基于虚拟仿真技术的织物组织实验课程改革

王 姜， 杨建平， 冯 波

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 信息科学与技术学院， 上海 201620)

基于虚拟仿真技术的织物组织实验课程改革

王 姜1， 杨建平2， 冯 波1

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 信息科学与技术学院， 上海 201620)

针对机织和针织相关专业课程中织物组织结构表示方法的抽象和不易于理解的问题，提出了采用虚拟仿真技术构建织物组织结构三维模型的方法，直观地展示织物的外观形态和其中纱线间的交织规律及运动轨迹。在此过程中，循序渐进地从简单织物组织的构建过渡到较为复杂的织物组织构建，可以加深学生对织物成型概念的理解，对其后续阶段机织物和针织物组织结构的创新设计有着良多助益。

机织物； 针织物； 虚拟仿真； 织物组织结构

织物是纺织专业中重点研究的对象。根据纺织工程专业的培养目标，该专业的学生不但要有织物基础知识，而且要有产品设计、开发能力[1-3]。“织物组织实验”课程以培养学生的织物组织设计能力为目标，要求学生掌握织物的织造方法和织物组织的基础理论知识，进一步了解服装用、装饰用以及产业用纺织品的风格和性能特点[4]。通常，织物中经纬纱线的交织结构很难用肉眼观察清楚，而用显微镜观察则不能展示全貌，对于针对组织循环数较大或者多层织物，更是无法观察到完整的经纬纱交织规律。

当前应用最广泛的织物是机织物和针织物。机织物是由相互垂直排列的2个系统的纱线在织机上按一定规律交织而成的制品[4]；针织物是利用织针把纱线弯曲成线圈，然后将线圈相互串套和连接而成的制品[5]。机织物和针织物的组织结构变化繁多，而组织结构的表示形式十分抽象，不易于学生理解，也不利于学生对织物组织结构的创新性设计。

为了便于学生对于织物组织结构的认识，采用虚拟仿真技术对织物的经纬纱交织规律进行建模，构建了织物组织虚拟环境，使学生在“织物组织实验”课上机操作之前，能够直观地观察到织物组织形态、理解织物组织结构，而不是仅仅会通过织物的简易表达图示上机操作。织物组织虚拟仿真对于学生学习“织物结构与设计”专业课程有很好的促进作用，使学生提高了三维空间想象力和软件操作技能。

1 机织物组织结构可视化

在机织物的织造中，采用上机图来表示织物上机织造的工艺。上机图由组织图、穿筘图、穿综图、纹板图构成，而组织图是织物设计的重点所在，其表示织物中经纬纱的交织规律，织物最终的纹理结构与组织图吻合。此外，穿筘图表示每个钢筘齿内穿入的经纱根数，穿综图表示组织图中各根经纱穿入各页综页顺序的图解，纹板图是控制综框运动规律的图解。此3种图示皆是在组织图确定的基础上进行设计完成的。机织物组织图一般用黑白相间的图案表示，如图1所示。

图1 机织物组织结构示意图

图1所示的平纹组织和斜纹组织是机织物中最基本的织物组织，其中黑色方格表示经组织点，白色方格表示纬组织点；经组织点表示在此处经纱浮于纬纱之上，纬组织点表示此处纬纱浮于经纱之上。

绘制织物上机图十分方便，校对很简洁，也利于上机织造过程中对纹板的输入，所以在生产实践中一般采用上机图。但此种绘图方法并不便于对织物组织结构的直观认识，经纬纱线的具体交织结构亦不能清晰地展示出来。在学生进行织物组织的创新型设计时，没有织物组织图进行参照，需要自己编写组织图，所以对织物组织结构的理解是至关重要的。而基于虚拟仿真技术的织物建模过程可以展现立体的经纬交织规律，在织物面料开发以及科学研究中有很好的辅助作用。

图2和图3分别是根据图1转化来的平纹组织经纬交织结构图和斜纹组织经纬交织结构图。图中可以清晰地看到经纬纱线相互交替过程中，经组织点和纬组织点的变换规律。虽然此种绘图方式较织物上机图复杂许多，但是在后续课程中，对学生理解织物组织结构和进行创新性训练有事半功倍的作用。

图2 平纹组织经纬交织结构

图3 斜纹组织经纬交织结构

“织物组织实验”课程主要由学生上机实践和织物面料开发两部分组成。上机实践是对机织物中基本的三原组织进行织造，织物面料开发是在学生对织物组织有一定理解的基础上，尝试自主开发全新的织物组织。

机织物中的三原组织包括平纹组织、斜纹组织和缎纹组织，而复杂组织都是在三原组织的基础上变化而来的，例如连续变厚度机织物[6]、增强型多层机织物[7]以及异形机织物[8]等许多特种机织物。

以复杂组织中的双层组织为例，其组织结构如图4所示。

图4 双层织物组织结构

图4中的双层织物组织结构是可以一次性织造的，即采用一次上机织造即可得到2层平纹织物，2层平纹织物是完全分开的，而实际应用中，往往需要将2层平纹织物接结为一体以赋予织物特殊的性能，如图5所示。

图5 接结双层织物组织结构

在图5中，下层平纹织物中的部分纬纱起伏一定的高度与上层平纹织物的经纱交织，原有的2层无关联的双层织物实现接结形成新的双层织物，此种接结方法同样可以织制多层织物。此类织物组织结构用途广泛，例如防弹织物、防刺织物以及起重吊带等都采用此类织物。不仅平纹织物可以做到接结，斜纹织物、缎纹织物以及由三原组织变化而来的很多织物组织都可以进行双层或多层接结，接结层数越多，织物的组织结构就越复杂。采用虚拟仿真技术构建织物组织三维结构，可以呈现出织物组织结构的每一个细节，对所要设计的织物有预想的概念而不是简单地绘制组织图。

2 针织物组织结构可视化

根据针织工艺特点的不同，针织生产可分为纬编和经编两大类[5]。由于针织物采用的织针不大，在针织成圈过程中用肉眼无法观察到，因而学生对于针织物中纱线结构的理解比较困难。在虚拟环境中构建针织物模型，有利于学生对针织物组织结构的理解，在理解了针织物中纱线的成圈方式后，可以根据实际需求开发所需的针织物面料。

2.1 纬编针织物结构可视化

纬编针织物中常用线圈图来表示针织结构单元组合的规律，如图6所示。

在图6中，可以清楚地看到针织物结构单元在织物内的连接和分布。但这种方法仅适用与比较简单的针织物组织，它不能清楚地表示复杂针织物组织结构。而在虚拟环境中构建三维织物组织结构图示，可以更清晰、更直观地展示其织物组织结构。纬平针组织是单面纬编针织物的基本组织，如图7所示。

图7 纬平针组织结构

从图7可以看出：纬平针组织的正面和反面具有不同的几何形态，不同的结构导致了纬平针正面反射光线的能力更强，呈现出正面较反面更明亮的特点。

罗纹组织是双面纬编针织物的基本组织，它是由正面线圈纵行和反面线圈纵行以一定的组合相间配置而成的，如图8所示：

图8 罗纹组织结构及其截面示意图

从图8中可以看出，罗纹组织是由1个正面线圈纵行和1个反面线圈纵行相间配置而形成的，正反面线圈不处于同一平面，此种类型的罗纹组织称为1+1罗纹组织，而通过一定数量的正反面线圈交替便可得到特定的罗纹组织。由于罗纹组织自身结构特点，正常状态下正反线圈因纱线的弯曲和扭转而收缩导致正反线圈有一定的重叠，而图7(a)中所示的纱线结构是经横向拉伸以后呈现出来的效果。

罗纹组织的正反线圈不处于同一个平面，可以想象将2层相同的罗纹组织进行交错翻转排列得到一种新的双层织物组织结构，如图9所示。

图9 棉毛组织结构示意图

从图9可以看出，此织物由2层组成，皆为罗纹组织，将其中一层罗纹组织的正线圈配合另一层罗纹组织的反线圈即可得到新的双层织物组织，称为棉毛组织。

以上纬编针织物的组织结构皆为基础的针织物组织结构，根据基础的结构可以演化出众多新型的针织物组织结构，例如集圈组织、衬垫组织、衬纬组织、毛圈组织等一系列较为复杂的组织[4]。在虚拟环境中了解了基础针织物组织的成圈过程，对其他相对复杂的组织学习有很大帮助，特别是针对一些复合组织的理解是十分必要的。

2.2 经编针织物结构可视化

与纬编针织物一样，经编针织物的基本结构单元也是线圈，两者的主要区别在于一般的纬编针织物中每一根纱线上的线圈横向分布，而经编针织物每一根纱线上的线圈沿着纵向分布。

在教学中，普遍认为对经编的理解较纬编困难一些，经编机械的结构及运动过程较纬编机械也更为复杂，故经编的教学更为困难。特别是经编的成圈过程，涉及到的动作较多且配合精细，增加了理解的困难。因经编织物中的每一根纱线起伏次数较多且线圈的配合更为复杂，故在虚拟环境中，经编针织物模型的构建要比纬编针织物也复杂得多。

经平组织是由同一根纱线所形成的线圈轮流排列在相邻两个线圈纵行(见图10)，它是经编针织物中的基础组织之一。

图10 经平组织结构示意图

在图10中可以看出，经平组织中一根纱线会形成2组线圈，分别与其相邻的纱线所形成的线圈圈套形成特定织物组织结构。

经编针织物在服装、工业等方面有广泛的应用，例如经编网眼结构的负泊松比织物的设计[9]、应用于抗压缩的经编间隔织物[10]、经编人造血管[11]以及用于防刺的多轴向经编织物[12]等。

3 结语

利用虚拟仿真技术在虚拟环境中建立机织物和针织物的三维模型，可以直观地展示织物整体外观及纱线间的交织轨迹。构建的织物组织结构虚拟环境，可以很好地解决织物结构绘制的抽象性和平面化问题，对学生理解织物组织结构有很好的指导作用。

References)

[1] 李建华,乔箭,陈亮亮.材料力学实验“互动式”教学模式探索[J].实验技术与管理,2013，30(12):181-183.

[2] 杨英强,俞忠,陈巨兵,等.基础课实验教学示范中心建设的若干建议[C]//全国高校实验室工作研究会第九次学术研讨会暨湖北省高校实验室管理研究会2006年学术研讨会.2006.

[3] 程光旭.努力实现人才培养模式改革的新突破[J].中国高等教育,2009(1):24-27.

[4] 蔡陛霞.织物结构与设计[M].4版.北京:中国纺织出版社,2008:6-13.

[5] 龙海如.针织学[M].北京:中国纺织出版社,2008:8-195.

[6] 曾文敏,李毓陵,马颜雪，等.连续变厚度三维机织物的组织设计[J].产业用纺织品,2015(6):12-16.

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[11] 曹清林.经编人造血管编织设备的研究现状[J].纺织导报,2014(2):57-59.

[12] 孔祥勇,缪旭红.多轴向经编织物的防刺性能[J].纺织学报,2012,33(7):58-62.

Reform on Fabric Organization Experiment course based on virtual simulation technology

Wang Jiang1, Yang Jianping2, Feng Bo1

(1. College of Textile,Donghua University, Shanghai 201620, China;2. College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In view of the problem that it is abstract and difficult to understand the representation methods of fabric organization structures in the weaving and knitting related courses, a method of constructing the 3D model of fabric organization structures by using the virtual simulation technology is proposed. This method can intuitively show the fabric external forms, and the interweaving rules and motion tracks among yarns. In this process, the simple fabric organization structure is transited to the more complex one progressively, which can deepen the students’ understanding of the concept of fabric forming, and is beneficial for the innovative design of the organization structures of the woven fabrics and knitted fabrics in the later stage.

woven fabrics; knitted fabrics; virtual simulation; fabric organization structure

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.030

TS105.1；TP391.9

A

1002-4956(2017)11-0126-04

2017-06-14

王姜(1990—)，男，山东烟台，硕士，助理实验师，主要研究方向为机织以及纺纱、机器学习在纺织中的应用

E-mailwangjiang@dhu.edu.cn

冯波(1971—)，男，上海，硕士，工程师，主要研究方向为针织以及纺织数字化.

E-mailfengb@dhu.edu.cn