[發明專利]一種三維編織結構的計算機仿真方法

有效

• 申請號: 202011331862.4
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112464467B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 伯彭波;王琳欽;張濤;袁林;郭斌
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/12;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李智慧

本發明公開了一種三維編織結構的計算機仿真方法，所述方法包括如下步驟：步驟一、初始軌跡生成；步驟二、增加內芯邊界約束；步驟三、紗線軌跡壓縮；步驟四、紗線拉緊。本發明參考真實編織結構的特征，利用紡線的幾何關系來構造紡線運動軌跡。該方法對基于攜紗器運動產生的紗線位置的運動軌跡C^*進行簡化，同時保持不同紗線軌跡之間的結構關系，計算出接近真實編織效果的紗線軌跡C。本發明得到的紡線路徑的精確度和仿真度都較高，對于編織材料的仿真計算和性能預測、新型編織機中攜紗器運動規則設計以及編織參數的設置等都有重要的作用。

技術領域

本發明涉及一種編織仿真方法，具體涉及一種基于計算幾何原理的多層編織機的紡線路徑仿真方法。

背景技術

利用纖維紗線進行編織是一種復合材料制備方法，通過編織機上攜紗器的旋轉運動帶動紗線旋轉，紗線可以在相鄰的攜紗器之間傳遞，所有攜紗器的運動使得紗線纏繞在一個芯模上，形成編織結構，在芯模的外層形成一層復合材料保護層。

三維編織機的運動仿真和數字化編織結構的生成是研究編織機裝備設計和制造以及基于編織技術的復合材料性質的重要計算機輔助方法。利用計算機技術進行編織仿真是驗證編織機的編織規則，進行編織物性能仿真計算的前提。在真實的編織機運動中，紗線在攜紗器的運動帶動下產生的初始軌跡，在紗線張力以及紗線和柱芯的相互作用下，形成覆蓋柱芯表面的編織軌跡。因此一種紗線編織結構的數字化生成方法是基于紡線的彈性力學性質和紡線和柱芯的碰撞檢測建立微分方程，計算出紡線的真實軌跡。基于這種方法的編織仿真過程計算復雜，計算時間較長。

相對于基于力學方程的方法，基于幾何學的編織仿真方法具有計算量小的優點，這種方法的關鍵問題之一是如何生成幾何形狀逼真并且拓撲正確的編織結構。傳統的基于計算幾何的方法只適用于具有單層結構編織機的編織結構生成，因為這種情況下攜紗器的運動軌跡和真實紡織結構比較近似。

發明內容

本發明的目的是提供一種三維編織結構的計算機仿真方法，該方法面向的編織機具有多層攜紗器的結構。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種三維編織結構的計算機仿真方法，包括如下步驟：

步驟一、初始軌跡生成

假設攜紗器A_i的運動軌跡為(X_i(t),Y_i(t))，其中t是時間參數；假設紗線上升的高度用Z(t)表示，則攜紗器A_i生成的紗線的空間軌跡參數方程如下：

C^*(t)＝(X_i(t),Y_i(t),Z(t))。

步驟二、增加內芯邊界約束

為了使紗線拉緊貼近芯模，在內芯的表面附近增加若干隱藏紡線軌跡，假設柱芯是一個旋轉體，它的半徑表示為R(z)，其中z是沿柱芯軸線的高度，一根紗線的頂點數目是H+1，隱藏紡線軌跡中第i條軌跡上頂點的集合定義如下：

式中，是表示隱藏紡線軌跡排列疏密程度的參數；φ表示某一條隱藏紡線軌跡中點分布的疏密程度；n是整數，表示頂點的序號；

步驟三、紗線軌跡壓縮

假設初始紡線C^*上的一點的空間坐標為(x,y,z)，則壓縮后的點的坐標為：

((x R(z))*θ+R(z),(R(z))*θ+R(z),z)；

其中，θ表示壓縮程度的參數。

步驟四、紗線拉緊

交替執行刪點操作和割角操作，具體操作步驟描述如下：