关于纬编织物三维重建、基础力学以及外观仿真的研究

《Composite Structures》：Research on three-dimensional reconstruction, basic mechanics, and appearance simulation of weft knitted fabric

基于NURBS建模与有限元分析的高价值针织物性能仿真研究。通过建立三维织物模型并导入ABAQUS进行拉伸和爆破模拟，实验结果显示应力-应变曲线与仿真曲线吻合度达95%以上，验证了数字孪生技术的可行性。将预处理纱线图像作为纹理映射，实现织物外观的快速预测，有效降低试织次数和碳排放，为高端针织品开发提供新方法。

　　

王金凤|王旭辉|周密|蒋珊

浙江科技大学生物基纤维材料国家重点实验室，中国杭州310018

摘要

多样化的纺织应用需要大量的测试来预测性能，这既耗时又耗料。本研究采用了一种数字化的捷径：捕捉环的几何形状，将非均匀有理B样条NURBS曲线拟合到控制点上，并构建一个嵌套的3D纱线模型，然后导入Abaqus软件中。通过拉伸和爆破模拟实验，获得了织物的应力云图和实验过程。通过比较应力-应变曲线以及模拟实验的载荷-位移曲线与实际实验曲线，发现特定点的差异小于5％，表明模拟结果与实验结果之间具有很高的一致性。基于建立的织物模型，使用预处理的纱线图像或织物外观模板作为纹理图，利用纹理映射技术来模拟和预测织物外观。这验证了有限元分析和纹理映射技术的有效性，从而简化了繁琐的试织和测试过程。通过替代迭代织造和测试，本文提出的方法可以有效模拟和分析高价值针织材料。这种方法可以降低高价值针织品的设计和生产成本、交货时间以及二氧化碳排放。

引言

在当今世界，随着科学技术的进步，纺织材料被应用于许多领域，如航空航天[1]、医疗[2][3]、生物[4][5]、军事[6][7][8]、防护[9][10][11]以及过滤[12][13][14]等。随着纺织材料及相关技术的发展，织物的基本性能及其评估标准和测试方法变得越来越重要。特别是织物的基本机械性能——拉伸性和爆破性——尤为重要。然而，这些实验具有破坏性。对于高价值或复杂的织物，通过试织测试获得最佳工艺参数既耗时又昂贵。计算机模拟可能是解决这一问题的方法。

已经开发了许多针织织物的环结构模型，例如Peirce环结构模型及其改进版本[15][16][17][18]、B样条曲线模型和弹簧-质量模型。尽管对理想的Peirce环模型进行了改进，但得到的环模型与实际织物环仍有显著差异，导致模拟结果不理想。非均匀有理B样条（NURBS）曲线模型允许灵活选择控制点[19][20][21]，这些点的空间坐标可以有效表示真实环的形状。然而，当选择的控制点较少时，模型无法准确描绘织物环的真实形状。弹簧-质量模型需要计算质量点的形状变化[22]，虽然它能更好地展示实际环的形状，但计算工作量大且模拟效率低。

Lloyd[23]首次将有限元分析应用于纺织力学测试。此后，许多研究人员[24][25][26][27][28]使用有限元分析软件来预测织物的机械性能。

织物外观模拟方法可以分为真实模拟方法和直接模拟方法。真实模拟方法侧重于提取织物纱线的基本信息以进行外观模拟，模拟结果与实际织物形状非常相似。然而，这种方法需要高精度的测量设备，且模拟结果仍可能存在偏差和一定的局限性[29]。另一方面，直接模拟方法涉及建立宏观织物模型来模拟织物外观，这种方法相对简单[30][31]。使用纹理图来模拟和预测织物外观比之前的方法（逐一映射织物环然后连接它们）更简单、更灵活。采用这种方法，我们只需要知道织物的基本参数和外观模板。将织物外观模板转换为纹理图，然后与模型结合以获得模拟预测效果，无需更改或重新建立织物模型，也不需要模拟单个环，从而显著提高了效率。

研究发现，NURBS方法在准确描述线圈的3D几何形状方面已经成熟，可以为虚拟模拟和性能预测提供高保真的几何基础[32][33][34]。同时，机器学习技术，尤其是深度学习，在针织领域取得了飞速发展，主要集中在纹理识别、性能预测、逆向设计和制造指令生成方面，表现出强大的模式识别和数据生成能力[35][36][37][38][39][40]。

在本研究中，使用Rhino建模软件对七种不同类型的平纹和罗纹织物进行了建模。Abaqus软件被用来构建一个反映实际实验条件的有限元分析和计算环境，从而分析了织物的拉伸和爆破机械性能。基于建立的织物模型，并使用预处理的纱线图像或织物外观模板作为纹理图，应用纹理映射技术来模拟和预测织物外观。这种方法节省了时间和成本，为实际工业生产提供了实用的解决方案。

材料

实验中，四种不同细度的涤棉织物来自宋灿纺织有限公司。两种纯棉织物来自民鸿泰纺织有限公司，分别使用一种捻度纱线（表1）来织造平纹和罗纹织物。七种织物的基本参数列在表2中。

1-4号织物具有相同的成分，但纱线细度不同。5号织物的克重接近4号织物。1-5号织物主要用于

单纱性能测试

根据GB/T 3916–2013《纺织纱线单纱断裂强度和断裂伸长的测定（CRE方法）》标准，使用YG026T-II电子单纱强度测试仪进行了纱线拉伸测试，获得了不同纱线的应力-应变曲线。

特征环的基本参数

将织物样品（1-7号）放置在平面上并让其松弛36小时以消除环应力。在标准光源下，使用Axio Cam Erc 5S Zeiss偏振显微镜拍摄了均匀的

1-5号纱线的基本机械性能和有限元分析

在有限元分析中，纱线被近似为各向同性弹性-塑性材料。在拉伸实验中，纱线在外力作用下从弯曲状态拉伸到直线状态。最初，当纱线受到应力时，它表现出弹性行为，应力与应变成正比。在这个阶段，最大应力点对应于屈服点，此时应力小于σ₀（屈服应力）。ε₀表示屈服应变，

结论

本文研究了针织织物的3D重建及其机械和外观性能的模拟。使用Axio Cam Erc 5S Zeiss偏振显微镜观察和测量织物结构，创建了特征环和织物模型。Abaqus软件通过拉伸和爆破有限元实验模拟并预测了基本机械性能，结果与实际实验一致。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢浙江智能纺织与柔性互联重点实验室在仪器和设备方面的支持。