纬编针织物数字化设计制造理论方法及实践

摘要

纬编针织物成型过程受到纱线、组织、编织工艺影响，下机松弛后针织物尺寸、密度、线圈形态等产生变化。由于对针织物纱线逐行成圈编织及下机松弛的成型过程，特别是工艺变化及多个组织复合引起的线圈变形缺乏理论研究，无法建立纬编针织物设计参数及产品规格间定量关系。现有纬编针织物数字化设计制造中，对于混合产品参数及制造过程参数的针织产品设计方式，只能依赖反复打样及人工经验提高设计准确率。针对上述问题，本文进行纬编针织物数字化设计制造理论方法及实践研究。
　　通过对纬编针织工艺及针织机械工作原理研究，根据针织物成型过程中纱线连续变形，机上编织过程中成圈时刻线圈状态可根据纱线参数、机械参数、工艺参数确定的编织特点，提出纬编针织物成型过程的中间态假设。该中间态假设，为根据成型过程参数求解针织物下机松弛态的研究目的，将针织物纱线原料逐针弯曲串套成圈成行，逐行编织形成织物的过程进行简化，将编织参数与织物组织线圈串套关系建立联系，为松弛态求解提供理论依据。
　　在纬编针织物成型过程中问态假设的基础上，建立纬编针织物中间态几何模型及织物力学模型。采用19根圆型截面单纱分三层排列的加捻纱线模型，使用非均匀有理B样条曲线描述纱线中心线路径。通过纬编针织组织中成圈、悬弧、浮线三种基本线单元构及起针、收针、连接三种辅助单元建立纬编针织物中间态几何模型，对纬平组织、罗纹组织、双反而组织、提花组织、集圈组织5种典型组织结构构建中间态几何模型。纱线中单纱采用无摩擦铰接的弹性杆模型，分析弹性杆中的应力、应变、质量、摩擦、接触、平衡方程等。
　　根据纬编针织物成型过程中间态假设及几何、力学模型，通过MATLAB构建纬编针织物几何模型，采用Abaqus/Explicit进行纬编针织物松弛态仿真。对纬编针织物中集圈组织进行仿真，对双面纬编针织物中1+1罗纹组织、单面纬编针织物中4中常用组织进行仿真、实际编织效果比对。仿真结果表明，基于纬编针织物成型过程中间态的针织物成型模型，可以根据设计参数求解纬编针织物松弛态，能够预测织物下机松弛后产生的线圈变形、歪曲、收缩等变化，其变形趋势与实际织物一致。
　　在纬编针织物成型建模方法基础上，设计开发具有仿真接口的CAD/CAM系统。对CAD/CAM系统中的花型设计子系统、图形编辑系统、动作子系统、用纱子系统、仿真建模子系统进行设计，并对CAD/CAM系统中相关图形编辑、花型数据解析、数据压缩等算法进行阐述。采用Visual Studio2015作为开发工具，所设计实现的CAD/CAM系统采用柔性工艺文件，已应用于多种机型、多个厂家。
　　本文针对纬编针织物数字化设计制造中设计准确性不高的问题，对纬编针织物成型进行机理建模，所建立模型可以根据设计参数求解针织物松弛态，预测结果与实际织物变形趋势一致。在此基础上，设计并实现了纬编针织物CAD/CAM系统，目前应用于多种机型及多个厂家。本文所进行的理论研究及实践应用，对优化纬编针织物数字化设计制造方法具有重要意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．1．1 针织物CAD/CAM研究现状

1．1．2 针织物仿真研究现状

1．1．3 现有研究工作的局限性

1．3 研究内容

1．4 论文的组织结构

2 纬编针织物成型过程的中间态假设

2．1 纬编针织物成型机理

2．2 纬编针织物成型影响因素

2．3 纬编针织物成型过程的中间态假设

2．4 本章小结

3 纬编针织物中间态几何模型

3．1 概述

3．2 纱线中心线数学表达

3．3 基本结构单元纱线中心线几何模型

3．3．1 成圈单元纱线中心线几何模型

3．3．2 悬弧单元纱线中心线几何模型

3．3．3 浮线单元纱线中心线几何模型

3．3．4 起针单元纱线中心线几何模型

3．3．5 收针单元纱线中心线几何模型

3．3．6 连接单元纱线中心线几何模型

3．4 加捻纱线几何模型

3．4．1 加捻纱线几何建模的局部坐标

3．4．2 加捻纱线几何建模的几何变换

3．4．3 加捻纱线几何建模的坐标变换

3．5 典型组织结构几何模型

3．5．1 纬编针织物组织结构几何建模流程

3．5．2 纬平组织

3．5．3 罗纹组织

3．5．4 双反面组织

3．5．5 提花组织

3．5．6 集圈组织

3．6 本章小结

4 纬编针织物力学模型

4．1 概述

4．2 纬编针织物有限元模型

4．2．1 纱线的有限元模型

4．2．2 纱线单元位移函数

4．2．3 纱线单元应变及应力

4．2．4 纱线单元刚度矩阵

4．2．5 纱线单元质量矩阵

4．2．6 纱线间法向作用

4．2．7 纱线问摩擦

4．3 平衡方程

4．4 边界条件及初始条件

4．5 本章小结

5 基于工艺参数的纬编针织物松弛态仿真

5．1 概述

5．2 针织物松弛态仿真流程及仿真参数

5．3 纬编针织物中间态几何模型实现

5．3．1 几何模型构建数据结构设计

5．3．2 几何模型构建函数设计

5．4 纬编针织物力学模型实现

5．5 纬编针织物松弛态求解

5．5．2 Abaqus/Explicit接触算法

5．6 编织参数约束下纬编针织物松弛态仿真

5．6．1 单面集圈组织仿真——单针单列集圈

5．6．2 单面集圈组织仿真——单珠地网眼

5．7 纬编针织物松弛态仿真与实际编织效果对比

5．7．1 双面纬编针织物仿真效果对比

5．7．2 单面纬编针织物仿真效果对比

5．8 本章小结

6 纬编针织物CAD/CAM系统设计与实现

6．1 概述

6．2 具有仿真接口的CAD/CAM系统总体设计

6．3 CAD系统设计

6．3．1 花型子系统设计

6．3．2 分层图形编辑系统及典型算法

6．3．3 动作子系统设计

6．3．4 用纱子系统设计

6．3．5 仿真建模及显示子系统

6．4 纬编针织物花型数据解析

6．4．1 意匠图数学模型

6．4．2 花型意匠图解析

6．4．3 结构意匠图解析

6．5 柔性工艺文件格式设计

6．6 花型文件数据压缩

6．6．1 意匠图文件的数据压缩

6．6．2 上机工艺文件的数据压缩

6．7 CAD/CAM系统实现及应用

6．7．1 双面无缝纬编针织物设计系统

6．7．2 无缝成型纬编针织物设计系统

6．7．3 提花棉袜设计系统

6．8 本章小结

7 总结与展望

7．1 研究工作总结

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

致谢