“织物结构设计”课程虚拟仿真教学探索

肖学良，李文兵，刘基宏

(江南大学 纺织科学与工程学院，江苏 无锡 214122)

一、 “织物结构设计”课程设立虚拟仿真教学环节的必要性

“织物结构设计”是我校(江南大学)纺织工程专业的一门核心课程，内容涵盖织物的基础组织、变化组织、联合组织和复杂组织的表示方法，上机图画法、形成原理、设计要点，织物外观的特征、应用及实例。由于实际课时及实验训练的局限性，限制了学生对织物三维空间交织效果的理解和认知。虚拟仿真技术是采用计算机技术，将设计人员开发的材料结构进行平面或立体的结构模拟，构建出较为真实的空间形态，让观看人员真实地感受到设计或创作人员的设计思路和开发意图，在研发、教学、商贸等领域具有重要的应用前景。因此开发虚拟仿真交织结构的模拟效果对学生理解织物结构和设计具有重要的促进作用。

纺织材料多种多样，纺织结构千变万化。从事纺织行业的相关工作人员，无论是教学、科研人员还是生产、贸易人员，经验往往是体现从业人员价值的重要因素。而虚拟仿真技术的出现一定程度上减弱了这种经验的影响，设计水平在价值环节中的比重越来越高；同时通过虚拟仿真能更好地与对方沟通，减少打样成本，提高交流效率[1]。因此，开发纺织材料和结构的虚拟仿真技术具有重要意义。特别是在教学环节中，通过虚拟仿真技术提供的课程设计和教学，让学生很容易理解课本的理论知识，激发学习兴趣，提高设计意识，进而提高课程教学效率，达到事半功倍的效果。

二、 “织物结构设计”课程开展虚拟仿真教学的可行性

按照教学大纲要求，“织物结构设计”课程教学采用理论教学和小样试织相结合的方式。从机织物结构设计的基本概念入手，系统地介绍机织物种类、组织结构和设计方法。通过该课程的学习，使学生掌握机织产品的设计原理、方法和步骤，并具备试制织物小样的能力；使学生熟悉各类机织物的外观、风格特点，具有解决实际生产中常见问题的能力。

然而由于课时量的限制和实验条件的局限性，很多学生在学习该课程后，只能根据组织图想象面料织出来后的空间效果，并未掌握相关知识体系，缺乏对复杂机织结构内在纱线走向的认知[2]。利用虚拟仿真技术可很好地解决以上问题，帮助学生认知织物外观风格，加深对课程体系的理解，也有助于提升学生解决实际生产中常见问题的能力。因此，我们在“织物结构设计”课程中添加了6～10课时的虚拟仿真技术学习和应用练习，以促进学生掌握机织产品的设计原理及方法，激发学生对纺织及其产品设计的兴趣，提高学生创新设计机织面料种类的能力。

图1为“织物结构设计”课程体系架构，在传统课程教学中增加了虚拟仿真教学环节，完善了课程的理论教学与实践教学。针对课程中的三类织物组织结构(基础组织、联合组织和复杂组织)，从虚拟仿真教学的角度，重新进行课程设计、教学组织和软件训练，最后进行仿真交织结构的拓展应用。这样的教学有利于学生对上机图绘制、织物交织原理、设计应用实例等的认知和训练，使学生更好地理解和把握交织结构的设计要点和织物外观特征。

图1 虚拟仿真教学完善“织物结构设计”课程体系的构建作用

目前常用的构建纺织结构立体效果的仿真平台有TexWise、TexGen、SolidWorks等，还有各高校自行开发的各类编织和针织CAD软件[3]。例如，英国诺丁汉大学经过20多年研发的TexGen平台[4]，可仿真机织物立体结构效果，使学生很容易理解各类复杂机织结构，通过空间旋转透视纺织结构内部的交织状态，掌握纱线路径成形的原理。这种直观演示教学可达到事半功倍的效果，具有较大的推广价值。

三、 虚拟仿真教学平台的应用

本文以TexGen虚拟仿真教学平台为例，介绍该平台在“织物结构设计”课程教学中的应用。

1. 二维织物结构的仿真

教学目标在于让学生了解3D视角下机织面料组织图的虚拟仿真交织效果。在TexGen的Weave模块中，在图2(a)所示的信息输入框中输入参数，在此可以输入交织结构单元的经纬纱数、紧度、纱线宽度(直径)、织物厚度等信息，一些附加信息如自动生成默认域(织物外基体的空间)或织物剪切角度等也可以输入。根据信息框输入的信息，图2(b)所示界面会生成织物对应经纬纱的未交织单元，因此，此处需要设计经纬纱的交织结构。根据“织物结构设计”课程所学的织物组织类型进行设计和编辑，例如平纹、斜纹、缎纹等基础组织，或者变化组织或联合组织。

TexGen平台会实时显示编辑者设计的组织结构图和织物侧视图的交织形态。TexGen后台还会进行计算，生成3D虚拟仿真交织形态，如图2(c)所示，此时的交织结构加入了设置的“域”形态，“域”一般为复合材料的基体空间。同时，系统默认的背景色为黑色，为了便于区别，各类纱线的颜色默认为常规色系，背景色和纱线表面颜色可以右键选择设置。在图2(d)中，显示了各个交织纱线的空间轴的交织形态和加入了纱线表面的交织形态，通过这些信息的显示和隐藏，可以更为细致地观察到交织路径和空间结构，此处可以通过菜单栏中的Rendering进行选择和编辑。此模块的训练可使学生在2D面料的设计中加深对课本理论知识的学习，计算机模拟运算相当于简化了实验的过程，可以让学生更清晰地了解纱线交织后的形态效果。

(a) 参数输入界面

(b) 交织结构设计界面

(c) 交织结构复合树脂效果

(d) 无树脂的交织结构立体效果

2. 三维织物结构的仿真

教学目标在于让学生了解3D视角下立体面料的虚拟仿真交织效果。TexGen平台中有3D Weave模块，首先在信息参数输入框输入参数。如图3所示，在一个重复单元内，可以输入的参数包括经纱(纬纱)根数、层数、纱线间距、线宽、线高、纱线截面的椭圆指数，以及捆绑纱的根数、与纬纱的配比、纱线截面形状及间距和线高等信息。捆绑纱的走向需要另一个窗口自行设计，选择组织结构图的左侧和上侧纱线信息即选择了该纱线，然后进行捆绑走向设计。确认后就会生成如图3(b)所示的仿真交织结构立体空间效果，通过Nodes、Skeleton和Surface等功能选择，可分别看到立体交织形态下的节点和骨架信息，使学生更好地了解交织结构的纱线走向，掌握三维交织结构的形态。

(a) TexGen平台操作流程

(b) 不同仿真立体交织结构组织图与效果图

此外，通过编辑捆绑纱的数量、走向和形态，TexGen平台还可以设计开发更多品种的3D仿真结构。施加“域”功能后还可网格化输出，分别定义纱线和基体性能，在诸如ABAQUS软件中分析和处理相关拉伸、剪切、压缩和弯曲等力学性能，真正实现虚拟仿真的模拟用途，省去或减少现实中昂贵的实验打样费用。

四、 结语

本文结合“织物结构设计”课程教学特色与局限性，分析了开展虚拟仿真教学的必要性和可行性。织物结构的虚拟仿真教学解决了理论教学内容的枯燥抽象和难以理解以及实验教学课时限制等问题，是提高学生理解并掌握织物结构设计理论的有效方式。同时，以TexGen仿真平台为例，展示了仿真软件在模拟交织结构方面的优势和特色，为“织物结构设计”课程教学改革提供了强有力的支撑。