【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于织物建模，利用计算机图形化技术，特别涉及一种基于位置动力学的织物几何建模方法。
技术介绍
1、随着计算机技术的发展，建立数字化织物几何模型成为研究的热点，织物几何模型不仅可以反应织物纱线间的交织关系，还可以用于力学计算、性能预测等方面。纱线作为构成织物的基本单元，在纱线尺度上建立几何模型，准确地模拟真实织物中纱线的形状是建模方法研究的重点与难点。目前学者们已经开发了很多基于几何的织物建模方法。
2、几何建模方法主要是通过设计纱线路径和纱线横截面来生成织物的几何形状，但这会引发一个严重缺陷：纱线间的相互渗透。有很多学者在这方面做出了努力，hivet等人结合实验数据与数值方法，考虑纱线之间的接触对截面形状的影响，通过定义不同的截面形状避免纱线间的互穿。wendling通过定义严格的纱线表面切线条件和沿纱线轨迹的截面形状建模防止互穿。isart考虑了纱线间压实和不同曲率造成的复杂横截面形状避免互穿。akpoypmare通过引入更多的几何参数，定义了多种纱线局部横截面形状模拟真实纱线。这些方法的特点是需要建立几何形状的函数关系，为了准确的描述织物结构不得不结合大量的实验参数，这使得构建模型的复杂度不断增加，同时所构建的几何关系很难反应纱线间的相互作用。
3、目前，现存的几何建模方法仍存在两个重要的问题，一是缺乏纱线间接触的准确描述，也就是纱线间存在严重的相互渗透和不合理的空隙；二是缺乏纱线截面形状沿路径的变化，也就是由纱线间相互作用引起的截面形状变形。文献《高梓越,陈利,赵世波.基于自由变形技术的二
技术实现思路
1、本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题提供一种基于位置动力学的织物几何建模方法，解决了现有几何建模方法不能消除纱线间的相互渗透、不能实现纱线截面形状沿路径变化、不能实现纱线全局变形的问题，实现了真实织物中的纱线形状，弥补了传统几何建模方法复杂、稳定性差、真实感不佳等不足。
2、本专利技术包括如下技术方案：
3、一种基于位置动力学的织物几何建模方法，包括以下步骤：
4、s1、建立织物初始模型，通过织物组织、纱线宽度、纱线高度、纱线间距确定纱线中心线路径和纱线截面，织物表面构建三角网格；
5、s2、根据所述三角网格划分四面体；
6、s3、将纱线进行收缩，收缩至所有纱线间没有任何接触；
7、s4、将纱线膨胀，膨胀后根据划分的四面体信息建立基于位置动力学的约束关系；包括每一条边的长度约束关系cl和每一个四面体的体积约束关系cv，所述长度约束关系可表示为：cl(p1,p2)＝|p1-p2|-d0，其中p1，p2为边的两个顶点的世界坐标，d0为边的原始长度；体积约束关系可表示为：
8、其中p1，p2，p3，p4为四面体的四个顶点的世界坐标，v0为四面体的原始体积；
9、s5、进行纱线间碰撞检测，通过移动纱线的顶点消除纱线相互间的渗透；
10、s6、将纱线根据建立的位置动力学约束关系进行变形，更新消除相互渗透后的纱线顶点信息和几何模型；
11、s7、根据纱线的屈曲程度设置纱线伸直，不断重复步骤s4-s6，使纱线膨胀至收缩前的体积，获得织物的最终几何模型。
12、进一步的，所述步骤s1包括s1-1确定纱线中心线路径；s1-2确定纱线横截面以及s1-3确定纱线表面；s1-1首先根据织物的组织、纱线高度和纱线间距确定纱线中心线的主节点位置，主节点为纱线的交织点和两个相邻交织点的中点，然后通过b样条函数对主节点进行插值得到光滑的曲线，最后得到等距离散的纱线路径；s1-2在每个离散点上定义纱线横截面，横截面中心位于离散点上，纱线横截面的法向轴与纱线路径的局部切线重合，所述纱线横截面基于输入的纱线宽度和高度；s1-3首先将纱线横截面离散为数个顶点，然后通过三角网格连接相邻截面并补全首末两个截面，得到纱线的表面模型，最后将所有纱线组合在一起组成织物的初始几何模型。
13、进一步的，所述s1-2中的纱线横截面预设形状为幂椭圆、椭圆或透镜形，这三种形状都可以使用如下参数方程得到：
14、
15、，其中a，b分别为纱线宽度和高度的一半，ε为形状参数，当0<ε<1时形状为透镜形，ε＝1时形状为椭圆形，ε>1时形状为幂椭圆形。
16、进一步的，所述步骤s2具体为根据三角网格包含的所有顶点信息重新建立四面体的连接方式，纱线总顶点数不变，得到构成纱线的四面体索引以及四面体每条边的索引信息。
17、进一步的，所述步骤s3具体为通过操作纱线横截面顶点的位置对纱线的局部宽度和局部厚度进行收缩，以纱线横截面的顶点与其所在横截面对应的离散点的连线作为收缩向量，以纱线间相互渗透的最大距离为收缩距离进行收缩，将初始几何模型收缩至纱线间无任何相互渗透。
18、进一步的，所述步骤s4中纱线顶点膨胀方向为收缩的反方向，单次膨胀距离范围为纱线厚度的1％-5％，膨胀后通过四面体信息建立基于位置动力学的约束关系；当边的长度发生变化时，该边在约束下恢复至原始长度，恢复过程中两个顶点位移可以表示为：
19、其中ω1，ω2分别为两个顶点的权重，通过其所在的所有四面体体积计算得到；当四面体的体积发生变化时，该四面体在约束下将恢复至原始体积，恢复过程中四个顶点位移可以表示为：，其中▽c(p)为每个顶点的梯度，可表示为：
20、
21、
22、
23、
24、进一步的，所述步骤s5中的碰撞检测采用基于射线的检测方法，纱线的每个顶点沿其法线方向及其反方向发射射线，若两条射线均与其他纱线产生交点，则证明该顶点位于其他纱线内部，需将该顶点移动至纱线外部，移动方向为顶点法线的反方向，移动距离为顶点法线反方向与其他纱线三角网格的交点的距离。
25、进一步的，所述交点的距离可通过下式求出：
【技术保护点】
1.一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立织物初始模型，通过织物组织、纱线宽度、纱线高度、纱线间距确定纱线中心线路径和纱线截面，织物表面构建三角网格；S2、根据所述三角网格划分四面体；S3、将纱线进行收缩，收缩至所有纱线间没有任何接触；S4、将纱线膨胀，膨胀后根据划分的四面体信息建立基于位置动力学的约束关系；包括每一条边的长度约束关系CL和每一个四面体的体积约束关系CV，所述长度约束关系可表示为：CL(p1,p2)＝|p1-p2|-d0，其中p1，p2为边的两个顶点的世界坐标，d0为边的原始长度；体积约束关系可表示为：
2.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤S1包括S1-1确定纱线中心线路径；S1-2确定纱线横截面以及S1-3确定纱线表面；S1-1首先根据织物的组织、纱线高度和纱线间距确定纱线中心线的主节点位置，主节点为纱线的交织点和两个相邻交织点的中点，然后通过B样条函数对主节点进行插值得到光滑的曲线，最后得到等距离散的纱线路径；S1-2在每个离散点上定义纱线横截面，横截面中心位于离散点
3.根据权利要求2所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述S1-2中的纱线横截面预设形状为幂椭圆、椭圆或透镜形，这三种形状都可以使用如下参数方程得到：
4.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤S2具体为根据三角网格包含的所有顶点信息重新建立四面体的连接方式，纱线总顶点数不变，得到构成纱线的四面体索引以及四面体每条边的索引信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤S3具体为通过操作纱线横截面顶点的位置对纱线的局部宽度和局部厚度进行收缩，以纱线横截面的顶点与其所在横截面对应的离散点的连线作为收缩向量，以纱线间相互渗透的最大距离为收缩距离进行收缩，将初始几何模型收缩至纱线间无任何相互渗透。
6.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤S4中纱线顶点膨胀方向为收缩的反方向，单次膨胀距离范围为纱线厚度的1％-5％，膨胀后通过四面体信息建立基于位置动力学的约束关系；当边的长度发生变化时，该边在约束下恢复至原始长度，恢复过程中两个顶点位移可以表示为：
7.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤S5中的碰撞检测采用基于射线的检测方法，纱线的每个顶点沿其法线方向及其反方向发射射线，若两条射线均与其他纱线产生交点，则证明该顶点位于其他纱线内部，需将该顶点移动至纱线外部，移动方向为顶点法线的反方向，移动距离为顶点法线反方向与其他纱线三角网格的交点的距离。
8.根据权利要求7所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述交点的距离可通过下式求出：vi为发出射线的点即检测点，为vi的法线法向，u0，u1，u2是三角形的三个顶点，α，β为参数，满足α≥0，β≥0，α+β≤1；当等式有解时，μi为点vi距三角网格的距离；顶点移动后，截面顶点坐标可通过下式求出：其中v′i为顶点移动后的位置，vi为顶点移动前的位置，μi为移动的距离，为移动的方向，g为常数。
9.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤S6具体为纱线在消除相互渗透后，纱线顶点位置发生变化，导致其组成的四面体的各条边的长度和四面体的体积发生了改变，通过步骤S4建立的约束关系，使其在碰撞检测的条件基础上恢复原来的边长度和四面体体积，保持碰撞检测前后纱线体积不变，且消除纱线间的渗透。
10.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤S7中纱线的伸直通过移动纱线的节点实现，如下式所示：其中N是纱线路径上的离散点，下标t为节点的索引；纱线伸直操作是在纱线膨胀至交织点处截面相互接触时执行。
...【技术特征摘要】
1.一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、建立织物初始模型，通过织物组织、纱线宽度、纱线高度、纱线间距确定纱线中心线路径和纱线截面，织物表面构建三角网格；s2、根据所述三角网格划分四面体；s3、将纱线进行收缩，收缩至所有纱线间没有任何接触；s4、将纱线膨胀，膨胀后根据划分的四面体信息建立基于位置动力学的约束关系；包括每一条边的长度约束关系cl和每一个四面体的体积约束关系cv，所述长度约束关系可表示为：cl(p1,p2)＝|p1-p2|-d0，其中p1，p2为边的两个顶点的世界坐标，d0为边的原始长度；体积约束关系可表示为：
2.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤s1包括s1-1确定纱线中心线路径；s1-2确定纱线横截面以及s1-3确定纱线表面；s1-1首先根据织物的组织、纱线高度和纱线间距确定纱线中心线的主节点位置，主节点为纱线的交织点和两个相邻交织点的中点，然后通过b样条函数对主节点进行插值得到光滑的曲线，最后得到等距离散的纱线路径；s1-2在每个离散点上定义纱线横截面，横截面中心位于离散点上，纱线横截面的法向轴与纱线路径的局部切线重合，所述纱线横截面基于输入的纱线宽度和高度；s1-3首先将纱线横截面离散为数个顶点，然后通过三角网格连接相邻截面并补全首末两个截面，得到纱线的表面模型，最后将所有纱线组合在一起组成织物的初始几何模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述s1-2中的纱线横截面预设形状为幂椭圆、椭圆或透镜形，这三种形状都可以使用如下参数方程得到：
4.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤s2具体为根据三角网格包含的所有顶点信息重新建立四面体的连接方式，纱线总顶点数不变，得到构成纱线的四面体索引以及四面体每条边的索引信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学的织物几何建模方法，其特征在于：所述步骤s3具体为通过操作纱线横截面顶点的位置对纱线的局部宽度和局部厚度进行收缩，以纱线...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈利，高梓越，焦伟，焦亚男，张中伟，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：
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