基于虛擬仿真技術的織物組織實驗課程改革

王 姜， 楊建平， 馮 波

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 信息科學與技術學院， 上海 201620)

基于虛擬仿真技術的織物組織實驗課程改革

王 姜1， 楊建平2， 馮 波1

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 信息科學與技術學院， 上海 201620)

針對機織和針織相關專業課程中織物組織結構表示方法的抽象和不易于理解的問題，提出了采用虛擬仿真技術構建織物組織結構三維模型的方法，直觀地展示織物的外觀形態和其中紗線間的交織規律及運動軌跡。在此過程中，循序漸進地從簡單織物組織的構建過渡到較為復雜的織物組織構建，可以加深學生對織物成型概念的理解，對其后續階段機織物和針織物組織結構的創新設計有著良多助益。

機織物； 針織物； 虛擬仿真； 織物組織結構

織物是紡織專業中重點研究的對象。根據紡織工程專業的培養目標，該專業的學生不但要有織物基礎知識，而且要有產品設計、開發能力[1-3]。“織物組織實驗”課程以培養學生的織物組織設計能力為目標，要求學生掌握織物的織造方法和織物組織的基礎理論知識，進一步了解服裝用、裝飾用以及產業用紡織品的風格和性能特點[4]。通常，織物中經緯紗線的交織結構很難用肉眼觀察清楚，而用顯微鏡觀察則不能展示全貌，對于針對組織循環數較大或者多層織物，更是無法觀察到完整的經緯紗交織規律。

當前應用最廣泛的織物是機織物和針織物。機織物是由相互垂直排列的2個系統的紗線在織機上按一定規律交織而成的制品[4]；針織物是利用織針把紗線彎曲成線圈，然后將線圈相互串套和連接而成的制品[5]。機織物和針織物的組織結構變化繁多，而組織結構的表示形式十分抽象，不易于學生理解，也不利于學生對織物組織結構的創新性設計。

為了便于學生對于織物組織結構的認識，采用虛擬仿真技術對織物的經緯紗交織規律進行建模，構建了織物組織虛擬環境，使學生在“織物組織實驗”課上機操作之前，能夠直觀地觀察到織物組織形態、理解織物組織結構，而不是僅僅會通過織物的簡易表達圖示上機操作。織物組織虛擬仿真對于學生學習“織物結構與設計”專業課程有很好的促進作用，使學生提高了三維空間想象力和軟件操作技能。

1 機織物組織結構可視化

在機織物的織造中，采用上機圖來表示織物上機織造的工藝。上機圖由組織圖、穿筘圖、穿綜圖、紋板圖構成，而組織圖是織物設計的重點所在，其表示織物中經緯紗的交織規律，織物最終的紋理結構與組織圖吻合。此外，穿筘圖表示每個鋼筘齒內穿入的經紗根數，穿綜圖表示組織圖中各根經紗穿入各頁綜頁順序的圖解，紋板圖是控制綜框運動規律的圖解。此3種圖示皆是在組織圖確定的基礎上進行設計完成的。機織物組織圖一般用黑白相間的圖案表示，如圖1所示。

圖1 機織物組織結構示意圖

圖1所示的平紋組織和斜紋組織是機織物中最基本的織物組織，其中黑色方格表示經組織點，白色方格表示緯組織點；經組織點表示在此處經紗浮于緯紗之上，緯組織點表示此處緯紗浮于經紗之上。

繪制織物上機圖十分方便，校對很簡潔，也利于上機織造過程中對紋板的輸入，所以在生產實踐中一般采用上機圖。但此種繪圖方法并不便于對織物組織結構的直觀認識，經緯紗線的具體交織結構亦不能清晰地展示出來。在學生進行織物組織的創新型設計時，沒有織物組織圖進行參照，需要自己編寫組織圖，所以對織物組織結構的理解是至關重要的。而基于虛擬仿真技術的織物建模過程可以展現立體的經緯交織規律，在織物面料開發以及科學研究中有很好的輔助作用。

圖2和圖3分別是根據圖1轉化來的平紋組織經緯交織結構圖和斜紋組織經緯交織結構圖。圖中可以清晰地看到經緯紗線相互交替過程中，經組織點和緯組織點的變換規律。雖然此種繪圖方式較織物上機圖復雜許多，但是在后續課程中，對學生理解織物組織結構和進行創新性訓練有事半功倍的作用。

圖2 平紋組織經緯交織結構

圖3 斜紋組織經緯交織結構

“織物組織實驗”課程主要由學生上機實踐和織物面料開發兩部分組成。上機實踐是對機織物中基本的三原組織進行織造，織物面料開發是在學生對織物組織有一定理解的基礎上，嘗試自主開發全新的織物組織。

機織物中的三原組織包括平紋組織、斜紋組織和緞紋組織，而復雜組織都是在三原組織的基礎上變化而來的，例如連續變厚度機織物[6]、增強型多層機織物[7]以及異形機織物[8]等許多特種機織物。

以復雜組織中的雙層組織為例，其組織結構如圖4所示。

圖4 雙層織物組織結構

圖4中的雙層織物組織結構是可以一次性織造的，即采用一次上機織造即可得到2層平紋織物，2層平紋織物是完全分開的，而實際應用中，往往需要將2層平紋織物接結為一體以賦予織物特殊的性能，如圖5所示。

圖5 接結雙層織物組織結構

在圖5中，下層平紋織物中的部分緯紗起伏一定的高度與上層平紋織物的經紗交織，原有的2層無關聯的雙層織物實現接結形成新的雙層織物，此種接結方法同樣可以織制多層織物。此類織物組織結構用途廣泛，例如防彈織物、防刺織物以及起重吊帶等都采用此類織物。不僅平紋織物可以做到接結，斜紋織物、緞紋織物以及由三原組織變化而來的很多織物組織都可以進行雙層或多層接結，接結層數越多，織物的組織結構就越復雜。采用虛擬仿真技術構建織物組織三維結構，可以呈現出織物組織結構的每一個細節，對所要設計的織物有預想的概念而不是簡單地繪制組織圖。

2 針織物組織結構可視化

根據針織工藝特點的不同，針織生產可分為緯編和經編兩大類[5]。由于針織物采用的織針不大，在針織成圈過程中用肉眼無法觀察到，因而學生對于針織物中紗線結構的理解比較困難。在虛擬環境中構建針織物模型，有利于學生對針織物組織結構的理解，在理解了針織物中紗線的成圈方式后，可以根據實際需求開發所需的針織物面料。

2.1 緯編針織物結構可視化

緯編針織物中常用線圈圖來表示針織結構單元組合的規律，如圖6所示。

在圖6中，可以清楚地看到針織物結構單元在織物內的連接和分布。但這種方法僅適用與比較簡單的針織物組織，它不能清楚地表示復雜針織物組織結構。而在虛擬環境中構建三維織物組織結構圖示，可以更清晰、更直觀地展示其織物組織結構。緯平針組織是單面緯編針織物的基本組織，如圖7所示。

圖7 緯平針組織結構

從圖7可以看出：緯平針組織的正面和反面具有不同的幾何形態，不同的結構導致了緯平針正面反射光線的能力更強，呈現出正面較反面更明亮的特點。

羅紋組織是雙面緯編針織物的基本組織，它是由正面線圈縱行和反面線圈縱行以一定的組合相間配置而成的，如圖8所示：

圖8 羅紋組織結構及其截面示意圖

從圖8中可以看出，羅紋組織是由1個正面線圈縱行和1個反面線圈縱行相間配置而形成的，正反面線圈不處于同一平面，此種類型的羅紋組織稱為1+1羅紋組織，而通過一定數量的正反面線圈交替便可得到特定的羅紋組織。由于羅紋組織自身結構特點，正常狀態下正反線圈因紗線的彎曲和扭轉而收縮導致正反線圈有一定的重疊，而圖7(a)中所示的紗線結構是經橫向拉伸以后呈現出來的效果。

羅紋組織的正反線圈不處于同一個平面，可以想象將2層相同的羅紋組織進行交錯翻轉排列得到一種新的雙層織物組織結構，如圖9所示。

圖9 棉毛組織結構示意圖

從圖9可以看出，此織物由2層組成，皆為羅紋組織，將其中一層羅紋組織的正線圈配合另一層羅紋組織的反線圈即可得到新的雙層織物組織，稱為棉毛組織。

以上緯編針織物的組織結構皆為基礎的針織物組織結構，根據基礎的結構可以演化出眾多新型的針織物組織結構，例如集圈組織、襯墊組織、襯緯組織、毛圈組織等一系列較為復雜的組織[4]。在虛擬環境中了解了基礎針織物組織的成圈過程，對其他相對復雜的組織學習有很大幫助，特別是針對一些復合組織的理解是十分必要的。

2.2 經編針織物結構可視化

與緯編針織物一樣，經編針織物的基本結構單元也是線圈，兩者的主要區別在于一般的緯編針織物中每一根紗線上的線圈橫向分布，而經編針織物每一根紗線上的線圈沿著縱向分布。

在教學中，普遍認為對經編的理解較緯編困難一些，經編機械的結構及運動過程較緯編機械也更為復雜，故經編的教學更為困難。特別是經編的成圈過程，涉及到的動作較多且配合精細，增加了理解的困難。因經編織物中的每一根紗線起伏次數較多且線圈的配合更為復雜，故在虛擬環境中，經編針織物模型的構建要比緯編針織物也復雜得多。

經平組織是由同一根紗線所形成的線圈輪流排列在相鄰兩個線圈縱行(見圖10)，它是經編針織物中的基礎組織之一。

圖10 經平組織結構示意圖

在圖10中可以看出，經平組織中一根紗線會形成2組線圈，分別與其相鄰的紗線所形成的線圈圈套形成特定織物組織結構。

經編針織物在服裝、工業等方面有廣泛的應用，例如經編網眼結構的負泊松比織物的設計[9]、應用于抗壓縮的經編間隔織物[10]、經編人造血管[11]以及用于防刺的多軸向經編織物[12]等。

3 結語

利用虛擬仿真技術在虛擬環境中建立機織物和針織物的三維模型，可以直觀地展示織物整體外觀及紗線間的交織軌跡。構建的織物組織結構虛擬環境，可以很好地解決織物結構繪制的抽象性和平面化問題，對學生理解織物組織結構有很好的指導作用。

References)

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[12] 孔祥勇,繆旭紅.多軸向經編織物的防刺性能[J].紡織學報,2012,33(7):58-62.

Reform on Fabric Organization Experiment course based on virtual simulation technology

Wang Jiang1, Yang Jianping2, Feng Bo1

(1. College of Textile,Donghua University, Shanghai 201620, China;2. College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In view of the problem that it is abstract and difficult to understand the representation methods of fabric organization structures in the weaving and knitting related courses, a method of constructing the 3D model of fabric organization structures by using the virtual simulation technology is proposed. This method can intuitively show the fabric external forms, and the interweaving rules and motion tracks among yarns. In this process, the simple fabric organization structure is transited to the more complex one progressively, which can deepen the students’ understanding of the concept of fabric forming, and is beneficial for the innovative design of the organization structures of the woven fabrics and knitted fabrics in the later stage.

woven fabrics; knitted fabrics; virtual simulation; fabric organization structure

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.030

TS105.1；TP391.9

A

1002-4956(2017)11-0126-04

2017-06-14

王姜(1990—)，男，山東煙臺，碩士，助理實驗師，主要研究方向為機織以及紡紗、機器學習在紡織中的應用

E-mailwangjiang@dhu.edu.cn

馮波(1971—)，男，上海，碩士，工程師，主要研究方向為針織以及紡織數字化.

E-mailfengb@dhu.edu.cn