新型织物仿真软件TexGen的特点及其应用-孙晓军

应用技术WeavingTechnology织造技术｜纺织导报ChinaTextileLeader·2013No.470新型织物仿真软件TexGen的特点及其应用文|孙晓军赵晓明郑振荣林华作者简介：孙晓军，女，1987年生，硕士在读，主要从事隔热材料制备方面的研究。作者单位：孙晓军、赵晓明、郑振荣，天津工业大学纺织学院；林华，英国诺丁汉大学工程学院。通讯作者：赵晓明，男，教授，[e-mail].基金项目：国家自然科学基金项目（51206122）。目前织物仿真软件有很多种，如织物面料仿真设计系统，织物辅助仿真分析系统，纺织CAD等。这些软件能够通过设计纱线和复杂的织物组织，生成织物模拟图像并能将图像打印输出；但是通常这些工具只能对织物的二维形态进行仿真，不能达到对三维织物组织结构的模拟和材料特性的仿真。TexGen软件是由英国诺丁汉大学（UniversityofNottingham）设计开发的织物几何结构模拟软件，可准确模拟任何一种纱线的结构，包括模拟纱线粗细不匀现象，能够在局部改变纱线横截面的形状和尺寸等，并可进一步准确模拟织物的几何结构；还可以将创建好的模型输出到外部分析软件（如有限元等），便于进一步分析织物的应用性能。基于TexGen织物模拟，诺丁汉大学已经在力学冲击柔性防护材料以及航空航天用复合材料的设计与开发方面取得了很大进展。此外TexGen还可广泛应用在织物渗透性、热传递和纺织复合材料力学分析等领域。因此，利用TexGen进行织物模拟对提升国内特种功能纺织材料以及复合材料的研究、设计和开发水平将具有重要的意义。1TexGen软件的功能利用TexGen软件，任何一种织物的几何结构都可通过设定纱线路径和纱线横截面的方法生成，如机织物、非织造布、针织物、编织物和无卷曲织物等。TexGen软件的核心是能够精确模拟多种类型的织物，并能最大程度地展现织物的柔性。它不仅能够快速创建二维和三维织物模型，还能对已创建好的织物模型进行修改并输出。下面对TexGen的几大功能菜单做简要介绍。1.1编织向导编织向导的功能是通过输入织物的基本参数来创建织物模型。目前有两种编织向导，一种是生成二维和三维织物的编织向导，另一种是生成正交、角联锁和层-层接结三维织物的编织向导。（1）创建二维织物可以通过两种方法调用此功能：第一种，在“controls”的选项中选择“Textiles”，然后在“textiles”下拉菜单中选择“weave”即可调用此功能。第二种，在主菜单中选择“textiles”选项，在其下拉菜单中选择“createweave”。在IntroductionandApplicationofANewFabricSimulationSoftware摘要：详细介绍了织物模拟仿真软件TexGen的特点、各项功能以及在织物力学、复合材料力学、织物的渗透性和复合材料热传递等方面的应用。通过对玻璃纤维织物实例进行模拟，进一步阐释了利用TexGen对织物仿真建模的方法及其优点；最后对TexGen的应用前景进行了展望。关键词：织物仿真；TexGen；应用中图分类号：TS151文献标志码：AAbstract:ThecharacteristicsandfunctionsofthefabricsimulationsoftwareTexGenareintroduced.Itapplicationsinfabricmechanics,compositematerialmechanics,fabricpermeabilityandtheheattransferofcompositematerialsarealsodescribed.TheglassfiberwovenfabricwassimulatedbyTexgen,whichfurtherexplainsthemethodandadvantagesofutilizingTexGentosimulatefabric.Finally,theapplicationprospectsandthedevelopmentofTexGeninthefuturearealsoforecasted.Keywords:fabricsimulation;TexGen;application应用技术WeavingTechnology织造技术｜71“weavewizard”中可以设置织物的经纬纱数量、纱线间隔、纱线宽度和织物厚度，如图1所示。在默认情况下，经向与纬向的间隔，经纱与纬纱的宽度是相同的。设置完上述参数后，单击“Next”进入“weavepattern”对话框，如图2所示，此窗口是用来设计织物组织结构的，单击纱线的交织点来切换纱线的垂直顺序，从而确定花纹的织法。在此窗口中还可以调整纱线的间距、宽度和高度。需要注意的是，宽度和高度的改变将会应用于所有选中的纱线，而改变纱线间隔将会改变所选纱线和在它之后纱线之间的间隔。设计好织物的组织结构后，单击“OK”即可完成织物的创建。（2）创建三维织物在编织向导界面选中“create3Dweave”选项，按创建二维织物描述的那样在“WeaveWizard”上把各织物参数填上。选择“Next”进入“WeavePattern”对话框。与创建二维织物不同的是，织物结构的设计是通过纱线横截面视图完成的，如图3所示，通过在纱线交叉点处单击并拖动纱线向上或向下移动，使纱线移动到所需的位置，完成织物结构的设计。（3）创建正交、角联锁和层－层接结三维织物在主菜单的“Textiles”中选择“create3Dweave”即可调出此命令。在编织向导中依次输入纬纱、经纱、接结纱的数量，纱线层数和纱线间隔、宽度、高度等基本指标。在结接纱对话框中，输入接结纱比率，将会按照设定好的经纱数量自动生成相应数量的接结纱。设置完上述参数后就可以设计织物的组织结构了，如图4所示，蓝色的纱线是经纱，红色的纱线是纬纱，绿色的纱线是接结纱。对于正交织物和角联锁织物，在对话框的顶部，单击接结纱的交叉点来设置接结纱的交织形式；层－层接结织物的接结纱交织形式在纱线截面视图对话框中设置，与其他两种织物类型不同的是，当层－层接结织物有多层接结纱时，设计接结纱的交织形式时，所有的接结纱的交织形式是同时改变的。另外，在此对话框中选中纱线后右击，还可以调整纱线的宽度、高度和纱线间隔等参数。1.2建模器用“Weavewizard”来创建织物具有方便快捷的优点，但是几何模型的灵活性和控制性受到了一定的限制。而建模器除了可以创建模型之外，还可以修改由向导创建的几何模型，但需注意的是，经建模器修改后的模型在编织向导中发生任何改变将会清除之前在建模器中所做的所有改动。图1编织向导图3三维织物组织结构设计图2编织样式图4层－层接结织物组织设计应用技术WeavingTechnology织造技术｜纺织导报ChinaTextileLeader·2013No.472（1）设定纱线截面纱线的横截面是指沿垂直于纱线路径正切方向切开纱线时，纱线的二维形态。TexGen中有5种选项来设定纱线的截面形状：椭圆、电动椭圆、豆荚形、混合型和多边形。其中，混合型和多边形截面形状对纱线交织点上横截面形状的修正很有帮助。混合型截面允许组合两个或更多的截面形状来创建更复杂的截面。在对话框的顶部窗口可以预览生成的截面形状，例如，在图5（a）中，红色部分为椭圆形，绿色部分为椭圆，蓝色部分为电动椭圆，在截面相接的部分会有不连续的地方，这时可以拖动结合处使截面达到平滑过渡，如图5（b）所示。在“refinesection”中使用的多边形截面可以通过移动纱线截面上一些独立的点来改变截面的外围形状，更好地反映纱线在交织点处的形态。（2）纱线截面间插值纱线在很小的载荷作用下就会产生变形，纱线在交织点处会被压紧。用不规则截面来模拟纱线的形态，并在纱线的不同节点间实现光滑的过渡是必须的。TexGen软件中附有插值函数，用以描述沿纱线长度方向横截面的改变情况。利用“scale”和“rotate”函数可以更好地定义纱线的形态，尤其在创建非对称模型（比如斜纹织物）时很有帮助。（3）纱线性能在主菜单“Modeller”的下拉菜单中选择“AssignProperties”，在该性能对话框可以设置纱线的多种指标，包括纱线线密度、纤维密度、纤维直径、每根纱线的纤维数、杨氏模量和泊松比等指标。这些参数在计算纤维体积分数和在输出功能中计算纱线或复合材料的性能时将会用到。1.3输出模型创建好织物模型后，可根据下一步的需要以多种方式输出模型信息。TexGen可以输出多种类型的文件，例如：CAD格式、表面网格输出、体积网格输出和有限元格式等。有限元文件的输出形式也有两种，分别是“ABAQUSDryFiberFile”（有限元干纤维文件）和“ABAQUSVoxelFile”（有限元体素文件）。将创建好的模型以适当的形式导入到分析软件中，可以进一步分析织物模型的各项性能。2TexGen模拟织物组织结构实例2.1材料与仪器玻璃纤维平纹布，浙江省海宁市杰特玻纤布业；玻璃纤维缎纹布，江苏恒州特种玻璃纤维材料有限公司；YG141型厚度仪，常州第二纺织机械厂；电子天平，光学显微镜PanasonicSuperDynamicⅡ，50mL比重瓶，钢板尺，等。2.2实测织物组织结构参数按照相关标准测试玻璃纤维织物的纤维参数、纱线结构和织物组织参数，具体数值见表1。2.3利用TexGen模拟织物的组织结构将表1中的纤维、纱线和织物组织参数输入到TexGen二维编织向导中，分别对玻璃纤维平纹织物和缎纹织物的结构形态进行仿真，织物照片和仿真结果分别见图6和图7。（a）平纹织物显微镜照片（b）平纹织物仿真图（a）缎纹织物显微镜照片（b）缎纹织物仿真图图5纱线截面形状设定图6玻璃纤维平纹织物的显微镜照片和仿真织物图图7玻璃纤维缎纹织物的显微镜照片和仿真织物图由图6和图7可见，玻璃纤维平纹和缎纹织物的显微镜照片是直接对织物的表面进行拍照，虽然可以直观地看到织物纱线的表观形态和织物的交织规律，但是不能立体反映织物的结构特性和柔性。利用TexGen模拟的织物结构不仅与织物的真实三维结构很接近，且该模拟软件考虑到（a）（b）表1玻璃纤维织物组织结构参数织物组织平纹八枚五飞缎纹厚度(mm)0.600.86纱线线密度(g/km)276198每根纱线含纤维数24001200纤维密度(g/cm³)2.2582.215纤维直径（μm）5.079.28组织循环经纱数28组织循环纬纱数28纱线间隔经/纬(mm)1.290.440.71纱线宽度(mm)0.80.7应用技术WeavingTechnology织造技术｜73了纱线与纱线间的交织对纱线和织物形态和性能的影响，这就为进一步模拟织物的力学性能，渗透性和传热性能等提供了非常有利的工具。3TexGen的应用领域（1）织物力学TexGen用来创建织物的力学模型时，可以将几何模型以两种最常见的CAD转换文件格式IGES和STEP导出，还可以用python脚本将几何模型输出给有限元分析软件。林华等的文章中描述了TexGen模型用于商业涤/棉平纹或斜纹织物的力学模拟，首先对织物进行仿真创建织物模型并进行网格划分，再输出到Abaqus有限元分析软件包中进行力学分析。利用个别纱线的测量值作为输入数据，预测了平纹织物单元在张力、压缩、剪切和弯曲下的变形情况。通过将预测值和实验值相对比表明，模型能够精确模拟织物的力学行为，尤其是模拟织物在拉伸和剪切载荷方面的力学行为。（2）复合材料力学由TexGen创建的模型产生的体素网格可作为有有限元分析的输入数据来预测纺织复合材料的力学性能，包括弹性和疲劳损伤等。现在，均匀化体素网格方法可以来模拟织物增强复合材料在制造过程中的变形情况。复合材料在每一个体素元中是均匀分布的。TexGen能够创建代表性体积元素（RVE）的几何模型。利用有限元分析代表性体积元素（RVE）可以得到复合材料的热机械性能。在合适