肖學(xué)良，李文兵，劉基宏

(江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

一、 “織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程設(shè)立虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)的必要性

“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”是我校(江南大學(xué))紡織工程專業(yè)的一門核心課程，內(nèi)容涵蓋織物的基礎(chǔ)組織、變化組織、聯(lián)合組織和復(fù)雜組織的表示方法，上機圖畫法、形成原理、設(shè)計要點，織物外觀的特征、應(yīng)用及實例。由于實際課時及實驗訓(xùn)練的局限性，限制了學(xué)生對織物三維空間交織效果的理解和認(rèn)知。虛擬仿真技術(shù)是采用計算機技術(shù)，將設(shè)計人員開發(fā)的材料結(jié)構(gòu)進行平面或立體的結(jié)構(gòu)模擬，構(gòu)建出較為真實的空間形態(tài)，讓觀看人員真實地感受到設(shè)計或創(chuàng)作人員的設(shè)計思路和開發(fā)意圖，在研發(fā)、教學(xué)、商貿(mào)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。因此開發(fā)虛擬仿真交織結(jié)構(gòu)的模擬效果對學(xué)生理解織物結(jié)構(gòu)和設(shè)計具有重要的促進作用。

紡織材料多種多樣，紡織結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化。從事紡織行業(yè)的相關(guān)工作人員，無論是教學(xué)、科研人員還是生產(chǎn)、貿(mào)易人員，經(jīng)驗往往是體現(xiàn)從業(yè)人員價值的重要因素。而虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)一定程度上減弱了這種經(jīng)驗的影響，設(shè)計水平在價值環(huán)節(jié)中的比重越來越高；同時通過虛擬仿真能更好地與對方溝通，減少打樣成本，提高交流效率[1]。因此，開發(fā)紡織材料和結(jié)構(gòu)的虛擬仿真技術(shù)具有重要意義。特別是在教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過虛擬仿真技術(shù)提供的課程設(shè)計和教學(xué)，讓學(xué)生很容易理解課本的理論知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高設(shè)計意識，進而提高課程教學(xué)效率，達到事半功倍的效果。

二、 “織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程開展虛擬仿真教學(xué)的可行性

按照教學(xué)大綱要求，“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程教學(xué)采用理論教學(xué)和小樣試織相結(jié)合的方式。從機織物結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念入手，系統(tǒng)地介紹機織物種類、組織結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機織產(chǎn)品的設(shè)計原理、方法和步驟，并具備試制織物小樣的能力；使學(xué)生熟悉各類機織物的外觀、風(fēng)格特點，具有解決實際生產(chǎn)中常見問題的能力。

然而由于課時量的限制和實驗條件的局限性，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程后，只能根據(jù)組織圖想象面料織出來后的空間效果，并未掌握相關(guān)知識體系，缺乏對復(fù)雜機織結(jié)構(gòu)內(nèi)在紗線走向的認(rèn)知[2]。利用虛擬仿真技術(shù)可很好地解決以上問題，幫助學(xué)生認(rèn)知織物外觀風(fēng)格，加深對課程體系的理解，也有助于提升學(xué)生解決實際生產(chǎn)中常見問題的能力。因此，我們在“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程中添加了6～10課時的虛擬仿真技術(shù)學(xué)習(xí)和應(yīng)用練習(xí)，以促進學(xué)生掌握機織產(chǎn)品的設(shè)計原理及方法，激發(fā)學(xué)生對紡織及其產(chǎn)品設(shè)計的興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計機織面料種類的能力。

圖1為“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程體系架構(gòu)，在傳統(tǒng)課程教學(xué)中增加了虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)，完善了課程的理論教學(xué)與實踐教學(xué)。針對課程中的三類織物組織結(jié)構(gòu)(基礎(chǔ)組織、聯(lián)合組織和復(fù)雜組織)，從虛擬仿真教學(xué)的角度，重新進行課程設(shè)計、教學(xué)組織和軟件訓(xùn)練，最后進行仿真交織結(jié)構(gòu)的拓展應(yīng)用。這樣的教學(xué)有利于學(xué)生對上機圖繪制、織物交織原理、設(shè)計應(yīng)用實例等的認(rèn)知和訓(xùn)練，使學(xué)生更好地理解和把握交織結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點和織物外觀特征。

圖1 虛擬仿真教學(xué)完善“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程體系的構(gòu)建作用

目前常用的構(gòu)建紡織結(jié)構(gòu)立體效果的仿真平臺有TexWise、TexGen、SolidWorks等，還有各高校自行開發(fā)的各類編織和針織CAD軟件[3]。例如，英國諾丁漢大學(xué)經(jīng)過20多年研發(fā)的TexGen平臺[4]，可仿真機織物立體結(jié)構(gòu)效果，使學(xué)生很容易理解各類復(fù)雜機織結(jié)構(gòu)，通過空間旋轉(zhuǎn)透視紡織結(jié)構(gòu)內(nèi)部的交織狀態(tài)，掌握紗線路徑成形的原理。這種直觀演示教學(xué)可達到事半功倍的效果，具有較大的推廣價值。

三、 虛擬仿真教學(xué)平臺的應(yīng)用

本文以TexGen虛擬仿真教學(xué)平臺為例，介紹該平臺在“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1. 二維織物結(jié)構(gòu)的仿真

教學(xué)目標(biāo)在于讓學(xué)生了解3D視角下機織面料組織圖的虛擬仿真交織效果。在TexGen的Weave模塊中，在圖2(a)所示的信息輸入框中輸入?yún)?shù)，在此可以輸入交織結(jié)構(gòu)單元的經(jīng)緯紗數(shù)、緊度、紗線寬度(直徑)、織物厚度等信息，一些附加信息如自動生成默認(rèn)域(織物外基體的空間)或織物剪切角度等也可以輸入。根據(jù)信息框輸入的信息，圖2(b)所示界面會生成織物對應(yīng)經(jīng)緯紗的未交織單元，因此，此處需要設(shè)計經(jīng)緯紗的交織結(jié)構(gòu)。根據(jù)“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程所學(xué)的織物組織類型進行設(shè)計和編輯，例如平紋、斜紋、緞紋等基礎(chǔ)組織，或者變化組織或聯(lián)合組織。

TexGen平臺會實時顯示編輯者設(shè)計的組織結(jié)構(gòu)圖和織物側(cè)視圖的交織形態(tài)。TexGen后臺還會進行計算，生成3D虛擬仿真交織形態(tài)，如圖2(c)所示，此時的交織結(jié)構(gòu)加入了設(shè)置的“域”形態(tài)，“域”一般為復(fù)合材料的基體空間。同時，系統(tǒng)默認(rèn)的背景色為黑色，為了便于區(qū)別，各類紗線的顏色默認(rèn)為常規(guī)色系，背景色和紗線表面顏色可以右鍵選擇設(shè)置。在圖2(d)中，顯示了各個交織紗線的空間軸的交織形態(tài)和加入了紗線表面的交織形態(tài)，通過這些信息的顯示和隱藏，可以更為細(xì)致地觀察到交織路徑和空間結(jié)構(gòu)，此處可以通過菜單欄中的Rendering進行選擇和編輯。此模塊的訓(xùn)練可使學(xué)生在2D面料的設(shè)計中加深對課本理論知識的學(xué)習(xí)，計算機模擬運算相當(dāng)于簡化了實驗的過程，可以讓學(xué)生更清晰地了解紗線交織后的形態(tài)效果。

(a) 參數(shù)輸入界面

(b) 交織結(jié)構(gòu)設(shè)計界面

(c) 交織結(jié)構(gòu)復(fù)合樹脂效果

(d) 無樹脂的交織結(jié)構(gòu)立體效果

2. 三維織物結(jié)構(gòu)的仿真

教學(xué)目標(biāo)在于讓學(xué)生了解3D視角下立體面料的虛擬仿真交織效果。TexGen平臺中有3D Weave模塊，首先在信息參數(shù)輸入框輸入?yún)?shù)。如圖3所示，在一個重復(fù)單元內(nèi)，可以輸入的參數(shù)包括經(jīng)紗(緯紗)根數(shù)、層數(shù)、紗線間距、線寬、線高、紗線截面的橢圓指數(shù)，以及捆綁紗的根數(shù)、與緯紗的配比、紗線截面形狀及間距和線高等信息。捆綁紗的走向需要另一個窗口自行設(shè)計，選擇組織結(jié)構(gòu)圖的左側(cè)和上側(cè)紗線信息即選擇了該紗線，然后進行捆綁走向設(shè)計。確認(rèn)后就會生成如圖3(b)所示的仿真交織結(jié)構(gòu)立體空間效果，通過Nodes、Skeleton和Surface等功能選擇，可分別看到立體交織形態(tài)下的節(jié)點和骨架信息，使學(xué)生更好地了解交織結(jié)構(gòu)的紗線走向，掌握三維交織結(jié)構(gòu)的形態(tài)。

(a) TexGen平臺操作流程

(b) 不同仿真立體交織結(jié)構(gòu)組織圖與效果圖

此外，通過編輯捆綁紗的數(shù)量、走向和形態(tài)，TexGen平臺還可以設(shè)計開發(fā)更多品種的3D仿真結(jié)構(gòu)。施加“域”功能后還可網(wǎng)格化輸出，分別定義紗線和基體性能，在諸如ABAQUS軟件中分析和處理相關(guān)拉伸、剪切、壓縮和彎曲等力學(xué)性能，真正實現(xiàn)虛擬仿真的模擬用途，省去或減少現(xiàn)實中昂貴的實驗打樣費用。

四、 結(jié)語

本文結(jié)合“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程教學(xué)特色與局限性，分析了開展虛擬仿真教學(xué)的必要性和可行性?？椢锝Y(jié)構(gòu)的虛擬仿真教學(xué)解決了理論教學(xué)內(nèi)容的枯燥抽象和難以理解以及實驗教學(xué)課時限制等問題，是提高學(xué)生理解并掌握織物結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的有效方式。同時，以TexGen仿真平臺為例，展示了仿真軟件在模擬交織結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢和特色，為“織物結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程教學(xué)改革提供了強有力的支撐。