一种三维“人体－服装”接触力学仿真分析系统

摘要

本发明是基于有限元接触分析的三维“人体－服装”接触力学仿真系统，包括有以下模块：3DCAD服装缝合系统模块、有限元模型构建模块、有限元仿真求解模块、系统后处理模块。它利用弹簧质点模型完成二维衣片缝合，实现三维初始服装构造，提供三维服装造型。弹簧质点模型最为简单，易于构造，算法容易实现，计算效率较高，速度快，所以造型效率极高。然后采用有限元模型实现服装效果模拟。由于有限元模型能够较全面表达织物的材质，因而仿真结束时能获得较真实的穿着效果，同时采用有限元模型的服装效果仿真也较易实现服装及人体的应力及位移分析。

说明书

技术领域

本发明涉及到计算机图形学领域，具体而言，涉及到一种三维“人体—服装”接触力学仿真分析系统。

背景技术

限于计算机技术特别是硬件的发展，直到1986年，第一个织物变形的三维计算机模拟程序才被开发出来，在此之前，纺织学界的研究工作主要集中在诸如非线性连续体薄板理论、有限元方法在织物力学研究中的应用，弯曲、剪切、自重等在织物悬垂及屈曲中的不同影响方式等等。特别是有限元方法适用于以织物力学分析和模拟为主的仿真研究。

目前图形仿真的建模方法主要可以分为三大类：几何方法、物理方法及综合方法。几何方法不考虑面料或服装的物理特性，采用悬链线、B样条插值等方法。生成的图形具有类织物的形态，但是不代表某种特定的织物，图形的生成速度快。物理方法是通过构造织物对象的结构力学模型，利用计算机图形方法生成具有某种特定形态的仿真织物。根据力学结构和求解方法的不同，可将其划分为力法和能量法。综合方法是几何算法与物理建模的综合运用。

织物与服装二维模拟及仿真技术本身涉及到纺织材料结构力学、计算机图形学、计算力学等多方面的交叉研究内容，随着建模方式的基本完善，目前的研究重点集中在算法的精化(如改进求解方法提高速度)以及与三维人体建模结合，研究虚拟穿着和数字化服装定制方向，应该说，从目前的技术水平过渡到具有应用价值的三维服装CAD/CAM系统、虚拟试穿系统，还需完成二维服装造型的真实性评价，三维造型与二维版型间的相互转换，交互式服装设计接口，人体测量与三维成型等一系列研制开发工作。

计算机技术的概念创新与市场拓展是紧密相关的，对我国的服装工业及计算机技术的发展，织物与服装三维模拟及仿真技术都具有广泛的研究价值和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不同，提出了一种简单、高效、效果真实的三维“人体-服装”接触力学仿真分析系统。

为了实现发明目的，采用的技术方案如下：

三维“人体-服装”接触力学仿真分析系统，包括有以下模块：

3DCAD服装缝合系统模块、有限元模型构建模块、有限元仿真求解模块、系统后处理模块。

所述3DCAD服装缝合系统模块完成从二维衣片到三维服装的缝合仿真和服装的三维造型设计。

所述有限元模型构建模块包括几何模型建立模块和网格剖分模块，根据3DCAD服装缝合系统模块提供的三维初始服装及相关的缝合信息的基础上进行三维有限元离散模型的重构。

所述有限元仿真求解模块主要生成使用APDL语言描述的宏命令文件，然后自动调用ANSYS，转入ANSYS模块处理。

所述系统后处理模块提取ANSYS模块的结果信息，对人模进行受力以及位移的图形化表示，把人模指定点处受力和位移数据显示出来，以便对人体进行压力舒适性分析。

本发明的各个模块所实现的功能具体如下：

所述3DCAD服装缝合系统模块是三维“人体-服装”接触力学仿真分析系统中的一个重要系统，提供有限元分析中的几何模型的基本信息。它采用基于弹簧质点模型的服装缝合系统，主要完成从二维衣片到三维服装的缝合仿真和服装的三维造型设计。

所述有限元模型构建模块利用3DCAD服装缝合系统模块提供的三维初始服装及相关的缝合信息，对织物及人体定义单元类型和材料属性，生成三维服装几何模型，并通过分别对三维人体和服装进行网格剖分形成有限元离散模型。本发明对人体和服装采用实体建模方法，通过点、线、面等先建立几何模型。在弹簧质点模型中，二维衣片和三维服装均被离散表达为由规则三角形网格组成的弹簧质点系统。人模由软件Poser4.0产生后经过简化而得到，人体采用线框建模方法建立几何模型。本发明运用四结点壳单元定义人体和服装的单元类型，采用线弹性正交各向异性材料模型定义服装材料，采用各向同性线弹性材料模型定义人体材料。然后分别对人体和服装进行网格剖分操作，将三维人体服装集合模型转化为由节点和单元构成的有限元离散模型。

有限元仿真求解模块，有限元离散模型建立后，需预测服装和人体间可能发生接触的区域，建立接触对，生成宏命令文件。宏命令文件包括服装的材质属性，服装和人模的网格剖分方法，有限元分析的基本单元，边界条件和约束信息的设置，接触对的建立和接触算法的选择，有限元方程求解的终止条件等。然后采用合适的接触算法进行接触分析以完成模型的仿真。

系统后处理模块根据ANSYS求解得到的信息，导入到本软件中，对结果进行图形化显示和数据显示，以便进一步对人体着装进行压力舒适性分析。例如利用ANSYS求得的压力和位移信息，在更新的人模上进行图形化着色显示，指定人模上特定点的受力和位移数据。

本发明的技术特点主要体现如下：

1)具有三维服装造型设计功能

不同于其他三维服装仿真系统单调的服装造型，它利用弹簧质点模型完成二维衣片缝合，实现三维初始服装构造。

2)具有更细致的仿真结果和丰富的材质表现能力

三维“人体-服装”接触力学仿真分析系统，利用有限元模型实现服装效果模拟。有限元模型从宏观角度将织物看作连续介质，因而最能体现面料的材料特点，模拟效果逼真，比较符合服装面料真实变形，同时采用有限元模型的服装效果仿真也较易实现服装及人体的应力及位移分析。

3)具有与有限元分析软件ANSYS的接口的功能

通过对第一步生成的三维服装造型和人模进行网格剖分(利用有限元分析中典型的壳单元作为剖分单位)，形成基本的有限元模型，然后设置边界条件和约束条件进行接触分析。利用ANSYS识别的APDL语言编写宏文件。然后导入自动调用ANSYS进行有限元分析求解。

4)具有定量和定性分析功能

三维“人体-服装”接触力学仿真分析系统的后处理部分，根据ANSYS求解得到的信息，导入到本软件中，对结果进行图形化显示和数据显示，以便进一步对人体着装进行压力舒适性分析。例如利用ANSYS求得的压力和位移信息，在更新的人模上进行图形化(着色)显示，指定人模上特定点的受力和位移数据。其示意图如下图4所示。

附图说明

图1：三维人体-服装仿真软件系统结构图；

图2：仿真的流程图；

图3：APDL宏命令文件的形成过程图；

图4：三维服装仿真软件后处理流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的人体-服装接触力学仿真系统的结构图如附图1所示，包括3DCAD服装缝合系统模块、有限元模型构建模块、有限元求解模块和系统后处理模块。

所述3DCAD服装缝合系统模块和有限元模型构建模块相连，为有限元构建模块提供三维初始服装及相关的缝合信息。

所述有限元模型构建模块与有限元求解模块连接，提供人体和服装的几何模型，并对其进行网格剖分，得到有限元离散模型。

所述有限元求解模型对得到的人体服装有限元离散模型建立接触对，给服装施加负荷，确定边界条件，采用合适的接触算法进行接触分析以完成模型的仿真。

所述系统后处理模块与有限元求解模块连接，用于将求解的结果进行图形化显示和数据显示。

本发明应用的一个实例体现服装结构和服装材质属性的不同对服装及人体的形变和受力的影响。首先，在仿真软件中完成二维衣片缝合构造初始三维服装后，设置材料参数和计算参数。该实例对人体材料属性采用以下简化，只模拟人体皮肤并采用相同的材料属性，各属性取值如下：弹性模量EX＝2.05×10^-2gf/cm²，密度ρ＝0.6g/cm³，泊松比NUXY＝0.3。设置服装材料属性时，假设服装材料是线弹性正交各异性材料，且各平面内的剪切模量相同。设置A、B两种材料的密度、剪切模量、弹性模量、厚度和弯曲模量等属性。在有限元离散模型建立后，设置计算控制参数，采用弧长控制算法迭代求解非线性有限元方程。通过图形化的方法，在人模和衣服上着色，显示实例的仿真结果。可以看到两种材质服装应力对比、两种材质服装位移对比，两种服装材质下人体应力分布对比的结果。由实例可以验证，本发明的三维人体服装接触力学仿真系统对人体服装接触问题进行仿真，准确的反映人体服装接触过程中的应力和位移形变趋势，对于服装设计和力学舒适性分析有重要的参考价值。