基于虛擬仿真技術(shù)的織物組織實驗課程改革

王 姜， 楊建平， 馮 波

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 201620)

基于虛擬仿真技術(shù)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(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 201620)

針對機織和針織相關(guān)專業(yè)課程中織物組織結(jié)構(gòu)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(shù)構(gòu)建織物組織結(jié)構(gòu)三維模型的方法，直觀地展示織物的外觀形態(tài)和其中紗線間的交織規(guī)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(gòu)建過渡到較為復(fù)雜的織物組織構(gòu)建，可以加深學(xué)生對織物成型概念的理解，對其后續(xù)階段機織物和針織物組織結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計有著良多助益。

機織物； 針織物； 虛擬仿真； 織物組織結(jié)構(gòu)

織物是紡織專業(yè)中重點研究的對象。根據(jù)紡織工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，該專業(yè)的學(xué)生不但要有織物基礎(chǔ)知識，而且要有產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)能力[1-3]?！翱椢锝M織實驗”課程以培養(yǎng)學(xué)生的織物組織設(shè)計能力為目標，要求學(xué)生掌握織物的織造方法和織物組織的基礎(chǔ)理論知識，進一步了解服裝用、裝飾用以及產(chǎn)業(yè)用紡織品的風(fēng)格和性能特點[4]。通常，織物中經(jīng)緯紗線的交織結(jié)構(gòu)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(huán)數(shù)較大或者多層織物，更是無法觀察到完整的經(jīng)緯紗交織規(guī)律。

當(dāng)前應(yīng)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(tǒng)的紗線在織機上按一定規(guī)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(jié)構(gòu)變化繁多，而組織結(jié)構(gòu)的表示形式十分抽象，不易于學(xué)生理解，也不利于學(xué)生對織物組織結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計。

為了便于學(xué)生對于織物組織結(jié)構(gòu)的認識，采用虛擬仿真技術(shù)對織物的經(jīng)緯紗交織規(guī)律進行建模，構(gòu)建了織物組織虛擬環(huán)境，使學(xué)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(tài)、理解織物組織結(jié)構(gòu)，而不是僅僅會通過織物的簡易表達圖示上機操作?？椢锝M織虛擬仿真對于學(xué)生學(xué)習(xí)“織物結(jié)構(gòu)與設(shè)計”專業(yè)課程有很好的促進作用，使學(xué)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(jié)構(gòu)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(gòu)成，而組織圖是織物設(shè)計的重點所在，其表示織物中經(jīng)緯紗的交織規(guī)律，織物最終的紋理結(jié)構(gòu)與組織圖吻合。此外，穿筘圖表示每個鋼筘齒內(nèi)穿入的經(jīng)紗根數(shù)，穿綜圖表示組織圖中各根經(jīng)紗穿入各頁綜頁順序的圖解，紋板圖是控制綜框運動規(guī)律的圖解。此3種圖示皆是在組織圖確定的基礎(chǔ)上進行設(shè)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(jié)構(gòu)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(jīng)組織點，白色方格表示緯組織點；經(jīng)組織點表示在此處經(jīng)紗浮于緯紗之上，緯組織點表示此處緯紗浮于經(jīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的直觀認識，經(jīng)緯紗線的具體交織結(jié)構(gòu)亦不能清晰地展示出來。在學(xué)生進行織物組織的創(chuàng)新型設(shè)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(jié)構(gòu)的理解是至關(guān)重要的。而基于虛擬仿真技術(shù)的織物建模過程可以展現(xiàn)立體的經(jīng)緯交織規(guī)律，在織物面料開發(fā)以及科學(xué)研究中有很好的輔助作用。

圖2和圖3分別是根據(jù)圖1轉(zhuǎn)化來的平紋組織經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)圖和斜紋組織經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)圖。圖中可以清晰地看到經(jīng)緯紗線相互交替過程中，經(jīng)組織點和緯組織點的變換規(guī)律。雖然此種繪圖方式較織物上機圖復(fù)雜許多，但是在后續(xù)課程中，對學(xué)生理解織物組織結(jié)構(gòu)和進行創(chuàng)新性訓(xùn)練有事半功倍的作用。

圖2 平紋組織經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)

圖3 斜紋組織經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)

“織物組織實驗”課程主要由學(xué)生上機實踐和織物面料開發(fā)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(fā)是在學(xué)生對織物組織有一定理解的基礎(chǔ)上，嘗試自主開發(fā)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(fù)雜組織都是在三原組織的基礎(chǔ)上變化而來的，例如連續(xù)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(fù)雜組織中的雙層組織為例，其組織結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙層織物組織結(jié)構(gòu)

圖4中的雙層織物組織結(jié)構(gòu)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(yīng)用中，往往需要將2層平紋織物接結(jié)為一體以賦予織物特殊的性能，如圖5所示。

圖5 接結(jié)雙層織物組織結(jié)構(gòu)

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(jīng)紗交織，原有的2層無關(guān)聯(lián)的雙層織物實現(xiàn)接結(jié)形成新的雙層織物，此種接結(jié)方法同樣可以織制多層織物。此類織物組織結(jié)構(gòu)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(jié)，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(jié)，接結(jié)層數(shù)越多，織物的組織結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建織物組織三維結(jié)構(gòu)，可以呈現(xiàn)出織物組織結(jié)構(gòu)的每一個細節(jié)，對所要設(shè)計的織物有預(yù)想的概念而不是簡單地繪制組織圖。

2 針織物組織結(jié)構(gòu)可視化

根據(jù)針織工藝特點的不同，針織生產(chǎn)可分為緯編和經(jīng)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(xué)生對于針織物中紗線結(jié)構(gòu)的理解比較困難。在虛擬環(huán)境中構(gòu)建針織物模型，有利于學(xué)生對針織物組織結(jié)構(gòu)的理解，在理解了針織物中紗線的成圈方式后，可以根據(jù)實際需求開發(fā)所需的針織物面料。

2.1 緯編針織物結(jié)構(gòu)可視化

緯編針織物中常用線圈圖來表示針織結(jié)構(gòu)單元組合的規(guī)律，如圖6所示。

在圖6中，可以清楚地看到針織物結(jié)構(gòu)單元在織物內(nèi)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(fù)雜針織物組織結(jié)構(gòu)。而在虛擬環(huán)境中構(gòu)建三維織物組織結(jié)構(gòu)圖示，可以更清晰、更直觀地展示其織物組織結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)

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(tài)，不同的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了緯平針正面反射光線的能力更強，呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)特點，正常狀態(tài)下正反線圈因紗線的彎曲和扭轉(zhuǎn)而收縮導(dǎo)致正反線圈有一定的重疊，而圖7(a)中所示的紗線結(jié)構(gòu)是經(jīng)橫向拉伸以后呈現(xiàn)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(zhuǎn)排列得到一種新的雙層織物組織結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 棉毛組織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)皆為基礎(chǔ)的針織物組織結(jié)構(gòu)，根據(jù)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)可以演化出眾多新型的針織物組織結(jié)構(gòu)，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(fù)雜的組織[4]。在虛擬環(huán)境中了解了基礎(chǔ)針織物組織的成圈過程，對其他相對復(fù)雜的組織學(xué)習(xí)有很大幫助，特別是針對一些復(fù)合組織的理解是十分必要的。

2.2 經(jīng)編針織物結(jié)構(gòu)可視化

與緯編針織物一樣，經(jīng)編針織物的基本結(jié)構(gòu)單元也是線圈，兩者的主要區(qū)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(jīng)編針織物每一根紗線上的線圈沿著縱向分布。

在教學(xué)中，普遍認為對經(jīng)編的理解較緯編困難一些，經(jīng)編機械的結(jié)構(gòu)及運動過程較緯編機械也更為復(fù)雜，故經(jīng)編的教學(xué)更為困難。特別是經(jīng)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(jīng)編織物中的每一根紗線起伏次數(shù)較多且線圈的配合更為復(fù)雜，故在虛擬環(huán)境中，經(jīng)編針織物模型的構(gòu)建要比緯編針織物也復(fù)雜得多。

經(jīng)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(jīng)編針織物中的基礎(chǔ)組織之一。

圖10 經(jīng)平組織結(jié)構(gòu)示意圖

在圖10中可以看出，經(jīng)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(jié)構(gòu)。

經(jīng)編針織物在服裝、工業(yè)等方面有廣泛的應(yīng)用，例如經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的負泊松比織物的設(shè)計[9]、應(yīng)用于抗壓縮的經(jīng)編間隔織物[10]、經(jīng)編人造血管[11]以及用于防刺的多軸向經(jīng)編織物[12]等。

3 結(jié)語

利用虛擬仿真技術(shù)在虛擬環(huán)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(gòu)建的織物組織結(jié)構(gòu)虛擬環(huán)境，可以很好地解決織物結(jié)構(gòu)繪制的抽象性和平面化問題，對學(xué)生理解織物組織結(jié)構(gòu)有很好的指導(dǎo)作用。

References)

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[2] 楊英強,俞忠,陳巨兵,等.基礎(chǔ)課實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的若干建議[C]//全國高校實驗室工作研究會第九次學(xué)術(shù)研討會暨湖北省高校實驗室管理研究會2006年學(xué)術(shù)研討會.2006.

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[12] 孔祥勇,繆旭紅.多軸向經(jīng)編織物的防刺性能[J].紡織學(xué)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(xué)習(xí)在紡織中的應(yīng)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(shù)字化.

E-mailfengb@dhu.edu.cn