一种改进的质点-弹簧织物建模与仿真.pdf

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1、华南师范大学学报(自然科学版)2013年9月JouRNALOFSOUTHCHINANORMALUNIVERSITY第45卷第5期Sep．2013(NATURALSCIENCEEDITION)Vol

2、45No．5文章编号：1000—5463(2013)05—0043—04一种改进的质点一弹簧织物建模与仿真陈瑛，吴明珠，胡新荣(1．华南师范大学增城学院计算机系，广东广州511363；2．武汉纺织大学数学与计算机学院，湖北武汉430200)摘要：分析了织物的拉伸、剪切及弯曲等物理特性，根据织物拉伸形变过程中受力与形变程度关系的非线性特征，提

3、出了改进的质点一弹簧织物模型，使弹性系数分段线性化，有效解决了织物仿真中超弹性的问题，提高了织物仿真的真实感．关键词：织物仿真；各向同性；质点一弹簧；超弹性中图分类号：TP393文献标志码：Adoi：10．6054／j．jscnun．2013．07．010织物建模与仿真作为计算机图形学领域的研了参数数据库，能匹配大部分布料，效果逼真，并能究热点¨，经历了3个阶段：(1)采用纯几何变实现模拟布料的各向异性．本文根据纺织材料学参换模拟织物的形变J，需要用户干预，模拟效果有数，对弹性系数进行线性分段，各向同性．当应力在限．(2)基于板壳理论

4、的物理模型J．通过引入质织物不出现范性形变或结构性破坏的范围内，能获量、力、能量等物理量，将织物各部分的运动看成得较好的仿真效果．既限制了超弹性现象，也考虑是各种力作用下质点运动的结果．TERZOPOULOS了时间性能，有效解决超弹性问题．等_5I6提出了弹性形变模型，将柔性织物的变形描述成织物内部抵抗形变产生的弹簧内力、外力和阻1建模尼力共同作用的结果，并遵循胡克定理和牛顿第二运动定律．(3)基于质点一弹簧模型的粒子系质点一弹簧模型将织物的经向与纬向分布成m统_7J，模拟织物内部拉伸、剪切和弯曲等各向同性×的质点矩阵，织物的质量均匀

5、分布在质点上，质的物理特性．点之间由3种模拟弹簧结构约束(图1)．在质点一弹簧模型中，PROVOTl8首先发现了(‘_，十2)“超弹性”现象，但模拟织物特征不真实．采用KES——：结构弹簧系统检测织物的拉伸性能J，产生相应的Kawabata曲线，使弹性系数随质点距离的改变而变化，以解决(i-2d')(+2，J)．．_—：剪切弹簧超弹性问题．但公式复杂，计算量大，增加了算法时间复杂度．另外，采用添加补偿力的方法，易导致系统不稳定．。：弯曲弹簧本文基于KES系统的检测结果提出改进的质(z，2)点一弹簧模型，充分考虑了结构弹簧在力学性能上图

6、1质点一弹簧模型结构图的特点，采用分段的弹性系数．与WANG等提出Figure1Thestructureofmass-springmodel的“Data-DrivenElasticModels”相比，都采用了分段线性弹性模型的方法．WANG测量了大量能反映布假设中间质点的坐标为(i，J)，那么，连接质点料真实感的参数，为10种明显不同的布料类型建立(i，)与其上、下、左、右4点的弹簧为结构弹簧．为收稿日期：2013—01—25基金项目：国家自然科学基金项目(61103085)；湖北省自然科学基金项目(61103085)；广州市科技计划

7、项目(12C42091562)}通讯作者：陈瑛，讲师，Email：taoxiaotong@163．corn．44华南师范大学学报(自然科学版)第45卷了保持质点问的初始距离，结构弹簧的作用是模拟ZuHIIu_2织物经纬2个方向相邻质点的作用力，需将弹性系2受力模型数设置为较大值，以阻止布料在经纬2个方向过度的拉伸形变．结构弹性系数越大，则织物相应的形变在质点一弹簧模型m×凡的织物网格矩阵中，质点(，)在任意t时刻的三维坐标为r“∈R，越小．连接质点(i，．)和左上、左下、右上、右下4点和表示质点所处的经线标号(i=1，⋯，m)和纬线的

8、弹簧为剪切弹簧，其作用是为了保持织物的平展标号(=1，⋯，n)．根据牛顿第二运动定律有：性，模拟织物内倾斜方向的作用力．较大的弹性系数F√mJa√，可防止织物在自身平面上突然产生切向的不真实的式中，m为质点(，)的质量，F∈R为质点所形变．连接质点(i，J)和上下左右相间隔4点的弹簧受合力，由内力和外力组成，口为质点在合力．，作为弯曲弹簧，模拟织物在弯曲形变时的抗弯曲性能．用下产生的加速度．弯曲弹簧的弹性系数设置值越小，织物的柔软程度质点所受的内力、外力组成．内力要考虑越高．．织物模型中的结构弹簧力、剪切弹簧力和弯曲弹簧以结构弹簧为例

9、，从KES系统获得常用纤维织力．外力包括质点所受的重力以及运动过程中产生物的弹性曲线¨(图2)，其斜率为织物的弹性系的阻尼力．数，弹性系数曲线是非线性的．经典质点一弹簧模质点M(i，)所受合力F∈R为：型中，采用的弹性系