纺织工程专业虚拟仿真实验教学探索

王 曦，郑天勇，于保康

(1. 天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387；2. 中原工学院 纺织学院，河南 郑州 450007)

新型纺织品设计与开发是纺织工程专业学生应具备的基本能力，是学生综合运用纺织专业知识进行产品设计的一个实践环节，同时对培养学生的创新实践能力具有举足轻重的作用。纺织品设计与试制过程为：纱线设计与选用—织物组织设计—织物结构设计—花型图案设计—样品织造。为了获得满意的纺织品，有时需要反复进行上述过程，因此产品开发周期长、见效慢、原料消耗大、成本高[1]。同时，由于高校实验室设备台(套)数有限，学生在一定的教学周期内设计并加工出来的纺织品数量十分有限[2]。通过虚拟仿真实验教学，则可以便捷地完成上述工艺过程，并快速获得纺织品的模拟效果，突破了设备台(套)数不足的瓶颈，同时大大降低了实验教学成本[3]。虚拟仿真实验教学已成为培养纺织工程专业学生综合创新能力的重要手段。

一、 虚拟仿真实验教学理念

纺织工程专业虚拟仿真实验教学体系在实验系统的各个环节将实验项目由基础实验逐渐向综合性、创新性实验拓展，具体的教学理念包括：(1)案例教学。教学资源准备充实、素材多样。(2)寓教于练。强调实践，尽可能少教甚至不教。(3)自主学习。设置阶段性目标，使学生获得成就感，激发学生学习的主动性。在此基础上，形成覆盖纺织加工全流程的低成本、低能耗、零排放、易管理的绿色实验教学平台。高能耗和高污染是纺织行业面临的主要问题，此外，无论是新型纤维的开发，还是纺织新产品的设计与工艺优化，均存在染化药剂、纤维、坯布、织物成品消耗带来的开发成本问题，这也是我国原创性纺织新产品逊色于发达国家的主要原因之一。根据纺织产业的特征，构建较完整的绿色实验教学平台，与传统的实验教学相比，具有低成本、低能耗、零排放、易管理的显著优势[4]。

二、 虚拟仿真实验教学内容

1. 纱线设计仿真

大多数高校纺织工程实验室均配备有梳理、并条、粗纱、细纱等全套或部分纺纱实验机和生产样机，甚至可实现从纤维原料到纱线成品的全流程加工。但由于纺纱加工流程长、工序多，实验室设备台(套)数有限，原料和能源消耗大，存在安全隐患等，无法在有限的实验教学时间里满足每名学生的自主设计实验需求。而纱线设计虚拟仿真实验教学可显著提高实验教学效率，降低实验成本，使学生快速了解单纱、股线、花色纱线的基本形态特征，以及纱线线密度、捻度、捻向、色彩、光泽对纱线形态特征的影响等知识点。如图1所示，通过项目组自主研发的纱线设计仿真软件，或采用其他商用纺织CAD软件[5]，一般可实现：(1)设计与模拟不同线密度、色彩、光泽、毛羽度、捻度(向)的单纱；(2)设计与模拟不同合并根数、合并方式、捻度(向)的股线；(3)设计与模拟不同色彩配置、不同线密度配置、不同芯线与饰线配置等花式纱线；(4)对设计模拟的纱线和实体纱线图像创建纱线数据库。

图1 纱线设计仿真

2. 织物组织与结构仿真

传统的“织物组织与结构”课程需要学生手工绘制组织图、穿综图和纹板图，效率低、周期长。而通过计算机软件辅助，学生可以快速设计组织结构，并预览各种织物组织结构的仿真效果，同时深刻理解织物组织的构成要素，进一步了解组织图、穿综图及纹板图三者之间的相互关系。多款纺织CAD软件均可实现织物组织与结构仿真，如图2所示。一般可实现：(1)设计经纬循环数、经纬组织点点数、经纬向飞数等值，生成组织图；(2)输入穿综图、纹板图生成组织图，或者输入组织图、纹板图生成穿综图，或者输入组织图、穿综图生成纹板图；(3)调整参数，观察生成组织的变化。

(a) 织物组织设计 (b) 组织结构仿真

(c) 织物组织模拟图 (d) 织物组织实物图图2 织物组织与结构仿真

3. 纹织物设计仿真与织造

全自动或半自动提花织样机可以满足纺织工程专业学生在实验室织造纹织物的需求，但整经、穿综、穿筘等织前准备工作会耗费大量时间，且实验室一般没有配备多台提花织机，因此并不具备让多数学生在有限的教学时间内独立完成自主设计和织造个性化纹织物的条件。而纹织物设计仿真实验可以显著提高教学效率，降低实验成本，同时满足每名学生个性化自主设计实验的需求，因此也成为纺织CAD实验教学的重点内容。使用荷兰Nedgraphics公司的提花设计软件等多种纺织CAD软件，可实现从原始设计图到纹板图、仿真效果图的纹织物仿真设计，模拟织物成品的真实效果，同时还可以完成上机织造，如图3所示。

图3 纹织物设计仿真与织造

4. 多臂织物设计仿真与织造

小样织机因其简单易用、单台占地小、台套数多、成本低等特点，成为纺织工程专业学生在学校实验室接触最多也是实验教学中使用频率最高的设备之一，学生可以独立地完成小提花织物的设计和织造。通过纺织CAD软件的辅助，学生可以在几分钟内预览多臂织物的仿真效果图，并根据需要快速调整设计方案，完善实物作品。学生可以通过调整经纬纱线密度、组织参数设计不同的多臂织物，快速生成织物仿真效果图，如图4所示。此外，还可以进行特殊效应的织物设计仿真，如彩条织物、彩格织物、长丝经与长丝纬交织、长丝与短纤纱交织、单纱与股线交织、花式线应用等的设计与模拟。

(a) 织物参数设置

(b) 织物仿真效果图4 多臂织物设计仿真与织造

5. 绣花设计仿真与刺绣

绣花是在已有纺织品上的二次加工，其过程不可逆，单头的电脑绣花机非常适合纺织服装专业的实验教学。通过绣花设计软件对刺绣过程进行仿真，可实现对各种面料上花型针迹及各部分刺绣顺序的模拟，并快速预览三维模拟图，便于检查修改，避免损失，从而降低实验成本，提高实验效率，同时满足学生个性化设计的需求。使用日本兄弟公司的绣花设计软件PE-DESIGN进行绣花设计和仿真，在花样编制完成后，指定花样的颜色、绣制类型，就可以预览实际刺绣的模拟效果，还可以使用针迹模拟器对刺绣的全过程进行动画模拟。检查针迹无误后可直接发送至电脑绣花机，在实物上完成刺绣，如图5所示。

6. 纺织品三维贴图

通过纺织品三维贴图的虚拟仿真，可以快速得到目标产品的实物模拟效果图。学生可根据自己的设计需要进行反复修改，无需实际生产即可看到产品的模拟效果，大大提高了设计效率。使用图案设计软件，通过改变参数自动生成适用于纺织品的各种图案。以软件生成图案为基本元素，按照纹样构图规则设计纺织纹样，再根据所设计的纹样和经纬纱密度等计算出织造工艺参数，模拟显示或打印输出产品仿真图，如图6所示。

(a) 针迹编辑图 (b) 三维模拟图 (c) 刺绣实物图图5 绣花设计仿真与刺绣

(a) 产品原始图 (b) 软件设置图 (c) 模拟效果图图6 纺织品三维贴图

7. 虚拟外贸单证实训

南京世格软件有限责任公司开发的SimTrade外贸单证平台还原了纺织外贸企业日常工作的真实场景与业务流程，通过场景、人物、事件的结合共同组成模拟贸易环境，实现与学生的虚拟互动。采用角色扮演的游戏模式，使学生真正体验到外贸跟单业务所涉及的地点、人物、单据、场景，从而熟练掌握各种业务技巧。如图7和图8所示，其内容主要包括：(1)外贸公司报到，接受业务经理面试及全套订单资料；(2)订单分析；(3)制订工作日程安排；(4)样品跟单，选厂与打样、寄样与样品检验、确认；(5)原辅料跟单，原辅料采购计划的制订、原辅料采购、第三方检验、质量检验；(6)生产跟单，生产作业的制订、生产任务下达、质量控制与评估、数量与交货期跟单；(7)包装跟单，包装材料的选择与生产、包装设计、包装检验；(8)单据交付，法定商检、货运委托(订舱)、单据的校验与交付。

图7 SimTrade外贸单证平台主界面和产品打样界面

图8 原辅料采购与检验和质量评估界面

三、 虚拟仿真实验的实施方法

纺织工程专业虚拟仿真实验教学以案例教学法为主要实施方法，准备充分的教学资源和多样性的实例素材，为学生创造了足够的预习和自学条件，强调在具体实例的反复练习中理解并掌握虚拟仿真实验。每个实验教学体系的建设包括但不限于以下内容：(1)实验项目设置；(2)实验教学计划；(3)实验指导书；(4)实验教学素材，包括原始设计图、实物照片、扫描图片、说明文件等；(5)软件使用手册；(6)实验教学演示视频；(7)作业、练习题、考核方式及考试题；(8)成品展示，包括模拟效果图、实物样品等。

四、 结语

纺织工程专业虚拟仿真实验教学以低成本、低消耗、零排放、短周期的建设理念，以资源共享的开放思路，切实解决纺织品设计开发和真实实验的高成本、高消耗、长周期、品种少的瓶颈问题，使学生将纺织工程专业课程的理论知识转变为工程实践能力，在提高学生创新实验和纺织品设计开发能力的同时，为纺织企业提供了高水平的创新产品虚拟设计与制造平台。