三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

呂三峰，應(yīng)志平，吳震宇，胡旭東

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.浙江理工大學(xué)新昌技術(shù)創(chuàng)新研究院)

0 引言

三維機(jī)織預(yù)制體是三維紡織復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，其具有優(yōu)異的復(fù)雜結(jié)構(gòu)近凈成型能力，用它所制備的復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料。三維機(jī)織物的織造過程復(fù)雜，需要提前設(shè)計并繪制其結(jié)構(gòu)。而目前一些三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)建三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計體系框架，實現(xiàn)任意三維機(jī)織物紗線交織結(jié)構(gòu)設(shè)計，并可通過三維建模軟件實現(xiàn)三維機(jī)織物建模。

1 軟件體系架構(gòu)

三維機(jī)織物主要由接結(jié)經(jīng)紗與緯紗構(gòu)成必要機(jī)織物組織，襯經(jīng)紗構(gòu)成非必要機(jī)織物組織。三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的主要功能在于實現(xiàn)任意三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，系統(tǒng)應(yīng)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(jī)制；

⑶具備導(dǎo)出紗線軌跡坐標(biāo)功能。

針對三維機(jī)織物設(shè)計軟件的功能特點，本文提出了一種支持任意結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件體系框架。該軟件體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件體系架構(gòu)

⑴設(shè)計層接收紗線參數(shù)輸入，對輸入的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為紗線曲線的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。設(shè)計層還實現(xiàn)了經(jīng)紗的手動繪制功能，該功能通過接收鼠標(biāo)點擊移動輸入事件，繪制鼠標(biāo)軌跡曲線，而后將其規(guī)整為統(tǒng)一的經(jīng)紗曲線。

⑵報警層主要為了避免三維機(jī)織物紗線設(shè)計過程中出現(xiàn)物理干涉現(xiàn)象。紗線軌跡曲線規(guī)整時，可能存在經(jīng)紗與緯紗之間的干涉，也可能存在經(jīng)紗與經(jīng)紗之間的干涉，在出現(xiàn)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(jù)三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件所實現(xiàn)的功能，設(shè)計用戶窗口界面，實現(xiàn)人機(jī)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(shè)計

2.1 設(shè)計層設(shè)計

三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)繪制所需接收的參數(shù)有紗線橫截面寬高度，紗線交織密度等，緯紗的設(shè)計還需指定其排列方式。

2.1.1 緯紗設(shè)計

根據(jù)所需織造的三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)，設(shè)定合適的緯紗行列排列參數(shù)。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(shù)方程如下：

圖2 緯紗橫截面

2.1.2 經(jīng)紗設(shè)計

通過拖動鼠標(biāo)的方式繪制經(jīng)紗的交織運動軌跡曲線，而后使用正弦函數(shù)規(guī)整該曲線。具體的規(guī)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(biāo)拖動軌跡經(jīng)過控制點則對其進(jìn)行后臺記錄，而后以兩控制點為正弦曲線半個周期內(nèi)的頂點與谷點，最終實現(xiàn)單條經(jīng)線軌跡曲線段的規(guī)整繪制。

完整經(jīng)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(jīng)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(xiàn)經(jīng)緯紗之間的干涉。為了避免發(fā)生模型干涉現(xiàn)象，結(jié)合三維機(jī)織物的實物模型，在經(jīng)緯紗交織處的經(jīng)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(jīng)紗長度。

圖3 (a)三維機(jī)織物實物模型；(b)三維機(jī)織物經(jīng)紗設(shè)計圖

剖面圖繪制方法須實現(xiàn)多層經(jīng)紗繪制功能，令最外層的經(jīng)紗軌跡曲線的坐標(biāo)為0，屏幕向內(nèi)為軸正軸方向，則依據(jù)經(jīng)密與經(jīng)紗寬度參數(shù)可以確定每一層的經(jīng)紗軌跡曲線坐標(biāo)為=(-1)warp，其中為經(jīng)紗向內(nèi)延伸層數(shù)，warp為經(jīng)密。導(dǎo)出紗線的坐標(biāo)至三維建模軟件中可以實現(xiàn)紗線的三維建模。

2.2 報警層設(shè)計

2.3 顯示層設(shè)計

顯示界面是人機(jī)交互中重要的一部分，依據(jù)系統(tǒng)功能以及繪制習(xí)慣，強(qiáng)調(diào)軟件實用性，主要由經(jīng)緯紗設(shè)計界面構(gòu)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(shù)，導(dǎo)出紗線坐標(biāo)，選擇繪制層數(shù)等。

3 軟件實現(xiàn)

三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件基于C++的Qt5.9 程序開發(fā),依照功能需求，根據(jù)軟件功能特點將其細(xì)分為多個功能單元，實現(xiàn)對各個功能單元的開發(fā)。使用Qt中的多線段繪制函數(shù)實現(xiàn)緯紗橫截面的繪制，接收鼠標(biāo)右鍵點擊信號實現(xiàn)功能菜單的彈出與功能選擇，接收鼠標(biāo)移動信號記錄并繪制鼠標(biāo)軌跡曲線，使用繪制函數(shù)并依據(jù)式⑵與式⑶實現(xiàn)經(jīng)紗的交織軌跡曲線規(guī)整繪制，使用信息提示函數(shù)實現(xiàn)經(jīng)紗之間的干涉報警彈窗提示，使用文件保存函數(shù)保存所繪制的經(jīng)緯紗軌跡數(shù)據(jù)。

軟件所設(shè)計的三維機(jī)織物如圖4(a)所示。軟件實現(xiàn)了三維層層角聯(lián)鎖機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了多層經(jīng)紗的繪制，實現(xiàn)了三維機(jī)織物的三維建模，如圖4(b)所示。

圖4 (a)三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計；(b)三維機(jī)織物三維建模

軟件設(shè)計上以體系架構(gòu)為指導(dǎo)，通過使用不同函數(shù)實現(xiàn)其不同功能，構(gòu)建出任意繪制的三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)態(tài)，以符合不同三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。

4 結(jié)束語

本文以三維機(jī)織物為研究對象，針對其設(shè)計繪制問題提出了一種剖面圖繪制方法。通過多層功能設(shè)計模式并基于Qt5.9 開發(fā)了三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，完成了參數(shù)接收、紗線設(shè)計繪制、報警機(jī)制以及軌跡導(dǎo)出等各功能模塊單元的開發(fā)，降低了三維機(jī)織物設(shè)計難度，提高了三維機(jī)織物織造的準(zhǔn)備工作效率，提高了系統(tǒng)的可重構(gòu)性和可擴(kuò)展性，有利于新功能的設(shè)計與開發(fā)，更有利于紡織織造行業(yè)的發(fā)展。