條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺在“紡紗學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

曹巧麗，李 豪，李佳蔚，李志民，張玉澤，郁崇文

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

一、條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)背景

在紡紗加工過程中，纖維的混合作用貫穿始終，而混合的均勻程度決定了最終成紗質(zhì)量。尤其是對不同組分的纖維進(jìn)行混合紡紗時，纖維的性能和紡紗工藝參數(shù)等將直接影響纖維的混合效果。將不同顏色纖維按照不同比例搭配混合生產(chǎn)色紡紗，因其會產(chǎn)生各具特色的顏色效應(yīng)，使色紡紗具有風(fēng)格獨(dú)特、相對環(huán)保、高附加值等優(yōu)勢，其應(yīng)用與發(fā)展非常迅速[1-3]。在色紡紗生產(chǎn)時，纖維的混合效果很難直接進(jìn)行判斷，通常是通過紡成紗甚至制成織物后觀察其顏色是否符合目標(biāo)顏色，來判斷混色比例和紡紗工藝是否準(zhǔn)確，尤其是色紡混合時，工藝設(shè)計流程長、消耗大、參數(shù)調(diào)整無法及時進(jìn)行。在混紡或色紡中，條混(并條混合)是將不同組分的纖維進(jìn)行充分混合的最重要工序，但在條混中，纖維運(yùn)動規(guī)律較為復(fù)雜，目前難以對各個組分纖維的分布進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，導(dǎo)致無法快速確定合適的工藝條件[4]。又因條混實(shí)驗(yàn)涉及的工藝參數(shù)較多，在教學(xué)過程中受經(jīng)費(fèi)、時間、難度、安全性等因素制約，學(xué)生實(shí)際操作存在困難，無法切身感受條混工藝參數(shù)對混紡效果乃至成紗質(zhì)量的影響。

2020年初受新冠肺炎疫情影響，高校學(xué)生絕大多數(shù)無法返校，實(shí)驗(yàn)無法開展，對教學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生了很大影響[4]。隨著計算機(jī)及信息技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在教學(xué)領(lǐng)域也有較多應(yīng)用[5-7]。利用信息化手段改造傳統(tǒng)課堂，是提高教育質(zhì)量、改善教育供給、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效途徑。為此，積極開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受時間和空間限制的問題，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，提升學(xué)生的認(rèn)知與實(shí)踐教學(xué)效果。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)結(jié)合，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，促進(jìn)教育現(xiàn)代化、信息化，培養(yǎng)滿足社會需求的人才。

我校(東華大學(xué))紡織學(xué)院“紡紗學(xué)”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下，長期進(jìn)行纖維在牽伸過程中的運(yùn)動規(guī)律研究，探索了在不同牽伸倍數(shù)、羅拉隔距等工藝參數(shù)下不同長度、不同線密度、不同品種的纖維在紗條中的分布。為實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)，在前期研究的基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一種混紡紗的條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺通過數(shù)字化技術(shù)，能夠直觀、快速地反映出各項(xiàng)工藝條件對紗條形態(tài)及其纖維混合情況的影響，從而實(shí)現(xiàn)對并條混合過程的模擬。同時，該平臺結(jié)合可視化技術(shù)，虛擬仿真各種顏色的纖維條在混合過程中的運(yùn)動狀態(tài)，并且輸出最終紗條形態(tài)和顏色效應(yīng)。學(xué)生可以通過該平臺在線自行創(chuàng)新和設(shè)計各種顏色、比例和原料的條混實(shí)驗(yàn)。該平臺為學(xué)生提供了沉浸交互式紡紗體驗(yàn)機(jī)會，進(jìn)而提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，形象生動地幫助學(xué)生理解和掌握條混的相關(guān)理論，培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計能力。

二、條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺以Matlab軟件數(shù)值計算和3D Max可視化技術(shù)為依托，具有紗條參數(shù)輸入、條混參數(shù)輸入、初始紗條生成、多道條混等各環(huán)節(jié)的虛擬仿真操作及動畫演示功能。學(xué)生可以通過動畫演示，了解并條和條混的基本步驟，也可以通過虛擬操作仿真實(shí)驗(yàn)熟悉條混過程，掌握條混基本原理和流程。

運(yùn)行條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺，會自動播放條混過程簡介和實(shí)驗(yàn)使用的并條機(jī)結(jié)構(gòu)展示視頻，學(xué)生可從外觀整體上了解并條和條混過程。條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺初始界面如圖1所示，主要由參數(shù)輸入和結(jié)果輸出兩部分組成。參數(shù)輸入部分包括紗條性能參數(shù)和牽伸工藝參數(shù)兩個模塊。紗條性能參數(shù)包括混紡組分?jǐn)?shù)、喂入根數(shù)、纖維長度、纖維線密度、各組分顏色、紗條干定量、混紡比和排列方式等。牽伸工藝參數(shù)包括并條道數(shù)、前區(qū)和后區(qū)牽伸倍數(shù)、羅拉中心距以及紗條根數(shù)。輸入所有數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊“確定數(shù)據(jù)”按鈕即可在右側(cè)直接顯示輸入紗條的形態(tài)，便于直觀地觀察和調(diào)整。

圖1 條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺初始界面

結(jié)果輸出部分包括圖像和數(shù)據(jù)兩部分。點(diǎn)擊“輸出數(shù)據(jù)”按鈕進(jìn)行模擬運(yùn)算，計算完成后輸出框中顯示纖維在紗條中的分布圖像，根據(jù)輸入的“并條次數(shù)”分別對應(yīng)顯示在第一、二及三道條混后紗條中的纖維分布圖像，如圖2a所示。點(diǎn)擊“查看紗條縱向形態(tài)”或“查看紗條橫截面”按鈕，可進(jìn)行紗條形態(tài)切換，如圖2b所示。同時，在縱向形態(tài)的紗條圖像上可以通過鼠標(biāo)進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，全方位觀察紗條形態(tài)。此外，在輸出框下方顯示出計算得到的各道并條后紗條的混合不勻率和條干不勻率數(shù)值。

圖2 條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺輸出界面

該平臺還具有數(shù)據(jù)對比功能，可以保存每次輸入不同條混參數(shù)進(jìn)行仿真模擬的全部數(shù)據(jù)和輸出紗條形態(tài)，方便學(xué)生直觀對比，深刻理解不同工藝參數(shù)對混合效果的影響，如圖3所示。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)方案對比界面(以黑白兩種纖維不同混紡比為例)

該仿真實(shí)驗(yàn)平臺的核心是對多組分纖維在并條混合過程中的動態(tài)分布進(jìn)行模擬。主要涉及兩部分內(nèi)容：一是紗條中纖維隨機(jī)排列三維模型的構(gòu)建，二是對并條混合過程中纖維運(yùn)動情況的模擬。模擬流程圖如圖4所示。

圖4 模擬流程圖

三、條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用

1.不同并條道數(shù)下的條混情況

將兩組分紗條交替排列喂入，設(shè)置喂入紗條總根數(shù)為6根。方案1所用紗條及工藝參數(shù)如圖5所示，其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 方案一輸入?yún)?shù)

圖6 方案一輸出結(jié)果

由圖6可知，隨著并條道數(shù)增加，紗條混合不勻率降低，兩種纖維的混合更為均勻。此模擬計算結(jié)果與實(shí)際情況一致。在此參數(shù)條件下，三道并條混合后的紗條已達(dá)到較好的混合均勻程度。同時，采用方案一的輸入?yún)?shù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行條混實(shí)驗(yàn)，經(jīng)三道條混后的混合紗條實(shí)際測得的混合不勻率分別為71.67%、40.26%和33.80%，與仿真實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)果誤差均小于15%，說明該仿真實(shí)驗(yàn)平臺具有準(zhǔn)確性。

2.不同混紡比的條混情況

方案二、方案三分別以2+4、1+5的紅+藍(lán)紗條喂入頭道條混，即紅/藍(lán)纖維混紡比例分別為16.7/83.3、33.3/67.7，工藝參數(shù)如圖7所示，結(jié)果對比見圖8。

圖7 方案二與方案三輸入?yún)?shù)

圖8 不同混紡比下的條混模擬結(jié)果對比

對比圖6與圖8中的三個方案可知，不同混紡比混紡紗的混合不勻率，隨著兩組分纖維比例的接近(即混紡比接近50/50)，其值逐漸降低，同時也可以從紗條表面顏色的分布看出，兩種纖維混合得更加均勻。將模擬計算的混合不勻率結(jié)果與實(shí)測值(方案一、二、三的第三道實(shí)測混合不勻率分別為33.80%、44.82%、68.60%)相對比，兩者趨勢一致，且誤差均在15%以下，說明該仿真實(shí)驗(yàn)平臺的計算結(jié)果是準(zhǔn)確的。

四、結(jié)語

我校紡織學(xué)院研發(fā)的混紡紗條混仿真實(shí)驗(yàn)平臺，依托前期的科研成果，能夠根據(jù)輸入的不同纖維性能、紗條參數(shù)、牽伸工藝等，快速模擬各道并條后混紡紗條中纖維分布的三維形態(tài)，并計算出其混合不勻率和條干不勻率數(shù)值。結(jié)果準(zhǔn)確，操作便捷，直觀形象，趣味性強(qiáng)，寓教于樂。學(xué)生可以自行設(shè)計、觀察分析不同顏色的纖維條在各種工藝參數(shù)下的混合效果，更好地理解紡紗生產(chǎn)中的條混過程，提升“紡紗學(xué)”課程學(xué)習(xí)效果。