三維機織物結構設計軟件的設計與實現

呂三峰，應志平，吳震宇，胡旭東

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江 杭州 310000；2.浙江理工大學新昌技術創新研究院)

0 引言

三維機織預制體是三維紡織復合材料中應用最為廣泛的增強體結構，其具有優異的復雜結構近凈成型能力，用它所制備的復合材料的綜合力學性能優于傳統層壓復合材料。三維機織物的織造過程復雜，需要提前設計并繪制其結構。而目前一些三維機織物結構設計軟件操作難度較高。

本文提出一種織物剖面圖繪制方法，構建三維機織物結構設計體系框架，實現任意三維機織物紗線交織結構設計，并可通過三維建模軟件實現三維機織物建模。

1 軟件體系架構

三維機織物主要由接結經紗與緯紗構成必要機織物組織，襯經紗構成非必要機織物組織。三維機織物結構設計軟件的主要功能在于實現任意三維機織物的結構模型設計，系統應具備三點功能：

⑴具備手動繪制紗線功能；

⑵具備紗線干涉報警機制；

⑶具備導出紗線軌跡坐標功能。

針對三維機織物設計軟件的功能特點，本文提出了一種支持任意結構設計的軟件體系框架。該軟件體系架構如圖1所示。

圖1 三維機織物結構設計軟件體系架構

⑴設計層接收紗線參數輸入，對輸入的參數進行數據處理，為紗線曲線的設計提供數據支持。設計層還實現了經紗的手動繪制功能，該功能通過接收鼠標點擊移動輸入事件，繪制鼠標軌跡曲線，而后將其規整為統一的經紗曲線。

⑵報警層主要為了避免三維機織物紗線設計過程中出現物理干涉現象。紗線軌跡曲線規整時，可能存在經紗與緯紗之間的干涉，也可能存在經紗與經紗之間的干涉，在出現這些錯誤情況時，及時彈窗警告，并由用戶決定是否刪除已繪制的軌跡曲線。

⑶顯示層主要依據三維機織物結構設計軟件所實現的功能，設計用戶窗口界面，實現人機交互和紗線的繪制顯示和報警彈窗顯示。

2 軟件多層功能設計

2.1 設計層設計

三維機織物結構繪制所需接收的參數有紗線橫截面寬高度，紗線交織密度等，緯紗的設計還需指定其排列方式。

2.1.1 緯紗設計

根據所需織造的三維機織物結構，設定合適的緯紗行列排列參數。紗線的橫截面通常近似為扁平的凸透鏡形狀，其橫截面參數方程如下：

圖2 緯紗橫截面

2.1.2 經紗設計

通過拖動鼠標的方式繪制經紗的交織運動軌跡曲線，而后使用正弦函數規整該曲線。具體的規整方法為：以上下兩根緯紗豎直方向上的間距中心點作為紗線軌跡曲線首尾控制點，若鼠標拖動軌跡經過控制點則對其進行后臺記錄，而后以兩控制點為正弦曲線半個周期內的頂點與谷點，最終實現單條經線軌跡曲線段的規整繪制。

完整經紗軌跡曲線是由上述多條軌跡曲線段組成，因此一條完整的經紗軌跡曲線在兩條軌跡曲線段交接處的曲率最大，容易在該處出現經緯紗之間的干涉。為了避免發生模型干涉現象，結合三維機織物的實物模型，在經緯紗交織處的經紗會因兩緯紗之間的作用力而被壓制為扁平狀，如圖3 所示，其中圖3(b)中a為扁平狀經紗長度。

圖3 (a)三維機織物實物模型；(b)三維機織物經紗設計圖

剖面圖繪制方法須實現多層經紗繪制功能，令最外層的經紗軌跡曲線的坐標為0，屏幕向內為軸正軸方向，則依據經密與經紗寬度參數可以確定每一層的經紗軌跡曲線坐標為=(-1)warp，其中為經紗向內延伸層數，warp為經密。導出紗線的坐標至三維建模軟件中可以實現紗線的三維建模。

2.2 報警層設計

2.3 顯示層設計

顯示界面是人機交互中重要的一部分，依據系統功能以及繪制習慣，強調軟件實用性，主要由經緯紗設計界面構成，通過右鍵菜單的方式選擇所需要的功能，如輸入紗線參數，導出紗線坐標，選擇繪制層數等。

3 軟件實現

三維機織物結構設計軟件基于C++的Qt5.9 程序開發,依照功能需求，根據軟件功能特點將其細分為多個功能單元，實現對各個功能單元的開發。使用Qt中的多線段繪制函數實現緯紗橫截面的繪制，接收鼠標右鍵點擊信號實現功能菜單的彈出與功能選擇，接收鼠標移動信號記錄并繪制鼠標軌跡曲線，使用繪制函數并依據式⑵與式⑶實現經紗的交織軌跡曲線規整繪制，使用信息提示函數實現經紗之間的干涉報警彈窗提示，使用文件保存函數保存所繪制的經緯紗軌跡數據。

軟件所設計的三維機織物如圖4(a)所示。軟件實現了三維層層角聯鎖機織物的結構設計，實現了多層經紗的繪制，實現了三維機織物的三維建模，如圖4(b)所示。

圖4 (a)三維機織物結構設計；(b)三維機織物三維建模

軟件設計上以體系架構為指導，通過使用不同函數實現其不同功能，構建出任意繪制的三維機織物結構設計構態，以符合不同三維機織物結構設計的需求。

4 結束語

本文以三維機織物為研究對象，針對其設計繪制問題提出了一種剖面圖繪制方法。通過多層功能設計模式并基于Qt5.9 開發了三維機織物結構設計軟件，完成了參數接收、紗線設計繪制、報警機制以及軌跡導出等各功能模塊單元的開發，降低了三維機織物設計難度，提高了三維機織物織造的準備工作效率，提高了系統的可重構性和可擴展性，有利于新功能的設計與開發，更有利于紡織織造行業的發展。