力影响，偏移量s 忆“。也可通过式

23、( 4 ) 计算得到。 Z 图6 衬纬线圈模型图 F i g 6I n l a ym o d e l 通过上述方法计算得到衬纬线圈各点的偏移 量，将其加入到各点x 坐标值中，即可得到线圈发 生偏移时各点的坐标值，然后与计算机程序相结合， 衬纬组织的三维仿真图就可以实现。图7 ( a ) 和 7 ( b ) 分别所示了六角网眼组织的实物图和计算机 三维仿真图。 ( 8 ) 显徽图( b ) 三维仿真图 图7 经编六角网眼 F i g 7W a r p - k n i t t e dh e x a g o n a ln e tf a b r i c ( a ) P h o t o m i c r

24、o g r a p h ( b ) 3 - Ds i m u l a t i o ni m a g e 4 结语 本文通过分析各种经编针织物中线圈的真实形 态得出，机上纱线张力以及线圈延展线的方向和跨 越的针距数是影响线圈偏移的主导因素。本文重点 在于通过计算每根针上单个线圈的偏移量，采用累 加的方法得出每根针上线圈的整体偏移量；并结合 已有的经编线圈三维结构模型，运用 V i s u a lC + + N E T 编程语言叫实现线圈受力偏移 时经编组织的三维仿真，其中一些参数，如纱线张力 系数、纱线粗细、梳栉偏移影响系数等都可以通过用 户界面进行调节，灵活方便。将三维仿真图与织物 组织实拍照

25、片对比后发现，经编组织的计算机三维 仿真效果良好，这也进一步证明本文所采用的线圈 偏移量计算公式合理、实用，适用范围广，有望推广 到各类经编针织物线圈的偏移计算中。 参考文献： 1 张瑞云，黄新林，李汝勤机织物的计算机三维模 拟 J 。纺织学报，2 0 0 5 ，2 6 ( 1 ) ：6 2 6 3 ，6 9 Z H A N GR u i y u n ，H U A N GX i n l i n ，L I R u q i n 3 D c o m p u t e rs i m u l a t i o no fw o v e nf a b r i c J J o u r n a lo f T e x

26、 t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 5 ，2 6 ( 1 ) ：6 2 6 3 ，6 9 2 刘夙，龙海如纬平针织物的计算机三维模拟 J 纺织学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 2 ) ：4 1 4 4 L I US u 。L O N GH a i r n T h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p u t e r s i m u l a t i o no fp l a i nw e f tk n i t t e df a b r i c J J o u r n a lo f T e x t i l eR e s e a r

27、c h ，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 2 ) ：4 l 一4 4 3 】王君泽，曹红蓓三维编织物的计算机仿真系统研 制 J 纺织学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ：1 0 6 1 0 7 W A N GJ u n z e ，C A OH o n g b e i D e v e l o p m e n to fc o m p u t e r s i m u l a t i o ns y s t e mf o r3 - d i m e n s i o n a lb r a i d e df a b r i c s J J o u r n a lo fT e x t i l eR e

28、 s e a r c h ，2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ：1 0 6 1 0 7 4 G O K T E P EO ，H A R L O C KSC T h r e ed i m e n s i o n a l c o m p u t e rm o d e l l i n go fw a r pk n i t t e rs t r u c t u r e s J T e x t i l eR e s e a r c hJ o u r n a l ，2 0 0 2 ，7 2 ( 3 ) ：2 6 6 2 7 2 5 A D A N U RS ，L I A OT 3 Dm o d e l

29、 i n go ft e x t i l ec o m p o s i t e p r e f o r m s J C o m p o s i t e sP a r tB ：E n g i n e e r i n g ( U K ) ， 1 9 9 8 ，2 9 B ：7 8 7 7 9 3 6 K A R LM a y e r P r o C A Dw a r p k n i t3D ：aH e wd i m e n s i o n i n d i s p l a y i n ga n ds i m u l a t i n gl a p p i n g s J K e t t e n w i

30、 r k P r a x i s ，2 0 0 8 ( 3 ) ：3 6 3 7 7 张丽哲，蒋高明，高卫东经编组织的三维仿真与动 态实现 J 纺织学报，2 0 0 9 ，3 0 ( 2 ) ：1 2 5 1 2 9 Z H A N GL i z h e ，J I A N GG a o m i n g ，G A OW e i d o n g 3 - D s i m u l a t i o na n dd y n a m i cr e a l i z a t i o no fw a r p k n i t t e d s t r u c t u r e ( J J o u r n a lo fT

31、 e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 9 ， 3 0 ( 2 ) ：1 2 5 1 2 9 8 蒋高明，冯勋伟多梳拉舍尔花边的计算机仿真 J 纺织学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 ) ：4 0 4 3 J I A N GG a o m i n g F E N GX u n w e i C o m p u t e rs i m u l a t i o n f o rm u l t i b a rR a s c h e ll a c e J J o u r n a lo fT e x t i l e R e s e a r c h ，2 0 0 7 ，2 8

32、( 1 ) ：4 0 4 3 9 丛洪莲，葛明桥，蒋高明贾卡经编针织物的计算机 仿真 J 纺织学报，2 0 0 9 ，3 0 ( 1 ) ：1 1 2 一1 1 6 C O N GH o n g l i a n ，G E M i n g q i a o ，J I A N GG a o m i n g C o m p u t e r s i m u l a t i o nf o r j a c q u a r dw a r p k n i t t e d f a b r i c J J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 9 ，3

33、0 ( 1 ) ： 1 1 2 1 1 6 1 0 郑阿奇V i s u a lC + + N E T 程序设计教程 M 北 京：机械工业出版社。2 0 0 5 ：8 7 9 7 Z H E N GA q i V i s u a lC + + N E TP r o g r a m m i n g - F o u n d a t i o n M B e i j i n g ：C h i n aM a c h i n eP r e s s ，2 0 0 5 ： 8 7 9 7 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark