（计算机应用技术专业论文）基于vtk的三维编织复合材料可视化研究.pdf

学位论文的主要创新点 1 针对矩形组合截面三维编织预制件的形成，提出了四步法二次三维编织 算法。该算法适用于口字、田字、日字、工字、士字、里字等复杂矩形组合截面 的三维编织预制件。 2 基于四步法方型1 1 三维编织工艺，针对变截面三维编织预制件，提出 了四步法三维变截面方型编织算法。该算法可以产生横截面为矩形的多种变截面 三维编织预制件。同时该算法可以结合四步法二次三维编织算法，并产生横截面 为矩形组合形状的多种变截面三维编织预制件。 3 搭建了功能比较完善的三维编织可视化系统平台。利用此平台，可以生 成直观的三维编织预制件可视化模型，并可对该模型进行多种交互式操作( 任意 平移、旋转、缩放和切割，获取模型中指定点位置信息，测量模型上指定两点之 间距离等) 。 4 开发了三维编织复合材料预制件的计算机辅助设计分析和可视化系统， 该系统比较全面地支持大多数的三维编织工艺，并提供用户自定义设计方式和多 种分析方式。 j _ j 摘要 本文在三维编织技术的基础上，结合p y t h o n 、t l d n t e r 和v r k 等技术，开发 了三维编织计算机辅助设计分析和可视化系统，并提出矩形组合截面四步法二次 三维编织算法和四步法变截面方型编织算法。 该系统可支持四步法方型、四步法圆型、二步法方型、二步法圆型和八步法 方型截面的三维编织工艺，同时还支持四步法和二步法矩形组合截面的三维编 织、四步法三维变截面编织工艺等。在上述编织工艺中，系统均提供了参数化编 织的功能。在四步法和二步法方形编织中，该系统还提供了对三维编织预制件的 横截面进行图形化界面设计的支持，便于用户对矩形组合截面进行设计和研究。 该系统根据三维编织对应的编织算法，利用计算机程序产生编织预制件的数 据场文件。该数据场文件提供保存三维编织预制件空间模型的功能，为三维编织 运动轨迹分析和空间模型可视化的重现等功能奠定了基础。同时，该系统还支持 如下功能： 1 该系统提供了运动过程模拟和运动规律分析功能。系统通过读取预制件 数据场文件，可以对纱线间隔指定步数的运动过程进行计算机模拟，并分析纱线 的运动轨迹和运动路径。 2 该系统根据三维编织预制件数据场文件，可产生用于控制自动编织机操 作的数据文件。 3 该系统提供对三维编织预制件的编织纱空间控制点进行多种样条插值处 理的功能。该功能使可视化模型更接近编织纱线经过打紧和挤压后的状态。 4 在对编织预制件模型提出基本假设后，该系统可展现三维编织的可视化 模型。用户可对该模型进行交互式操作( 任意平移、旋转、缩放和切割等) ，尤 其对模型的x 、y 、z 轴向可进行精密的双向切割。同时提供了获取模型中指定 点位置信息的功能，并具有测量模型上指定两点距离的功能。 5 该系统还提供了单胞分析功能。系统依据数据场文件，通过单元体分类 分析，以不同的颜色对可视化模型中的不同纱线进行着色，并产生供用户进行交 互式操作的、直观的可视化模型，极大地方便了用户对三维编织细观结构的分析。 本文针对矩形组合截面三维编织提出了四步法二次三维编织算法。该算法适 用于口字、田字、日字、工字、士字、里字等复杂矩形组合截面的三维织物。 本文还针对变截面三维编织提出了四步法三维变截面方型编织算法。该算法 可以产生横截面为矩形的多种变截面三维编织预制件。 关键词：v t k ；三维编织；复合材料；可视化 一 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n da n a l y s i so f3 d b r a i d i n ga n dv i s u a l i z a t i o ns y s t e m sa r ed i s c u s s e db a s e do nt h ec o m b i n a t i o no f3 d b r a i dt e c h n o l o g y , p y t h o n ，t l ( i n t e r , a n dv t k t e c h n i q u e s a tt h es a m et i m e ，t h et w i c e f o u r - s t e p3 dc o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e s s i o nb r a i d i n ga l g o r i t h ma n dt h ef o u r - s t e p 3 dv a r i a b l ec r o s s s e c t i o ns q u a r eb r a i d i n ga l g o r i t h ma r ep r o p o s e d t h es y s t e mc a ns u p p o r t3 db r a i d i n gp r o c e s sw l t hs q u a r ec r o s s - s e c t i o no f f o u r - s t e p ，r o u n dc r o s s s e c t i o no ff o u r - s t e p ，s q u a r ec r o s s s e c t i o no ft w o s t e p ，r o u n d c r o s s s e c t i o no ft w o s t e pa n ds q u a r ec r o s s s e c t i o no fe i g h t - s t e p ，a n da l s os u p p o r t s3 d b r a i d i n gp r o c e s s 、析t l lf o u r - s t e pc o m p l e xr e c t a n g u l a rs e c t i o n t w o - s t e pc o m p l e x r e c t a n g u l a rs e c t i o n ，f o u r - s t e pv a r i a b l ec r o s s s e c t i o n ，a n ds oo n i nt h ea b o v eb r a i d i n g p r o c e s s ，t h es y s t e mp r o v i d e st h ep a r a m e t e r so fb r a i d i n gf u n c t i o n i nt h ef o u r - s t e pa n d t w o s t e ps q u a r eb r a i d ，t h i ss y s t e ma l s op r o v i d e s3 db r a i d e dp r e f o r i nc r o s s s e c t i o n a l d e s i g nw i m 口a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，s ot h a t u s e r sa r ee a s i e rt od e s i g no rs t u d y c o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o nb r a i dt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n g3 db r a i d i n gm e t h o d ，u s i n gac o m p u t e rp r o g r a m ， t h es y s t e mg e n e r a t e st h ed a t af i e l df i l eo fb r a i d e dp r e f o m n l ed a t af i e l df i l ep r o v i d e s t h ef u n c t i o nt os a v et h es p a c em o d e lo f3 db r a i d e dp e r f o r m w h i c hi st h ef o u n d a t i o n o f3 db r a i dt r a j e c t o r ya n a l y t i c a lt e c h n i q u ea n dt h er e p r o d u c t i o nt e c h n i q u eo fs p a c e m o d e lv i s u a l i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e ma l s os u p p o r t st h ef o l l o w i n g f u n c t i o n s ： 1 、t h es y s t e mp r o v i d e st h es i m u l a t i o no ft h em o v e m e n ta n dt h ea n a l y s i so f m o t i o nr u l e t h r o u g hr e a d i n gt h ef i l eo fd a t af i e l d ，t h es y s t e mc a nc a r r yo u tt h e c o m p u t e rs i m u l a t i o no fy a r nm o v e m e n tw i t ht h es p e c i f i e di n t e r v a ls t e pn u m b e ra n db e a b l et oa n a l y z et h ey a mt r a j e c t o r i e sa n dt h em o t i o np a t h 2 ) a c c o r d i n gt o3 db r a i d e dp r e f c l r n ld a t af i e l df i l e ，t h es y s t e mc a l lg e n e r a t ed a t a f i e l df i l eu s e dt oi n d i c a t et h eo p e r a t i o no fa u t o m a t i cb r a i d i n gm a c h i n e 3 、n l es y s t e mp r o v i d e sav a r i e t yo fs p l i n ei n t e r p o l a t i o nf u n c t i o nt od e a lw i t ht h e y a r n s s p a c ec o n t r o lp o i n t s o f3 db r a i d e dp r e f o 皿t l l i sf u n c t i o nm a k e st h e v i s u a l i z a t i o nm o d e lc l o s e rt ot h er e a ls t a t u s 4 1a f t e rt h eb a s i ca s s u m p t i o n so ft h eb r a i d e dp r e f o r mm o d e la r em a d e ，t h es y s t e m c a nd i s p l a y3 db r a i d i n gv i s u a l i z a t i o nm o d e l u s e r sc a ni n t e r a c tw i t ht h ev i s u a l i z a t i o n m o d e l ( a r b i t r a r yt r a n s l a t i o n ，r o t a t i o n ，s c a l i n ga n dc u t t i n g ，e t c ) ，e s p e c i a l l yu s e rc a n t w o w a yc u tt h em o d e li nt h ed i r e c t i o no fx yo rz a x i s a tt h es a m et i m ei tp r o v i d e s t h ef u n c t i o nt og e tt h el o c a t i o ni n f o r m a t i o no fd e s i g n a t e dp o i n ti nt h em o d e l ，a n d a c h i e v em e a s u r e m e n to ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt w os p e c i f i e dp o i n t si nt h em o d e l 5 、t h es y s t e ma l s op r o v i d e st h eu n i t c e l la n a l y s i sf u n c t i o n b a s e do nd a t af i e l d f i l e ，t h r o u g ht h ec e l lb o d yc l a s s i f i c a t i o na n a l y s i s ，s y s t e mr e n d e r st h ed i f f e r e n ty a m u s e dad i f f e r e n tc o l o ro nt h ev i s u a l i z a t i o nm o d e la n d p r o d u c et h e i n t u i t i v e v i s u a l i z a t i o nm o d e lt oa l l o wt h eu s e rt oi n t e r a c t w h i c hg r e a t l yf a c i l i t a t et h eu s e rt o a n a l y z et h e3 db r a i d i n gp r e f c i r i l lm i c r o s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , t h et w i c ef o u r - s t e p3 db r a i d i n gt e c h n i q u ei sp u tf o r w a r df o r c o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e s s i o n3 db r a i d t h et e c h n i q u ea p p l i e st oav a r i e t yo f c o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n3 db r a i dc o m p o s i t em a t e r i a l t h ef o u r - s t e p3 d v a i l a b l ec r o s s s e c t i o ns q u a r eb r a i d i n gt e c h n i q u ea l s oi sp r o p o s e df o rt h ev a r i a b l e c r o s s s e c t i o ns q u a r e3 db r a i d t h et e c h n i q u ec a ng e n e r a t e3 db r a i d e dp e r f o r mw i t l l v a i l a b l er e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n k e yw o r d s ：v t k ；3 db r a i d i n g ；c o m p o s i t em a t e r i a l ；v i s u a l i z a t i o n 目录 第一章综述l 1 1 三维编织复合材料研究背景和意义l 1 2三维编织复合材料的研究内容3 1 3论文的创新点5 1 4 论文的组织与结构5 第二章二维编织原理及纱线运动过程一7 2 1四步法方型编织原理及纱线运动过程8 2 2 四步法圆型编钐l 原理及纱线运动过程10 2 3 二步法方型编钐 原理及纱线运动过程ll 2 4 二步法圆型编织原理及纱线运动过程1 2 2 5 八步法方型编纵原理及纱线运动过程l3 第二章三维编织的图形化设计技术l5 3 1 p y t h o n 和t k i n t e r 简介l 5 3 1 1 p y t h o n 简介1 5 3 1 2t k i n t e r 简介15 3 2 携纱器底盘没计1 6 3 2 1底盘g u i 设计机制16 3 2 2 矩形组合截而四步法二次= 维编织边纱安置规| i ! l j 及编织算法1 7 3 2 3矩形组合截而二步法三维编织边纱安置规则及编织算法2 4 第四章可视化技术在二维编织仿真中的应用2 9 4 1 v t k 可视化技术【3 2 04 l 2 9 4 1 1v t k 的数据格式3 0 4 1 2v t k 图形蚓像模型31 4 1 3v t k 可视化模型3 3 4 1 4v ，r k 三维数据可视化流程3 4 4 1 5 基于v t k 的可视化系统一3 5 4 1 6 可视化系统中的v t k 文什格式一3 9 4 2 样条曲线4 0 4 2 1 三次c a r d i n a l 样条曲线4 1 4 2 2b e t a 样条曲线4 2 4 3 编织纱线模型的基本假设4 3 4 4 矩形组合截面四步法一：次维编织的可视化4 4 4 5 四步法三维变截面方型编织锋法及预f | ； j f l ：模型可视化4 5 4 5 1四步法二维变截面方型编织原理和算法4 5 4 5 2 四步法二维变截面方犁编织模型可视化4 7 4 6 矩形组合截而二二步法j 维编织的可视化技术4 8 第五章三维编织技术的计算机辅助分析5 l 5 1三维编织纱线运动过科分析5l 5 1 1 单矩形截面四步法方型二维编织的纱线运动分析5 2 5 1 2 单矩形截面二步法方型三维编织的纱线运动分析5 3 5 2 单元体结构分析5 5 第人章总结和展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 展望5 8 参考文献5 9 发表论文和参加科研情况说明6 3 致谢6 5 第一章综述 第一章综述 1 1 三维编织复合材料研究背景和意义 复合材料是由不少于两种材料按一定的方式结合而成的一种新材料，新材料 具有组成成分中任何单一材料所不具备的特性。如果复合材料的组成中含有织物 成分，则称之为纺织复合材料【l 】。当今社会，复合材料应用于绝大多数产品的加 工和制造领域中，而纺织复合材料在复合材料中具有不可替代的地位。目前使用 最广泛的纺织复合材料是利用平面织物( 编织物、机织物、针织物、非织造布) 与树脂结合制成的层合板材复合材料，但它容易造成层间剥离或开裂。近年来， 纺织复合材料技术的一个新的发展方向是利用整体织物骨架制作复合材料。由于 织物骨架中纤维连续和多向连接，使构件的整体性和可靠性大大提高，层间剥离 与开裂现象不复存在。 在整体织物骨架制作技术中，编织技术是其中的重要技术之一。从织物厚度 的角度上划分，编织技术分为二维编织和三维编织。一般来说，二维编织指编织 物厚度不超过参加编织纱线或纤维束直径的三倍；而三维编织指编织物厚度大于 参加编织纱线或纤维束直径的三倍，且在厚度方向纱线或纤维束要相互交织。本 文针对三维编织技术进行研究。三维编织技术是从二维编织技术发展起来的，但 在机器的构造、编织原理和编织物结构等方面存在很大差异。它具有异型件一次 编织成型、结构不分层、整体性好和结构设计灵活等优点。用编织技术织造的三 维异型整体编织复合材料克服了二维结构复合材料易分层等固有的缺点，具有不 分层、质轻、比强度高、比模量高、抗冲击、耐烧蚀、强度高等优点，是先进多 功能复合材料制件和主承力复合材料制件所必需的材料。现在它已经广泛应用于 航空航天、交通、建筑、电子、能源、化工、生物医学和体育运动等领域。随着 三维编织技术的发展和完善，三维编织复合材料应用将不断地扩展和深入。 编织技术的历史悠久，如草帽辫的编织过程是典型的二维编织。早在1 8 世 纪德国和法国就制造出二维编织机。从上世纪6 0 年代后期开始，新的三维编织 技术不断出现。在1 9 8 2 年，f l o r e n t i n e 发明了一种令人瞩目的编织机。其携纱器 在水平方向上按行和列排成方阵，每一个行和列都由单独的小块组成，织物的编 织由电磁脉冲控制的排和列的交替运动实现，故被称为“m a g n a w e a v e ”编织机。 它的发明奠定了三维编织技术的基础。复合材料三维整体编织技术起步于1 9 8 3 年，从应用领域而言，它主要应用于航空航天和国防领域，如美国航空航天局投 天津工业大学硕士学位论文 资一亿多美元专门开发此技术。经过近二十年的发展，己经初具规模，许多产品 陆续拓展到更多的领域并推向市场。同时，研究人员也取得了丰富的研究成果。 1 9 8 2 年，f k k o 2 提出了“纤维构造”的术语，首次定义了四步法l 1 编织的方 型截面预制件的单胞概念。1 9 8 7 年，由p o p e r 和m c c o l l l l e l 【3 l 提出了二步法三维编 织工艺。1 9 9 0 年，“4 】根据相同的四步法1 l 编织过程对方型预制件进行实验研 究。l i 认为预制件内是由分布在两组相互垂直交织的平行平面内的四组纱线网结 而成。1 9 9 2 年，k o s t a r 禾l l c h o u 5 】用计算机模拟四步法1 l 编织过程，其结果显示， 在一个机器循环内所形成的编织几何结构是整个结构的重复单元。重复几何结构 通过定义单胞可以进一步简化。三种基本单胞( 内部单胞、表面单胞和角单胞) 相互连接在一起形成整个重复单元几何。三种基本单胞的几何形状均为长方体， 高度为一个编织花节长。同年l e i 等【6 】根据有限元理论，提出了有限单胞模型。1 9 9 4 年，w a n g t j 提出了一种三维编织预制件的纱线拓扑结构的分析方法控制体积 法，同时定义了内部、表面和角单胞模型。内部单胞结构与“的一致，表面和角 单胞模型均为三棱柱体。同年，y a s s e r 和c h r i s t o p e r t 8 1 建立了一个过程科学模型， 并开发了一种算法以产生操作指令。1 9 9 6 年，韩其睿等【9 】提出了一种单胞模型， 其单胞体为一个立方体，编织纱线沿四个不同的方向延伸，编织纱线的横截面假 设为圆形，在相互挤压下可变为椭圆，并推导了有关参数之间的数学关系。1 9 9 8 年，陈利 1o j 提出了有限多相单元法。2 0 0 0 年，陈作荣等1 提出了三维实体单元 胞体几何模型。该模型体现了纤维束的连续性，使得各单胞之间合理组装，保证 了复合材料整体结构的完整性。同年，陈利等【1 2 】研究了四步法i x i 编织预制件的 细观结构，建立了编织工艺参数之间的关系，并分析了纱线在编织过程中的空间 运动规律。2 0 0 1 年，李嘉禄、刘谦【l3 】首次采用计算机图像分析技术，重点对三维 编织复合材料微观结构中纤维束的横截面形状进行了全面的研究，并认为在复合 材料的内部、边部和角部纤维束的横截面形状是不同的。还初步探讨了纤维束横 截面面积的变化与花节长度的关系。2 0 0 2 年，陈利等【1 4 】采用最小二乘法拟合携纱 器的运动趋势线，系统地分析了编织过程中纱线的空间运动规律。在此基础上， 获得的预制件结构单胞模型包含内部单胞和表面单胞。2 0 0 5 年，李毓陵等【1 5 】利用 置换理论研究了三维矩形编织规律。2 0 0 7 年，焦亚男等【1 6 】从单元体角度分析了变 截面三维编织预制件织造过程中增加或减少纱线的机制。同年，陈利等【1 7 】采用c c d 显微摄像仪，分析三维五向编织复合内纱线的排列规律及其截面形状的变化。2 0 世纪末，研究人员主要针对三维四向编织技术进行研究【1 8 。19 1 。近几年来，人们更 加关注三维多向编织技术的发展，并取得了丰富的研究成果【2 0 2 4 1 。 在三维编织过程中，由于编织过程繁琐、编织成型时间较长和编织成本高， 造成了三维编织的研究和生产实践效率低、次品率高和代价大。同时，由于诸多 第一章综述 公式复杂，计算量大，所以工艺设计往往是凭经验，凭感觉，存在着误差不可预 测和难以控制的问题。而手工进行三维编织，当截面复杂时，不仅纱线排列容易 出错，而且编织过程中编织纱的运动顺序和位置也容易发生混乱和遗漏，效率也 低。这些缺点使得三维编织技术的研究和分析异常困难，研发效率低。 近十几年来，由于计算机技术的发展，特别是计算机可视化技术已趋于成熟， 利用计算机对三维编织技术进行辅助设计和模拟分析，并利用可视化技术仿真三 维编织复合材料已逐渐成为被大多数人默认的一个好的研究方法。在三维编织计 算机辅助设计的研究中，已经取得了很大的进展。r p a n d e y 和h t h z h n 2 5 开发 了一个描述四步法编织织物的c a d 模型，用来描述代表体积单元( r v e s ) 。1 9 9 6 年，韩其睿用t u r b oc 语言开发了一套四步法三维编织c a d 系统。此系统可以完 成预制件的单元体结构显示、内部纤维走向显示、编织机的运动显示、规则截面 的运动模拟显示、任意截面的设计等功能。该系统包括的内容比较全面，基本能 够满足四步法三维编织的要求，对三维编织辅助设计起到了很大的推动作用。但 由于是在d o s 环境下编程，不可避免地存在界面不够友好，系统不稳定，速度缓 慢等问题。1 9 9 8 年，吴辉辉等在s u n z 作站s o l a r i s 系统上利用f o r t r a n 语言完成了 “基于e u c l i d 3 软件的三维编织二次开发3 d b s t c c a d 系统”。此系统主要是 进行三维编织预制件工艺设计和编织过程的模拟。1 9 9 9 年，贾肠等在s u n 工作站 上借助于x g l 函数库，实现t - 步法三维织物微观结构的计算机三维图形显示。 他利用三维图形显示了二步法三维织物内部、边上、角上轴纱和编织纱的形状、 走向和相互交织缠绕的情况。2 0 0 3 年，鄢素敏等担剐研究了任意矩形组合截面二步 法三维编织的纱线布置规律，并在此基础上利用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 开发了一 套二步法三维编织的计算机辅助设计系统。2 0 0 8 年，王毅强等心们研究了单矩形截 面四步法三维编织体复合材料空间几何结构的计算机模拟，构建并展示了其空间 结构模型。然而在之前的研究中，研究人员主要集中于三维编织中某一种编织方 案的计算机辅助设计或纱线运动模拟等，尚未建立集多种编织技术于一体的计算 机辅助设计与分析系统。 1 。2 三维编织复合材料的研究内容 f 1 2 0 世纪6 0 年代，许多关于三维编织的方案相继被提出，到目前为止，主要 有两种三维编织工艺和技术：二步法三维编织和四步法三维编织。从三维编织预 制件截面形状上看，主要有方型编织和圆型编织。 本文在综合分析现有研究成果的基础上，结合当前的编程技术和三维可视化 技术等，实现了三维编织过程的计算机辅助设计分析和编织预制件的计算机可视 天津下业大学硕十学位论文 化，搭建了三维整体编织计算机可视化系统。综合来说，本文的研究包括以下几 个方面的内容： 1 简单的三维编织预制件数据场的搭建和可视化实现 使系统能够实现根据用户的需求，通过输入预制件主体纱线的行数和列数、 编织花节长度、编织步进数等参数，分别产生二步法方型、四步法方型、二步法 圆型和四步法圆型等三维编织预制件的数据场文件，并根据数据场文件生成可进 行任意交互式操作和分析的可视化模型。 2 底盘可设计的矩型组合截面三维编织的可视化实现 研究适用于矩形组合截面的二步法和四步法对应的三维编织算法。使系统能 够实现由用户通过g u i 界面设计预制件横截面的形状，并根据二步法或四步法 相应的矩形组合截面底盘排纱规则和编织算法，自动排列底盘的编织纱或边纱， 最终生成三维编织预制件的数据场文件和可进行交互操作的三维可视化模型。 3 三维变截面编织的可视化实现 通过研究四步法方型三维编织过程，利用在每步之后设置增减纱条件和相应 操作，产生具有变截面的多数几何体，如梯形台、四棱台等台体，以及四棱椎、 四棱柱及其多种组合体，并生成可进行多种交互式操作的三维编织预制件和三维 编织复合材料的可视化模型，同时使该系统支持对变截面三维编织运动过程的分 析和模拟。 4 三维编织预制件模型的任意切割和模型中任意两点距离的测量 实现对三维编织预制件的可视化模型进行任意切割，产生切割后的预制件剖 面和剩余的三维编织物的可视化模型；用户在交互式可视化模型中任意选定两 点，系统都可测量两点间距离，并在模型中绘制两点间的直线，方便了用户度量 模型的尺寸。 5 三维编织预制件运动过程和运动规律的分析和研究 利用图形化界面，使系统能够根据上述三维编织工艺产生的预制件数据场， 模拟编织纱的运动过程；并且可产生单根或多根纱线在间隔指定步数下的运动轨 迹图。依据上述系统功能，分析各种三维编织技术中编织纱的运动规律。 6 三维编织预制件单胞结构可视化分析及细观结构的研究 根据预制件数据场，自动分析三维编织预制件的单胞结构，并根据分析的结 果，产生不同颜色标记的三维编织单元体可视化模型，以便进一步深入探讨其细 观结构。 7 对三维编织预制件空间控制点做指定的样条插值 对于给定的三维编织预制件的数据场，能够产生更接近实际的、光滑可导的 曲线模型，增强预制件可视化模型的效果。 第一章综述 8 生成可控制自动编织机的文件 通过三维编织系统生成可以用于控制三维编织机的指令文件，实现三维编织 机的自动控制。 1 3论文的创新点 1 针对矩形组合截面三维编织预制件的形成，提出了四步法二次三维编织 算法。该算法适用于口字、罔字、同字、工字、士字、里字等复杂矩形组合截面 的三维编织预制件。 2 基于四步法方型1 1 三维编织工艺，针对变截面三维编织预制件，提出 了四步法三维变截面方型编织算法。该算法可以产生横截面为矩形的多种变截面 三维编织预制件。同时该算法可以结合四步法二次三维编织算法，并产生横截面 为矩形组合形状的多种变截面三维编织预制件。 3 搭建了功能比较完善的三维编织可视化系统平台。利用此平台，可以生 成直观的三维编织预制件可视化模型，并可对该模型进行多种交互式操作( 任意 平移、旋转、缩放和切割，获取模型中指定点位置信息，测量模型上指定两点之 间距离等) 。 4 开发了三维编织复合材料预制件的计算机辅助设计分析和可视化系统， 该系统比较全面地支持大多数的三维编织工艺，并提供用户自定义设计方式和多 种分析方式。 1 4论文的组织与结构 第1 章以全局的角度阐述了三维编织复合材料的研究背景、研究意义、研究 内容和本文的创新点。 第2 章从编织工艺的角度上阐述了目前主要的几类三维编织原理及纱线运 动过程，包括有四步法方型、四步法圆型、二步法方型、二步法圆型和八步法方 型等三维编织工艺。 第3 章从图形化设计的角度阐述了三维编织图形化的携纱器底盘设计技术， 同时论述了矩形组合截面三维编织的解决方案；从底盘纱线排列规则、编织规则、 编织算法和运动规律分析方面详细地阐述了矩形组合截面四步法二次三维编织 和矩形组合截面二步法三维编织。 第4 章详细地阐述了可视化技术在三维编织可视化系统中的应用，同时详述 了四步法三维变截面方型编织原理和算法。 天津：j ：业人学硕十学位论文 第5 章介绍了三维编织可视化系统中计算机辅助分析的功能模块，它包含纱 线运动过程分析功能和单元体结构分析功能。 第6 章是对本文的总结与展望，全面地叙述了三维编织可视化系统的模块与 功能，同时介绍了系统中尚需完善的内容。 一 一 第二章三维编织原理及纱线运动过程 第二章三维编织原理及纱线运动过程 一般来说，编织纱在机器底盘上排列的方式决定了预制件横截面的形状。目 前，就编织方法而言，主要有二步法和四步法三维编织【2 妣9 1 ，此外还有其他多步 法，例如k o s t a r 介绍的“8 步法”编织等。 从编织骨架的形状上区分，三维编织机主要有方型编织机和圆型编织机两种 形式。方型编织机可以编织矩形组合截面的预制件。圆型编织机可以编织圆形截 面的预制件。从编织纱线引入方向上划分，三维编织机有立式编织机和卧式编织 机两种类型。立式编织机中编织纱线沿竖直方向配置，而卧式编织机的编织纱线 沿水平方向配置。这几种形式三维编织机的组成部分大体相同。以图2 1 和图2 2 的立式编织机为例，可以分别说明四步法和二步法三维编织机的主要组成。机器 携纱 图2 1 四步法三维编织机示意图 图2 2 二步法三维编织机示意图 升机构 天津：l 业人学硕+ 学位论文 底盘上可以安置编织纱纱锭，也可以安置轴纱纱锭。底盘上设有驱动机构，其作 用是驱动相应机构按一定规律在机器底盘上运动。纱线系统可以包含编织纱，也 可以包含轴纱。这些纱线从底盘的纱锭上引出，连接在提升机构上。交织的纱线 在成型板( 即x y 平面) 处形成骨架。它用来控制骨架的结构。在纱线编织过 程中，提升机构把经过编织成型的骨架移走。 2 1 四步法方型编织原理及纱线运动过程 一般而言，三维编织预制件的编织纱在机器底盘上排列的方式决定了骨架横 截面的形状。当编织横截面为单矩形时( 如图2 - 3 所示) ，主体编织纱按行和列排 列成矩形。边纱的排列必须保证各行( 列) 上的纱线根数相同，且其安置方法可 表2 - 1 边纱排列位置 以由主体纱行( 列) 数的奇偶性决定。例如主体纱线行列是奇数时，边纱安置 在主体纱的左方上方；与此相反，如果为偶数，则边纱安置在主体纱的右方 下方。以主体纱线左上角纱线为基准，在初始状态下，其上面和左面均有可能安 蔫始abc of 6 h 燃 ( a ) 初始状态( b ) 第一步( c ) 第二步 - 釉ae c defg 羹饽ab e oef6h ( d ) 第三步( e ) 第四步 图2 33x4 单矩形截面携纱器运动情况 8 第二章三维编织原理及纱线运动过程 置或不安置边纱。因而有4 种可能的情况，本文中称之为方位势。方位势决定整 个边纱的安置情况，所有可能的方位势如表2 - 1 所示。 下文涉及基于四步法方型编织工艺的例子都以左上方位势( 即左上角的主体 纱线左面和上面都安置边纱) 为例。由于纱线的运动，每根编织纱在某一时刻可 能是主体纱，而在另一时刻则可能是边纱。所有编织纱均由携纱器携带。 四步法方型编织原理就是通过交替进行相邻行列交错移动来实现编织。以 图2 - 3 ( a ) 的3 x 4 单矩形为例，一个机器循环过程分为四步。第一步，如图2 3 ( b ) 所示，相邻行携纱器交错移动一个位置；第二步，如图2 - 3 ( c ) 所示，相邻列携 纱器交错移动一个位置；第三步和第四步携纱器的移动方向分别与第一步和第二 步相反，如图2 3 ( d ) 和图2 - 3 ( e ) 所示。一个循环结束后，编织纱在机器底盘的 排列方式与初始状态一致，如图2 3 ( e ) 所示。 图2 3 针对四步法lx1 编织模式叙述三维四步法方型编织原理。然而就四 步法三维编织的编织模式而言，可以利用行列纱线的位移数说明。如图2 - 4 展 示了四步法3 2 编织模式下6 4 方型截面的三维编织过程。在基于四步法的三 维编织工艺中，如果本文没有明确指明m x n 编织模式，则默认编织模式是l 1 模式。 ( a ) 初始状态 掐3 步ab cd efghj k ( b ) 第一步( c ) 第二步 l量协abcd efghj kl ( d ) 第三步( e ) 第p q 步 图2 4 四步法3 x 2 编织模式下6 x 4 单矩形截面携纱器运动情况 9 天津： 业人学硕十学位论文 2 2四步法圆型编织原理及纱线运动过程 四步法圆型编织骨架的横截面为圆环，所有纱线均沿圆周和直径方向排列。 其机器底盘的主体纱线部分按照经纬线形式排列；同一经线上的主体纱线在同一 个圆周上，且各经线上主体纱线的数量一致；同一纬线上的主体纱线在同一直线 ( a ) 初始状态( b ) 第一步 ( c ) 第二步( d ) 第三步 ( e ) 第四步 图2 - 54 1 8 四步法圆型编织携纱器运动情况 第二章二维编织原理及纱线运动过程 上，且各纬线上的主体纱线数量一致。经线和纬线上的纱线均匀排列。本文称经 线为层，称纬线为列。这样每层主体纱线的数量为圆型编织的列数，每列主体纱 线的数量为层数。在主体纱阵列所形成圆环的内外，沿列向间隔安置纱线，此部 分纱线称为边纱。边纱的排列规则是所有纱线阵列上的纱线数量一致，且边纱在 纱线阵列的最内层和最外层间隔排列。所以，必须保证纱线列数为偶数。由于纱 线的运动，每根编织纱在某一时刻可能是主体纱，而在另一时刻则可能是边纱。 四步法圆型编织原理就是通过交替进行相邻层y d 交错移动来实现编织。以 图2 - 5 ( a ) 的4 x 1 8 的圆型编织预成型件为例，一个机器循环过程分为四步。第一 步，如图2 - 5 ( b ) 所示，相邻列携纱器交错移动一个位置；第二步，如图2 5 ( c ) 所 示，相邻层携纱器交错移动一个位置；第三步和第四步携纱器的移动方向分别与 第一步和第二步相反，如图2 - 5 ( d ) 和图2 5 ( e ) 所示。一个循环结束后，编织纱在 机器底盘的排列方式与初始状态一致，如图2 5 ( e ) 所示。 2 3 二步法方型编织原理及纱线运动过程 1 9 8 7 年，由p o p e r 和m c c o r u l e l 【3 】最早提出了二步法三维编织工艺，并且认为 二步法是三维编织中运动部件最少的一种编织方式，比较容易实现自动化。迄今 为止，二步法方型三维编织是二步法中更引人注目的编制方法。 二步法方型编织1 是由编织纱线绕轴纱移动形成的。为了保证编织纱周期循 环移动，轴纱需要按照一定的规则排列。在二步法方型编织中，轴纱的排列规则 如下： 相邻的行列上的轴纱交错排列；轴纱之间的间隔为一个纱线位置；轴纱阵 列中的最外层轴纱行列具有的纱线数量不少于其他轴纱行列中的纱线数。为便 于叙述，下文称以左上角轴纱基点、沿斜下角4 5 度方向的线为二步法方型编织轴 线。编织纱排列在轴纱阵列的外围，间隔排列在编织轴线的左右，且紧邻轴纱。 筹睁abc def 6h j k lm 舅1 步abc defghjklm 奢踏ab cdef ghijklh ( a ) 初始状态( b ) 第一步( c ) 第二步 图2 - 66 6 二步法单矩形截面携纱器运动情况 下面以6 x