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(dòng)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(guò)程復(fù)雜，需要提前設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)體系框架，實(shí)現(xiàn)任意三維機(jī)織物紗線交織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并可通過(guò)三維建模軟件實(shí)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(jì)軟件的主要功能在于實(shí)現(xiàn)任意三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，系統(tǒng)應(yīng)具備三點(diǎn)功能：

⑴具備手動(dòng)繪制紗線功能；

⑵具備紗線干涉報(bào)警機(jī)制；

⑶具備導(dǎo)出紗線軌跡坐標(biāo)功能。

針對(duì)三維機(jī)織物設(shè)計(jì)軟件的功能特點(diǎn)，本文提出了一種支持任意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)軟件體系架構(gòu)

⑴設(shè)計(jì)層接收紗線參數(shù)輸入，對(duì)輸入的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為紗線曲線的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。設(shè)計(jì)層還實(shí)現(xiàn)了經(jīng)紗的手動(dòng)繪制功能，該功能通過(guò)接收鼠標(biāo)點(diǎn)擊移動(dòng)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(bào)警層主要為了避免三維機(jī)織物紗線設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)物理干涉現(xiàn)象。紗線軌跡曲線規(guī)整時(shí)，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(cuò)誤情況時(shí)，及時(shí)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(jì)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)用戶窗口界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和紗線的繪制顯示和報(bào)警彈窗顯示。

2 軟件多層功能設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)層設(shè)計(jì)

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(jì)還需指定其排列方式。

2.1.1 緯紗設(shè)計(jì)

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(jì)

通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式繪制經(jīng)紗的交織運(yùn)動(dòng)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(diǎn)作為紗線軌跡曲線首尾控制點(diǎn)，若鼠標(biāo)拖動(dòng)軌跡經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)則對(duì)其進(jìn)行后臺(tái)記錄，而后以兩控制點(diǎn)為正弦曲線半個(gè)周期內(nèi)的頂點(diǎn)與谷點(diǎn)，最終實(shí)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(shí)物模型，在經(jīng)緯紗交織處的經(jīng)紗會(huì)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(zhǎng)度。

圖3 (a)三維機(jī)織物實(shí)物模型；(b)三維機(jī)織物經(jīng)紗設(shè)計(jì)圖

剖面圖繪制方法須實(shí)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(shí)現(xiàn)紗線的三維建模。

2.2 報(bào)警層設(shè)計(jì)

2.3 顯示層設(shè)計(jì)

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(shí)用性，主要由經(jīng)緯紗設(shè)計(jì)界面構(gòu)成，通過(guò)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(shí)現(xiàn)

三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件基于C++的Qt5.9 程序開(kāi)發(fā),依照功能需求，根據(jù)軟件功能特點(diǎn)將其細(xì)分為多個(gè)功能單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能單元的開(kāi)發(fā)。使用Qt中的多線段繪制函數(shù)實(shí)現(xiàn)緯紗橫截面的繪制，接收鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊信號(hào)實(shí)現(xiàn)功能菜單的彈出與功能選擇，接收鼠標(biāo)移動(dòng)信號(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)經(jīng)紗之間的干涉報(bào)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(jì)的三維機(jī)織物如圖4(a)所示。軟件實(shí)現(xiàn)了三維層層角聯(lián)鎖機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多層經(jīng)紗的繪制，實(shí)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(jì)；(b)三維機(jī)織物三維建模

軟件設(shè)計(jì)上以體系架構(gòu)為指導(dǎo)，通過(guò)使用不同函數(shù)實(shí)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(jì)構(gòu)態(tài)，以符合不同三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以三維機(jī)織物為研究對(duì)象，針對(duì)其設(shè)計(jì)繪制問(wèn)題提出了一種剖面圖繪制方法。通過(guò)多層功能設(shè)計(jì)模式并基于Qt5.9 開(kāi)發(fā)了三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，完成了參數(shù)接收、紗線設(shè)計(jì)繪制、報(bào)警機(jī)制以及軌跡導(dǎo)出等各功能模塊單元的開(kāi)發(fā)，降低了三維機(jī)織物設(shè)計(jì)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(jì)與開(kāi)發(fā)，更有利于紡織織造行業(yè)的發(fā)展。