紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學探索

王 曦，鄭天勇，于保康

(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院，天津 300387；2. 中原工學院 紡織學院，河南 鄭州 450007)

新型紡織品設計與開發(fā)是紡織工程專業(yè)學生應具備的基本能力，是學生綜合運用紡織專業(yè)知識進行產(chǎn)品設計的一個實踐環(huán)節(jié)，同時對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力具有舉足輕重的作用。紡織品設計與試制過程為：紗線設計與選用—織物組織設計—織物結構設計—花型圖案設計—樣品織造。為了獲得滿意的紡織品，有時需要反復進行上述過程，因此產(chǎn)品開發(fā)周期長、見效慢、原料消耗大、成本高[1]。同時，由于高校實驗室設備臺(套)數(shù)有限，學生在一定的教學周期內(nèi)設計并加工出來的紡織品數(shù)量十分有限[2]。通過虛擬仿真實驗教學，則可以便捷地完成上述工藝過程，并快速獲得紡織品的模擬效果，突破了設備臺(套)數(shù)不足的瓶頸，同時大大降低了實驗教學成本[3]。虛擬仿真實驗教學已成為培養(yǎng)紡織工程專業(yè)學生綜合創(chuàng)新能力的重要手段。

一、 虛擬仿真實驗教學理念

紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學體系在實驗系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)將實驗項目由基礎實驗逐漸向綜合性、創(chuàng)新性實驗拓展，具體的教學理念包括：(1)案例教學。教學資源準備充實、素材多樣。(2)寓教于練。強調(diào)實踐，盡可能少教甚至不教。(3)自主學習。設置階段性目標，使學生獲得成就感，激發(fā)學生學習的主動性。在此基礎上，形成覆蓋紡織加工全流程的低成本、低能耗、零排放、易管理的綠色實驗教學平臺。高能耗和高污染是紡織行業(yè)面臨的主要問題，此外，無論是新型纖維的開發(fā)，還是紡織新產(chǎn)品的設計與工藝優(yōu)化，均存在染化藥劑、纖維、坯布、織物成品消耗帶來的開發(fā)成本問題，這也是我國原創(chuàng)性紡織新產(chǎn)品遜色于發(fā)達國家的主要原因之一。根據(jù)紡織產(chǎn)業(yè)的特征，構建較完整的綠色實驗教學平臺，與傳統(tǒng)的實驗教學相比，具有低成本、低能耗、零排放、易管理的顯著優(yōu)勢[4]。

二、 虛擬仿真實驗教學內(nèi)容

1. 紗線設計仿真

大多數(shù)高校紡織工程實驗室均配備有梳理、并條、粗紗、細紗等全套或部分紡紗實驗機和生產(chǎn)樣機，甚至可實現(xiàn)從纖維原料到紗線成品的全流程加工。但由于紡紗加工流程長、工序多，實驗室設備臺(套)數(shù)有限，原料和能源消耗大，存在安全隱患等，無法在有限的實驗教學時間里滿足每名學生的自主設計實驗需求。而紗線設計虛擬仿真實驗教學可顯著提高實驗教學效率，降低實驗成本，使學生快速了解單紗、股線、花色紗線的基本形態(tài)特征，以及紗線線密度、捻度、捻向、色彩、光澤對紗線形態(tài)特征的影響等知識點。如圖1所示，通過項目組自主研發(fā)的紗線設計仿真軟件，或采用其他商用紡織CAD軟件[5]，一般可實現(xiàn)：(1)設計與模擬不同線密度、色彩、光澤、毛羽度、捻度(向)的單紗；(2)設計與模擬不同合并根數(shù)、合并方式、捻度(向)的股線；(3)設計與模擬不同色彩配置、不同線密度配置、不同芯線與飾線配置等花式紗線；(4)對設計模擬的紗線和實體紗線圖像創(chuàng)建紗線數(shù)據(jù)庫。

圖1 紗線設計仿真

2. 織物組織與結構仿真

傳統(tǒng)的“織物組織與結構”課程需要學生手工繪制組織圖、穿綜圖和紋板圖，效率低、周期長。而通過計算機軟件輔助，學生可以快速設計組織結構，并預覽各種織物組織結構的仿真效果，同時深刻理解織物組織的構成要素，進一步了解組織圖、穿綜圖及紋板圖三者之間的相互關系。多款紡織CAD軟件均可實現(xiàn)織物組織與結構仿真，如圖2所示。一般可實現(xiàn)：(1)設計經(jīng)緯循環(huán)數(shù)、經(jīng)緯組織點點數(shù)、經(jīng)緯向飛數(shù)等值，生成組織圖；(2)輸入穿綜圖、紋板圖生成組織圖，或者輸入組織圖、紋板圖生成穿綜圖，或者輸入組織圖、穿綜圖生成紋板圖；(3)調(diào)整參數(shù)，觀察生成組織的變化。

(a) 織物組織設計 (b) 組織結構仿真

(c) 織物組織模擬圖 (d) 織物組織實物圖圖2 織物組織與結構仿真

3. 紋織物設計仿真與織造

全自動或半自動提花織樣機可以滿足紡織工程專業(yè)學生在實驗室織造紋織物的需求，但整經(jīng)、穿綜、穿筘等織前準備工作會耗費大量時間，且實驗室一般沒有配備多臺提花織機，因此并不具備讓多數(shù)學生在有限的教學時間內(nèi)獨立完成自主設計和織造個性化紋織物的條件。而紋織物設計仿真實驗可以顯著提高教學效率，降低實驗成本，同時滿足每名學生個性化自主設計實驗的需求，因此也成為紡織CAD實驗教學的重點內(nèi)容。使用荷蘭Nedgraphics公司的提花設計軟件等多種紡織CAD軟件，可實現(xiàn)從原始設計圖到紋板圖、仿真效果圖的紋織物仿真設計，模擬織物成品的真實效果，同時還可以完成上機織造，如圖3所示。

圖3 紋織物設計仿真與織造

4. 多臂織物設計仿真與織造

小樣織機因其簡單易用、單臺占地小、臺套數(shù)多、成本低等特點，成為紡織工程專業(yè)學生在學校實驗室接觸最多也是實驗教學中使用頻率最高的設備之一，學生可以獨立地完成小提花織物的設計和織造。通過紡織CAD軟件的輔助，學生可以在幾分鐘內(nèi)預覽多臂織物的仿真效果圖，并根據(jù)需要快速調(diào)整設計方案，完善實物作品。學生可以通過調(diào)整經(jīng)緯紗線密度、組織參數(shù)設計不同的多臂織物，快速生成織物仿真效果圖，如圖4所示。此外，還可以進行特殊效應的織物設計仿真，如彩條織物、彩格織物、長絲經(jīng)與長絲緯交織、長絲與短纖紗交織、單紗與股線交織、花式線應用等的設計與模擬。

(a) 織物參數(shù)設置

(b) 織物仿真效果圖4 多臂織物設計仿真與織造

5. 繡花設計仿真與刺繡

繡花是在已有紡織品上的二次加工，其過程不可逆，單頭的電腦繡花機非常適合紡織服裝專業(yè)的實驗教學。通過繡花設計軟件對刺繡過程進行仿真，可實現(xiàn)對各種面料上花型針跡及各部分刺繡順序的模擬，并快速預覽三維模擬圖，便于檢查修改，避免損失，從而降低實驗成本，提高實驗效率，同時滿足學生個性化設計的需求。使用日本兄弟公司的繡花設計軟件PE-DESIGN進行繡花設計和仿真，在花樣編制完成后，指定花樣的顏色、繡制類型，就可以預覽實際刺繡的模擬效果，還可以使用針跡模擬器對刺繡的全過程進行動畫模擬。檢查針跡無誤后可直接發(fā)送至電腦繡花機，在實物上完成刺繡，如圖5所示。

6. 紡織品三維貼圖

通過紡織品三維貼圖的虛擬仿真，可以快速得到目標產(chǎn)品的實物模擬效果圖。學生可根據(jù)自己的設計需要進行反復修改，無需實際生產(chǎn)即可看到產(chǎn)品的模擬效果，大大提高了設計效率。使用圖案設計軟件，通過改變參數(shù)自動生成適用于紡織品的各種圖案。以軟件生成圖案為基本元素，按照紋樣構圖規(guī)則設計紡織紋樣，再根據(jù)所設計的紋樣和經(jīng)緯紗密度等計算出織造工藝參數(shù)，模擬顯示或打印輸出產(chǎn)品仿真圖，如圖6所示。

(a) 針跡編輯圖 (b) 三維模擬圖 (c) 刺繡實物圖圖5 繡花設計仿真與刺繡

(a) 產(chǎn)品原始圖 (b) 軟件設置圖 (c) 模擬效果圖圖6 紡織品三維貼圖

7. 虛擬外貿(mào)單證實訓

南京世格軟件有限責任公司開發(fā)的SimTrade外貿(mào)單證平臺還原了紡織外貿(mào)企業(yè)日常工作的真實場景與業(yè)務流程，通過場景、人物、事件的結合共同組成模擬貿(mào)易環(huán)境，實現(xiàn)與學生的虛擬互動。采用角色扮演的游戲模式，使學生真正體驗到外貿(mào)跟單業(yè)務所涉及的地點、人物、單據(jù)、場景，從而熟練掌握各種業(yè)務技巧。如圖7和圖8所示，其內(nèi)容主要包括：(1)外貿(mào)公司報到，接受業(yè)務經(jīng)理面試及全套訂單資料；(2)訂單分析；(3)制訂工作日程安排；(4)樣品跟單，選廠與打樣、寄樣與樣品檢驗、確認；(5)原輔料跟單，原輔料采購計劃的制訂、原輔料采購、第三方檢驗、質(zhì)量檢驗；(6)生產(chǎn)跟單，生產(chǎn)作業(yè)的制訂、生產(chǎn)任務下達、質(zhì)量控制與評估、數(shù)量與交貨期跟單；(7)包裝跟單，包裝材料的選擇與生產(chǎn)、包裝設計、包裝檢驗；(8)單據(jù)交付，法定商檢、貨運委托(訂艙)、單據(jù)的校驗與交付。

圖7 SimTrade外貿(mào)單證平臺主界面和產(chǎn)品打樣界面

圖8 原輔料采購與檢驗和質(zhì)量評估界面

三、 虛擬仿真實驗的實施方法

紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學以案例教學法為主要實施方法，準備充分的教學資源和多樣性的實例素材，為學生創(chuàng)造了足夠的預習和自學條件，強調(diào)在具體實例的反復練習中理解并掌握虛擬仿真實驗。每個實驗教學體系的建設包括但不限于以下內(nèi)容：(1)實驗項目設置；(2)實驗教學計劃；(3)實驗指導書；(4)實驗教學素材，包括原始設計圖、實物照片、掃描圖片、說明文件等；(5)軟件使用手冊；(6)實驗教學演示視頻；(7)作業(yè)、練習題、考核方式及考試題；(8)成品展示，包括模擬效果圖、實物樣品等。

四、 結語

紡織工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學以低成本、低消耗、零排放、短周期的建設理念，以資源共享的開放思路，切實解決紡織品設計開發(fā)和真實實驗的高成本、高消耗、長周期、品種少的瓶頸問題，使學生將紡織工程專業(yè)課程的理論知識轉變?yōu)楣こ虒嵺`能力，在提高學生創(chuàng)新實驗和紡織品設計開發(fā)能力的同時，為紡織企業(yè)提供了高水平的創(chuàng)新產(chǎn)品虛擬設計與制造平臺。