沙 莎， 蔣高明

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122)

緯編針織物三維模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

沙 莎， 蔣高明

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122)

通過(guò)系統(tǒng)地介紹緯編針織物三維模擬技術(shù)和其發(fā)展歷史，詳細(xì)分析了緯編針織物三維模擬技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)、近期的研究熱點(diǎn)和未來(lái)的發(fā)展方向，以期為針織物三維模擬技術(shù)的發(fā)展提供一定的依據(jù)。從線(xiàn)圈模型、紗線(xiàn)真實(shí)感和織物物理模型3個(gè)方面闡述了緯編針織物三維模擬技術(shù)的研究歷程。分析了國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年的研究與探索，以及三維模擬技術(shù)從單純的靜態(tài)模擬發(fā)展到擁有物理屬性的動(dòng)態(tài)模擬的過(guò)程；總結(jié)了三維模擬技術(shù)現(xiàn)有成果的優(yōu)勢(shì)和不足，在此基礎(chǔ)上，分析認(rèn)為該技術(shù)在未來(lái)會(huì)朝著模擬方法物理化、線(xiàn)圈類(lèi)型多元化和應(yīng)用范圍多樣化3個(gè)方向發(fā)展。

緯編針織物； 三維模擬； 物理屬性； 動(dòng)態(tài)模擬； 發(fā)展趨勢(shì)

作為針織領(lǐng)域的一大分支，緯編針織物應(yīng)用極為廣泛。緯編針織物的三維模擬，對(duì)針織物/針織服裝二維可逆化轉(zhuǎn)變、生產(chǎn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、虛擬試衣和動(dòng)畫(huà)模擬等均具有極大的研究意義，而如何真實(shí)、形象且實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)針織物模擬是研究的重點(diǎn)。緯編針織物的模擬研究從20世紀(jì)20年代第一個(gè)線(xiàn)圈模型[1]開(kāi)始，從二維線(xiàn)圈建模到目前的三維線(xiàn)圈模型和力學(xué)模擬，經(jīng)歷了近90年的時(shí)間，構(gòu)建了許多的緯編針織物模型，為針織物性能研究、外觀結(jié)構(gòu)模擬、力學(xué)模擬、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。其中，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)運(yùn)用緯編針織物模擬技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精確的模擬，較大程度上縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)者可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，對(duì)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新自主設(shè)計(jì)，通過(guò)緯編織物三維模擬，可以預(yù)測(cè)編織效果，減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程，大大節(jié)約生產(chǎn)成本。三維模擬的效果為消費(fèi)者提供了更多的參考信息，避免了一些購(gòu)買(mǎi)失誤。現(xiàn)有的仿真技術(shù)已經(jīng)為線(xiàn)圈、紗線(xiàn)、織物的研究奠定了良好的研究基礎(chǔ)。緯編織物三維模擬技術(shù)應(yīng)該向方法物理化、線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)多元化、應(yīng)用領(lǐng)域多樣化方向發(fā)展。

本文按照緯編織物模擬的順序與結(jié)構(gòu)，對(duì)國(guó)內(nèi)外緯編針織物模擬技術(shù)在線(xiàn)圈建模、紗線(xiàn)真實(shí)感模擬和物理建模等方面的發(fā)展，進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，并對(duì)該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，以期對(duì)緯編針織物模擬的應(yīng)用與發(fā)展提供幫助。

1 研究現(xiàn)狀

緯編針織物的組織結(jié)構(gòu)相對(duì)于機(jī)織物和經(jīng)編織物等織物結(jié)構(gòu)有著更為多樣的變化，織物組織結(jié)構(gòu)繁多，形態(tài)多樣。因此，對(duì)緯編針織物三維模擬的研究可從線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)、紗線(xiàn)真實(shí)感和織物物理建模方面進(jìn)行探討。

1.1 線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的三維模擬

早期建立的緯編線(xiàn)圈大多為二維模型，且國(guó)外的學(xué)者起步較早。國(guó)內(nèi)外對(duì)緯編線(xiàn)圈建模方法主要分為基于Pierce模型法、基于分段函數(shù)法和基于樣條曲線(xiàn)法建模3種模式。

1.1.1 基于Pierce模型的線(xiàn)圈建模

Pierce線(xiàn)圈模型是目前線(xiàn)圈仿真研究中比較有代表性且應(yīng)用廣泛的線(xiàn)圈模型，假設(shè)織物完全松弛時(shí)，用圓柱來(lái)連接半圓環(huán)所表示的針編弧與沉降弧，紗線(xiàn)寬度不發(fā)生變化，截面為圓形。模型中線(xiàn)圈的寬度、高度、圓柱長(zhǎng)和整個(gè)線(xiàn)圈長(zhǎng)度都與紗線(xiàn)直徑之間存在比例關(guān)系[2]。雖然它存在結(jié)構(gòu)過(guò)于理想化的缺點(diǎn)，但為后續(xù)線(xiàn)圈模型的研究奠定了基礎(chǔ)。在Pierce模型的基礎(chǔ)上，Leaf-Glaskin模型和Munden模型做了進(jìn)一步改進(jìn)。Leaf-Glaskin模型由4個(gè)互相對(duì)稱(chēng)的空間圓弧連接而成，從側(cè)面可以顯示出線(xiàn)圈的厚度變化，得到了線(xiàn)圈密度與線(xiàn)圈長(zhǎng)度之間的關(guān)系，能夠反應(yīng)實(shí)際織物線(xiàn)圈的密度，但仍然是以二維模型為基礎(chǔ)[3]。Munden模型不考慮紗線(xiàn)的抗彎性且假設(shè)內(nèi)應(yīng)力為0，計(jì)算出針織物線(xiàn)圈長(zhǎng)度與織物尺寸之間的明確數(shù)學(xué)關(guān)系[4]。史曉麗等[5]以Peirce模型為基礎(chǔ)，圓柱體作為線(xiàn)圈圈柱，將針編弧與沉降弧用與圓柱半徑相同的球體代替，這樣的方法使線(xiàn)圈有了足夠的彎曲量，使織物三維效果有所改善。張克和等[6]對(duì)Peirce模型中的參數(shù)進(jìn)行了修正，分析了線(xiàn)圈長(zhǎng)度與針織物結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，并模擬出了一些緯編基本組織。基于Peirce模型的線(xiàn)圈建模方法簡(jiǎn)單有效，但受限于二維模型的本質(zhì)，三維立體感不強(qiáng)。

1.1.2 基于分段函數(shù)的線(xiàn)圈建模

為了增強(qiáng)線(xiàn)圈的立體效果，將基于分段函數(shù)的線(xiàn)圈模型應(yīng)用于緯編針織物的線(xiàn)圈建模中。Kurbak模型[7-8]將線(xiàn)圈按照不同部位分成8段，每段都有相對(duì)應(yīng)的函數(shù)，描述紗線(xiàn)的走向，建立了緯平線(xiàn)圈的三維模型。在Kurbak模型的基礎(chǔ)上，又建立了不同組織的線(xiàn)圈模型，有較強(qiáng)的三維立體效果[9]。Vassiliadis等[10]在總結(jié)現(xiàn)有經(jīng)典模型的建模方法，通過(guò)測(cè)量時(shí)間的線(xiàn)圈長(zhǎng)度，分析線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，用分段函數(shù)的方法建立了線(xiàn)圈模型，通過(guò)對(duì)比實(shí)際線(xiàn)圈的長(zhǎng)度來(lái)比較模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果與真實(shí)織物的線(xiàn)圈較接近，但分段計(jì)算復(fù)雜。劉夙等[11]在Peirce模型基礎(chǔ)上，建立了由幾段用正弦函數(shù)的參數(shù)方程表示的空間圓弧和曲線(xiàn)連接組成的三維平針線(xiàn)圈幾何模型，模擬出了緯編織物的厚度和起伏效果。蘭振華等[12]在Leaf-Glaskin模型基礎(chǔ)上，使用直線(xiàn)方程、正弦和余弦函數(shù)等建立了新的緯編織物線(xiàn)圈參數(shù)化模型。這些模型都是基于線(xiàn)圈未發(fā)生較大變形的前提下建立的，這些方法雖然在很大程度上改善了線(xiàn)圈的三維效果，但靈活性一般。

1.1.3 基于樣條曲線(xiàn)的線(xiàn)圈建模

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及緯編行業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的需要，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始致力于研究緯編線(xiàn)圈的三維結(jié)構(gòu)，引入樣條曲線(xiàn)對(duì)緯編線(xiàn)圈進(jìn)行模擬，提高了線(xiàn)圈的靈活性和真實(shí)性，這些研究很大程度上促進(jìn)了緯編針織物三維模擬的發(fā)展。

貝塞爾(Bezier)最先在工業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)工具[13]，具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)改變線(xiàn)圈的1個(gè)型值點(diǎn)，其整條曲線(xiàn)都會(huì)改變，并且在擬合多個(gè)曲線(xiàn)段的情況下，Bezier三次曲線(xiàn)不能用來(lái)表示n個(gè)點(diǎn)。而B(niǎo)樣條曲線(xiàn)有效地控制了這2個(gè)問(wèn)題。B樣條曲線(xiàn)是由任意數(shù)量的曲線(xiàn)段組成的完全的分段多項(xiàng)式。因此，改變1個(gè)控制點(diǎn)并不影響其他曲線(xiàn)段的形狀。非均勻有理B樣條(NURBS)是一種在B樣條曲線(xiàn)中，采用其次坐標(biāo)來(lái)指定的曲線(xiàn)。它統(tǒng)一了Bezier、有理Bezier、均勻有理B樣條和非均勻有理B樣條。NURBS不僅引入權(quán)因子，可以調(diào)整線(xiàn)圈形狀，并且量化了單個(gè)權(quán)因子的變化對(duì)曲線(xiàn)形狀的影響[14]。這樣，使NURBS具有更加靈活穩(wěn)定的特性，被廣泛地應(yīng)用于線(xiàn)圈三維模擬中。

三維線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)仿真最具代表性的研究成果是Piegl[15-16]引入權(quán)因子，利用NURBS曲線(xiàn)建立的三維模型。該模型提出了基于權(quán)因子的曲線(xiàn)形狀調(diào)整方法，并且量化了單個(gè)權(quán)因子的變化對(duì)曲線(xiàn)形狀的影響，因此，該模型能夠呈現(xiàn)織物一定的傾斜現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于線(xiàn)圈的模擬中，實(shí)現(xiàn)了緯編線(xiàn)圈真正意義上的三維模擬。但NURBS曲線(xiàn)的缺點(diǎn)是只能確保曲線(xiàn)通過(guò)首尾2點(diǎn)，不能保證通過(guò)所有控制點(diǎn)。為解決這個(gè)問(wèn)題，Li等[17]通過(guò)反算控制點(diǎn)的方法，反算出控制點(diǎn)的位置，即由控制點(diǎn)求解NURBS曲線(xiàn)上的點(diǎn)，解決了NURBS擬合曲線(xiàn)不能完全通過(guò)型值點(diǎn)的問(wèn)題，圖1示出模擬效果圖。Cong等[18-19]用NURBS樣條曲線(xiàn)和曲面的方法模擬了經(jīng)編針織物紗線(xiàn)的中心軸走向，且在型值點(diǎn)中間用插值方法插入2點(diǎn)，解決了NURBS需要反算控制點(diǎn)的問(wèn)題。蒙冉菊等[20]在對(duì)緯編線(xiàn)圈主要參數(shù)及其變化關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用NURBS樣條曲線(xiàn)進(jìn)行緯編針織物線(xiàn)圈單元模型的數(shù)學(xué)建模。翟暢等[21-22]以Pierce模型為基礎(chǔ)，采用圓形截面，參照現(xiàn)實(shí)針織物線(xiàn)圈在空間中的立體結(jié)構(gòu)，由三次B樣條曲線(xiàn)模擬紗線(xiàn)路徑，建立了空間的三維線(xiàn)圈模型，立體效果明顯。運(yùn)用樣條曲線(xiàn)的方法能夠很好的體現(xiàn)織物的串套關(guān)系和三維立體效果，因此被廣泛的應(yīng)用于緯編織物三維模擬中。

1.2 紗線(xiàn)真實(shí)感的三維模擬

紗線(xiàn)是織物的基本單元，因此紗線(xiàn)的形態(tài)直接影響線(xiàn)圈和織物的外觀。對(duì)紗線(xiàn)真實(shí)感的模型建立過(guò)程，分為基于圖像處理技術(shù)的紗線(xiàn)模型和運(yùn)用各種數(shù)學(xué)方法建立紗線(xiàn)的三維模型。

1.2.1 基于圖像處理的紗線(xiàn)模擬

基于圖像處理技術(shù)的紗線(xiàn)模擬對(duì)實(shí)物圖像進(jìn)行紗線(xiàn)形態(tài)的分析和處理，進(jìn)而建立紗線(xiàn)的模型。Adanur等[23]通過(guò)對(duì)采集到的大量紗線(xiàn)圖片進(jìn)行儲(chǔ)存和對(duì)比，將獲得的紗線(xiàn)參數(shù)應(yīng)用到紗線(xiàn)的模型中，實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)的三維模擬；Ozdemir等[24]將采集的紗線(xiàn)截面簡(jiǎn)化為橢圓形，根據(jù)紗線(xiàn)在織物中的實(shí)際走向模擬紗線(xiàn)的屈曲形態(tài)，用這種方法能夠體現(xiàn)線(xiàn)圈在真實(shí)狀態(tài)下串套的彎曲效果；張文靜[25]通過(guò)提取織物圖片中緯編織物的特征值，判斷線(xiàn)圈類(lèi)型并采用提取線(xiàn)圈特征參數(shù)的方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。運(yùn)用濾波去噪、灰度化、圖像增強(qiáng)和邊緣提取等方法獲得紗線(xiàn)信息，實(shí)現(xiàn)緯編織物的真實(shí)感模擬。第一類(lèi)方法由于需要采集大量的信息，對(duì)比分析大量的紗線(xiàn)特征，處理方法復(fù)雜，且處理可能存在不精準(zhǔn)等現(xiàn)象，應(yīng)用并不廣泛。

1.2.2 基于數(shù)學(xué)方法的紗線(xiàn)模擬

基于數(shù)學(xué)方法的紗線(xiàn)模擬是根據(jù)已知的紗線(xiàn)支數(shù)、捻度系數(shù)等對(duì)紗線(xiàn)進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)紗線(xiàn)的三維模擬。此類(lèi)方法根據(jù)觀察和經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)紗線(xiàn)的形態(tài)，將紗線(xiàn)截面簡(jiǎn)化為不同形狀，利用數(shù)學(xué)、物理方法和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言建立紗線(xiàn)的三維模型。

Chen等[26-27]在型值點(diǎn)中間插入亮度隨機(jī)變化的光片，這個(gè)光片由隨機(jī)的點(diǎn)組成，將這些光片按照一定角度旋轉(zhuǎn)，得到了真實(shí)感較強(qiáng)的帶毛羽的捻度股線(xiàn)效果，雖然效果真實(shí)，但在紗線(xiàn)彎曲處易出現(xiàn)問(wèn)題，圖2示出模擬效果圖。Durupinar等[28]在此方法的基礎(chǔ)上，將模型改進(jìn)為體素模型，避免了原來(lái)模擬中容易出現(xiàn)扭曲和錯(cuò)位的效果，模擬效果逼真。Kurbak等[29-30]將螺旋線(xiàn)繞圈柱旋轉(zhuǎn)，模擬紗線(xiàn)的扭曲效果，雖然增加了線(xiàn)圈的真實(shí)感，但方法缺乏靈活性；于斌成等[31]通過(guò)采用對(duì)若干小球進(jìn)行排列、部分相交并旋轉(zhuǎn)的方法來(lái)模擬股線(xiàn)紋理，再在這些小球上生成毛羽，形成紗線(xiàn)三維立體模型。這種方法模擬的緯編織物線(xiàn)圈真實(shí)感強(qiáng)，但計(jì)算量龐大。吳周鏡[32]調(diào)用OpenGL庫(kù)中函數(shù)，為不同線(xiàn)圈定義不同的材質(zhì)屬性，并結(jié)合光照模型，真實(shí)逼真地顯示出緯平針織物在三維空間中相互串套的立體效果，并且針對(duì)羅紋組織的特點(diǎn)引入了壓縮系數(shù)來(lái)體現(xiàn)正、反線(xiàn)圈銜接時(shí)的重疊效果，實(shí)現(xiàn)不同的組織結(jié)構(gòu)。王少俊[33]通過(guò)提取單個(gè)緯編針織物上不同點(diǎn)的亮度值用最小二乘法進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，用擬合得到的亮度函數(shù)表征緯編織物不同位置的光暗程度。這種方法可以得到線(xiàn)圈模型的亮度變化，但沒(méi)有針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的線(xiàn)圈進(jìn)行亮度計(jì)算。而能夠模擬出較強(qiáng)真實(shí)感的紗線(xiàn)且實(shí)用性強(qiáng)，是真正意義上的三維模擬，較多的應(yīng)用在緯編織物線(xiàn)圈真實(shí)感仿真中。

1.3 緯編織物的物理模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高和緯編組織結(jié)構(gòu)的三維模擬日趨真實(shí)，緯編針織物的物理模擬逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。其中，彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型和有限元模型應(yīng)用最為廣泛。

1.3.1 基于彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型的物理模型

研究織物的三維模擬就要研究織物的物理屬性，Provot提出了彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，并將機(jī)織物的非彈性性質(zhì)引入模型。由于針織物和機(jī)織物物理屬性上存在著相近性，且彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型作為實(shí)用、普遍且高效的物理模型，被廣泛的應(yīng)用于針織物的三維模擬中。在彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上建立線(xiàn)圈模型，可以模擬出不同組織混合在一起線(xiàn)圈受力后的形狀，也能模擬出織物受外力作用后的變形狀態(tài)。傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型中，彈簧分為3種類(lèi)型：結(jié)構(gòu)彈簧、剪切彈簧與彎曲彈簧。這3種彈簧分別用于保持織物質(zhì)點(diǎn)間經(jīng)緯方向的距離；保持織物質(zhì)點(diǎn)間斜向方向的距離；模擬織物彎曲或折疊時(shí)的抗彎曲性能[34]。

圖3示出在彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上建立的緯編線(xiàn)圈幾何模型，黑色圓點(diǎn)為質(zhì)點(diǎn)，灰色圓點(diǎn)為型值點(diǎn)。型值點(diǎn)的位置由質(zhì)點(diǎn)確定，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受內(nèi)力或外力作用發(fā)生位移時(shí)，型值點(diǎn)也隨著變化，因此線(xiàn)圈的形狀改變。

國(guó)外對(duì)線(xiàn)圈的力學(xué)模擬研究較早，Meissner等[35]引入彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，用模型中的質(zhì)點(diǎn)控制線(xiàn)圈的型值點(diǎn)，根據(jù)能量守恒定律，通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算獲得質(zhì)點(diǎn)的位移和速度，從而獲得了真實(shí)的織物線(xiàn)圈變化形態(tài)；Yuksel等[36]將織物網(wǎng)格化，在網(wǎng)格中填入用直線(xiàn)連接的多邊形組織，通過(guò)放松彈簧和平滑多邊形線(xiàn)圈的方式，模擬了多種緯編織物線(xiàn)圈形態(tài)，模擬效果逼真，但模擬時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差?？紤]到了緯編織物的厚度，將質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)多層化，引入流體力學(xué)來(lái)模擬織物受外力的狀態(tài)，并且通過(guò)碰撞檢測(cè)方法，模擬紗線(xiàn)受力后，紗線(xiàn)彎曲和壓扁的效果，Gudukba等[37]模擬出了立體效果逼真的緯編針織物，但并未研究不同組織的線(xiàn)圈受力形態(tài)變化，圖4示出模擬效果圖。劉瑤、趙磊等[38-39]在彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上研究質(zhì)點(diǎn)受力情況，模擬了非均勻組織線(xiàn)圈的受力變形，計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行，但三維效果一般；雷惠[40]引入了質(zhì)點(diǎn)模型來(lái)模擬線(xiàn)圈的變化，將一個(gè)完整的線(xiàn)圈看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，只研究線(xiàn)圈在縱向的位移變化，對(duì)橫向上的線(xiàn)圈形態(tài)變化不做研究。此方法雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但模擬效果并不真實(shí)。

用彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型由于能夠真實(shí)地反映出織物受力效果且實(shí)時(shí)性好，被廣泛地應(yīng)用在模擬緯編織物受力效果中，該方法亦可以應(yīng)用在緯編服裝虛擬試衣中。

1.3.2 基于有限元模型的物理模型

有限元方法是一種解決工程和數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的數(shù)值方法，用來(lái)解決數(shù)學(xué)領(lǐng)域和有關(guān)工程的典型問(wèn)題。使用有限元模型能夠很容易地模擬出不規(guī)則物體的結(jié)構(gòu)[41]，因此被應(yīng)用在了織物模擬中。

Terzopoulos等[42]提出將有限元方法用于織物柔性曲面的模擬，織物在受力、遇到障礙物、受約束時(shí)都會(huì)產(chǎn)生形變。在此基礎(chǔ)上，將線(xiàn)圈看做是由同質(zhì)且連續(xù)的個(gè)體組成，將其轉(zhuǎn)化成一個(gè)有限元模型，Araujo等[43]通過(guò)分析大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得有限元模擬的框架元素的特征。線(xiàn)圈的拉伸變形模擬可以是單向的、雙向的和多向的，此模型也可以通過(guò)計(jì)算二維的織物變形來(lái)模擬三維的線(xiàn)圈變形，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但欠缺靈活性。Vassiliadis等[44]在引用Araujo等方法的基礎(chǔ)上，將同質(zhì)個(gè)體換成圓柱，模擬了織物受結(jié)構(gòu)、彎曲和剪切力時(shí)的變形。模擬了三維效果更真實(shí)的緯編織物，圖5示出模擬效果圖。Wang等[45]運(yùn)用有限元法對(duì)針織物進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)線(xiàn)圈的系統(tǒng)分析，得到了組織密度極限值的計(jì)算方法。

有限元方法是當(dāng)今工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法，能夠準(zhǔn)確表達(dá)織物變形以及材質(zhì)特點(diǎn)，但由于計(jì)算方法復(fù)雜、計(jì)算量巨大，并未廣泛應(yīng)用于緯編織物模擬中。

2 緯編針織物三維模擬技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著紡織行業(yè)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展，緯編針織產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了不同領(lǐng)域，推動(dòng)了功能性材料及織物組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)著緯編針織物三維模擬技術(shù)的發(fā)展。因此，進(jìn)一步深入研究緯編針織物三維模擬技術(shù)是紡織行業(yè)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2.1 模擬方法物理化

靜態(tài)的緯編針織物三維模擬已經(jīng)發(fā)展到了一定程度，無(wú)論是生產(chǎn)者還是消費(fèi)者更希望通過(guò)獲得緯編針織物的動(dòng)態(tài)模擬效果來(lái)幫助完成生產(chǎn)和購(gòu)買(mǎi)。然而，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得緯編織物的三維仿真也越來(lái)越少地受限于模擬所需的時(shí)間，這就意味著研究人員可以用更精準(zhǔn)、復(fù)雜的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)緯編織物的三維物理模擬，這為緯編針織物的動(dòng)態(tài)三維模擬提供了良好的環(huán)境。通過(guò)賦予織物物理屬性，對(duì)緯編針織物進(jìn)行動(dòng)態(tài)的三維模擬。運(yùn)用動(dòng)態(tài)的三維模擬方法，使模擬出的緯編針織物不僅具有靜態(tài)的三維效果，還具備線(xiàn)圈受力后線(xiàn)圈形狀發(fā)生改變的動(dòng)態(tài)效果，展示出織物的物理屬性。

2.2 線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)類(lèi)型多元化

緯編線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)多種多樣，且不同的組織搭配會(huì)出現(xiàn)多種效果，由于其靈活多變的線(xiàn)圈組合方式，使其能夠形成多種復(fù)雜的織物結(jié)構(gòu)。但目前對(duì)于線(xiàn)圈組織模擬的研究大多還停留在基本組織和少量花色組織階段。而花色組織在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中又是普遍存在的，織物設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)織物組織時(shí)，需要真實(shí)的模擬視圖作為參考，這樣既提高了生產(chǎn)效率又節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，因此，對(duì)于花色組織的三維模擬還需要做更深一步的研究。

2.3 應(yīng)用范圍多樣化

目前對(duì)于緯編針織物三維模擬的研究主要集中在建立線(xiàn)圈三維模型上，通過(guò)數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)緯編針織物線(xiàn)圈的立體結(jié)構(gòu)。然而，隨著緯編織物技術(shù)水平的不斷提高以及對(duì)其廣泛的應(yīng)用，單純的織物線(xiàn)圈三維模擬已經(jīng)不能滿(mǎn)足整個(gè)行業(yè)的需要。緯編織物憑借自身良好的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和穿著的舒適性及美觀性，廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用、家紡及服裝等行業(yè)，而緯編織物的三維模擬對(duì)此能夠提供很好的輔助作用。借助緯編針織物的三維模擬，可以有效的減少產(chǎn)品的試樣，展示模擬的面料及服裝。因此緯編針織物的三維模擬需要廣泛的應(yīng)用于針織產(chǎn)品領(lǐng)域。

3 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)論是生產(chǎn)者還是消費(fèi)者都需要三維模擬技術(shù)應(yīng)用于自己的使用領(lǐng)域。一方面生產(chǎn)者可以根據(jù)產(chǎn)品的需要，對(duì)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，通過(guò)緯編織物三維模擬，可以預(yù)測(cè)編織效果，減少試驗(yàn)過(guò)程，節(jié)約生產(chǎn)成本。另一方面，消費(fèi)者可以根據(jù)三維模擬的效果選擇購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品，避免了不能實(shí)際接觸產(chǎn)品而產(chǎn)生的購(gòu)買(mǎi)失誤。因此，緯編針織物的三維模擬技術(shù)具有很大的研究意義和發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)有的仿真技術(shù)已經(jīng)為線(xiàn)圈、紗線(xiàn)、織物的研究奠定了良好的研究基礎(chǔ)。緯編織物三維模擬技術(shù)應(yīng)該向方法物理化、線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)多元化、應(yīng)用領(lǐng)域多樣化方向發(fā)展。通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)以及與其它學(xué)科的相互融合，實(shí)現(xiàn)緯編針織物三維模擬技術(shù)的再次突破。

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Research status and development trend of 3-D simulation technology for weft knitted fabric

SHA Sha, JIANG Gaoming

(Engineering Research Center for Knitting Technology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu 214122, China)

The 3-D simulation technology of weft knitted fabric and its development history are systematically introduced. The challenges, recent research hotspots, and future development trends for 3-D simulation of weft knitted fabric are also detailed analyzed. According to the analyses above, some guidelines for the further research of 3-D simulation are given. In this work, the research history of weft knitted 3-D simulation technology is discussed from three levels which are loop model, yarn realistic and mechanics simulation. As years of research by scholars both domestic and overseas, the 3-D simulation has been developed from static simulation to mechanics simulation with physical property. And the advantages and disadvantages of existing research results are analyzed. On this basis, the development trend of this technology is analyzed. The 3-D simulation technology will have a good development in physical simulation method, diversity of loop type and application scope diversification.

weft knitted fabric; 3-D simulation; physical property; dynamic simulation; development trend

10.13475/j.fzxb.20150605407

2015-06-29

2016-07-30

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2012BAF13B03)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11302085)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新項(xiàng)目(BY2013015-38，BY2014023-34); 江蘇省普通高校學(xué)術(shù)學(xué)位研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX15_1161)

沙莎(1987—)，女，博士生。主要研究方向?yàn)獒樋椃b數(shù)字化設(shè)計(jì)。蔣高明，通信作者，E-mail: jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 186.1

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