用于在纱线级模拟编织织物的行为的计算机实现的方法、系统和计算机程序产品技术方案

用于在纱线级模拟编织织物的行为的计算机实现的方法、系统和计算机程序产品。该方法包括：取得经纱纱线(1)、纬纱纱线(2)和纱线交叉节点(3)的布局；通过3D位置坐标(x)和两个滑动坐标来描述每个纱线交叉节点(3)，其中经纱滑动坐标(u)和纬纱滑动坐标(v)表示经纱纱线(1)和纬纱纱线(2)的滑动；基于力模型测量每个纱线交叉节点(3)处的力，在3D位置坐标(x)和滑动坐标(u，v)处测量所述力；利用使用拉格朗日‑欧拉方程导出的运动方程来计算每个纱线交叉节点(3)的运动，以及进行随时间的数值积分，其中，运动方程考虑沿纱线均匀分布的质量密度以及测量的力和边界条件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在纱线级模拟编织织物的行为的计算机实现的方法、系统和计算机程序产品
本专利技术涉及在纱线级模拟编织布料的行为的领域。
技术介绍
编织布料是由交织的纱线形成的，通常两组正交的纱线被称为经纱和纬纱。交织的纱线在纱线间接触处会经受到摩擦力，并且与针织织物相比，这种摩擦将编织织物保持在一起，而针织织物则通过缝合纱线被保持在一起。编织布料是十分普遍的，并且其展示出各种各样的编织图案和纱线材料，既刚性又有弹性。普通的编织织物包括雪纺、灯芯绒、牛仔布、法兰绒、华达呢、羊绒或天鹅绒。编织布料的大尺度力学特性是由纱线的精细尺度的行为、它们的力学特性、布置和接触相互作用决定的。然而，流行的布料模型无法对纱线级力学特性进行建模，而Kaldor等人的工作[2008；2010]是显著的例外。如在质量弹簧系统的情况下[Breen等人1994；Provot1995]，他们使用离散元件，或如在有限元模型的情况下[Etzmuss等人，2003]，他们使用连续体公式的离散化。这种离散化的模型通常足以捕获编织布料的相关行为，特别是在适度的力下悬垂的编织布料。但纱线级的模型为计算机动画引入了令人兴奋的可能性。视觉上感兴趣的效应(如详细的撕裂、抽丝或宽松的纱线端头)需要对单根纱线进行建模。此外，基于纱线的模型可以构成基石用于开发大尺度布料模拟的准确解决方案，揭示实际织物中测量的非线性和复杂的相互作用[Wang等人，2011；Miguel等人，2012；Miguel等人，2013]。计算成本一直是解决在纱线级布料模拟的关键挑战。捕获单根纱线的力学特性需要使用杆模型[Pai2002；Spillmann和Teschner2009；Bergou等人，2008；Casati和Bertails-Descoubes，2013]，并且编织图案产生了许多接触，其是纱线的数量的二次方。甚至对低纱线密度的织物进行建模也很快就会导致自由度(DoF)和接触的数量的激增，并且常见的织物可能含有100纱线/英寸的数量级。计算机图形学中的大多数布料模拟模型将布料视为薄壳，并制定了弹性变形模型来捕获其力学特性[Terzopoulos等人，1987]。然后，布料建模面临定义数值上是鲁棒的并与真实布料的行为相匹配的变形能量和离散度的挑战。计算机图形学中布料建模中的一些关键的里程碑包括：质量弹簧模型，其近似真实编织织物的行为[Breen等人，1994]、添加对模型不可伸展性的应力限制[Provot1995]、有效处理自身碰撞[Volino等人，1995]、根据具有高效时间积分的约束定义变形能量[Baraff和Witkin，1998]、用于处理屈曲的鲁棒模型[Choi和Ko，2002]、一致的弯曲模型[Bridson等人，2003；Grinspun等人2003]、高效的不可伸展性[Goldenthal等人，2007]、以及高效的动态重绘[Narain等人，2012]。在计算机动画方面最近的工作也已经致力于匹配实际布料中的非线性行为。相关的工作包括非线性参数模型的设计[Volino等人，2009]、根据力和变形示例估计材料系数[Wang等人，2011；Miguel等人，2012]、以及设计内部摩擦模型来捕获布料滞后[Miguel等人，2013]。与流行的薄壳模型相比，Kaldor等人[2008]在纱线级对针织布料的动力学特性进行建模，允许他们根据基础纱线力学特性预测全套服装的大尺度行为。他们使用不可伸展的杆模型捕获了单根纱线的力学特性，并且利用刚性惩罚力和速度-过滤器摩擦的组合捕获纱线间接触的力学特性。在2010年后期，他们通过使用惩罚力的局部旋转线性化，扩展了他们的工作以加速纱线间接触处理。然而，本专利技术针对以下情况提出了一种更高效的解决方案：编织布料避免在纱线交叉处完全地处理纱线间接触。Metaaphanon等人[2009]提出了用于编织布料的纱线级模型。他们通过设定经纱和纬纱弹簧端点之间的约束来对纱线间相互作用进行建模。此外，他们设计了从质量弹簧模型到纱线级模型的自动过渡。纱线级模型在纺织研究领域得到了深入的研究。基于纱线的分析模型[Hearle等人，1969]被用于通常基于几何纱线模型来预测织物在特定变形图案下的力学行为。假设持久的接触并考虑到卷曲分离，这些分析模型(如Peirce的参数圆截面纱线[Peirce1937]或Kawabata的更加简单的引脚连接的桁架[Kawabata等人，1973])在交叉点处对纱线进行建模。然而，对于大多数分析模型，这些方法被限于其被设计以用于的指定情况，并且针对一般负载情况开发分析框架将非常复杂[King等人，2005]，更别提整套服装了。出现了基于细观结构的连续体模型以模拟较大的织物样品[Boisse等人，1997；Parsons等人，2010]。这些模型将编织织物近似为连续体，其中每个材料点表示纱线的一段。然后使用大大简化的采用例如Kawabata的引脚连接的桁架模型的分析单元体来模拟每一段。另一系列模型试图使用体积纱线的有限元离散化来在纱线级模拟完整的织物，考虑到所有的纱线相互作用[Ng等人，1998；Page和Wang，2000；Duan等人，2006年]。然而，大量的计算要求使得其对于中等大的样本来说是棘手的。通过用诸如梁、桁架和隔膜之类的更简单的元件代替复杂的体积纱线来实现更高的计算效率[Reese2003；McGlockton等人，2003]。另一个感兴趣的方法是仅在需要时才采用昂贵的纱线级力学特性，使用耦合连续体和纱线级描述的多尺度的模型[Nadler等人，2006年]。有些混合技术依赖于基于细观结构的连续体方法，但是针对单元体使用离散模型。这些单元允许轴向顺应性，并且可以增加弯曲和交叉弹簧以模拟交叉点处的横截面变形和切变[King等人，2005；Xia和Nadler，2011]。通过引入对纱线是法向的桁架元件来实现切变干扰以模拟纱线之间的接触力[King等人，2005]。然而，由于纱线在交叉点处被钉在一起，所以这些单元体方法防止纱线滑动。Parsons和合作者[2013]通过在连续体层级引入滑移速度场来解决纱线滑动，使用单位体在细观层次下计算力。滑动摩擦力与交叉点处的法向力成比例。然而，这些方法通常不能模拟织物中的每根纱线，从而防止感兴趣的单根纱线效应，例如抽丝、磨损边缘、纱线断裂和纱线拉出。此外，纺织品研究中典型的纱线级模型假设编织纱线之间持久的接触，但是它们不能求解在自由服装运动下的纱线位置，只能进行对照实验。相比之下，本专利技术的方法允许将织物中的每根纱线模拟成杆，同时通过使接触持久并引入额外的滑动自由度而大大降低了昂贵的接触相互作用。纱线级模拟的重要方面是选择杆模型来捕获单根纱线的力学特性。Pai[2002]开发了一种有效的算法来模拟遵循Cosserat理论所建模的杆。Spillmann和Teschner[2007]改进了Cosserat模型来有效地处理接触，后来在[2009]他们对其进行了扩展以处理分支和循环结构。Bergou等人[2008]提出了用于杆模拟的方法，其将中心线动力学特性与基于平行运输的扭转的准静态进行解耦。Casati和Bertais-Descoubes[2013]最近已经发展了基于回旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在纱线级模拟编织织物的行为的计算机实现的方法，所述方法包括：取得编织织物的结构信息，所述结构信息至少包括所述编织织物的经纱纱线(1)、纬纱纱线(2)和纱线交叉节点(3)的布局；在多个时间步长处应用边界条件；其特征在于，所述方法还包括：通过3D位置坐标(x)和两个滑动坐标来描述所述编织织物的每个纱线交叉节点(3)，其中，经纱滑动坐标(u)和纬纱滑动坐标(v)分别表示所述经纱纱线(1)的滑动和所述纬纱纱线(2)的滑动；基于力模型测量每个纱线交叉节点(3)上的力，所述力是在纱线交叉节点(3)的所述3D位置坐标(x)和所述滑动坐标(u，v)上测量的；利用使用拉格朗日‑欧拉方程导出的运动方程，在多个时间步长处计算每个纱线交叉节点(3)的运动，以及进行随着时间的数值积分，其中，所述运动方程考虑了沿纱线均匀分布的质量密度，以及测量的力和边界条件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.18 ES P2014316931.一种用于在纱线级模拟编织织物的行为的计算机实现的方法，所述方法包括：取得编织织物的结构信息，所述结构信息至少包括所述编织织物的经纱纱线(1)、纬纱纱线(2)和纱线交叉节点(3)的布局；在多个时间步长处应用边界条件；其特征在于，所述方法还包括：通过3D位置坐标(x)和两个滑动坐标来描述所述编织织物的每个纱线交叉节点(3)，其中，经纱滑动坐标(u)和纬纱滑动坐标(v)分别表示所述经纱纱线(1)的滑动和所述纬纱纱线(2)的滑动；基于力模型测量每个纱线交叉节点(3)上的力，所述力是在纱线交叉节点(3)的所述3D位置坐标(x)和所述滑动坐标(u，v)上测量的；利用使用拉格朗日-欧拉方程导出的运动方程，在多个时间步长处计算每个纱线交叉节点(3)的运动，以及进行随着时间的数值积分，其中，所述运动方程考虑了沿纱线均匀分布的质量密度，以及测量的力和边界条件。2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，所述编织织物的所述结构信息还至少包括以下中的任一个：所述编织织物的2D图案，包括面板和接缝位置；针对每个面板的经纱(1)纱线、纬纱(2)纱线和纱线交叉节点(3)的所述布局；针对每个面板的所述编织织物的编织图案；所述编织织物中使用的所有不同纱线类型的纱线密度和宽度；在所述编织织物中使用的所有不同纱线类型的力学参数，所述力学参数至少包括以下中的任一个：弹性模量(Y)，弯曲模量(B)，切变接触模量(S)，滑动摩擦系数，阻尼与质量比，阻尼与弹性比。3.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现的方法，其中，所述编织织物的取得的结构信息包括所述纱线的滑动摩擦系数(μ)，并且其中，所述力模型包括通过使用所述滑动摩擦系数(μ)和所述滑动坐标(u，v)的滑动摩擦力。4.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现的方法，其中，所述编织织物的所述取得的结构信息包括所述纱线的刚度(kc)，并且其中，所述力模型包括通过使用从所述纱线的布局获得的所述纱线的所述滑动坐标(u，v...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·奇里奥，M·A·奥塔杜伊特里斯坦，D·米劳特安德烈斯，J·洛佩斯莫雷诺，
申请(专利权)人：胡安卡洛斯国王大学，
类型：发明
国别省市：西班牙,ES