一種三維「人體-服裝」接觸力學仿真分析系統的製作方法

2023-10-08 10:01:44

專利名稱：一種三維「人體-服裝」接觸力學仿真分析系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及到計算機圖形學領域，具體而言，涉及到一種三維"人體一服裝" 接觸力學仿真分析系統。
背景技術：
限於計算機技術特別是硬體的發展，直到1986年，第一個織物變形的三維計 算機模擬程序才被開發出來，在此之前，紡織學界的研究工作主要集中在諸如非 線性連續體薄板理論、有限元方法在織物力學研究中的應用，彎曲、剪切、自重 等在織物懸垂及屈曲中的不同影響方式等等。特別是有限元方法適用於以織物力 學分析和模擬為主的仿真研究。
目前圖形仿真的建模方法主要可以分為三大類:幾何方法、物理方法及綜合 方法。幾何方法不考慮面料或服裝的物理特性，採用懸鏈線、B樣條插值等方法。 生成的圖形具有類織物的形態，但是不代表某種特定的織物，圖形的生成速度快。 物理方法是通過構造織物對象的結構力學模型，利用計算機圖形方法生成具有某 種特定形態的仿真織物。根據力學結構和求解方法的不同，可將其劃分為力法和 能量法。綜合方法是幾何算法與物理建模的綜合運用。
織物與服裝二維模擬及仿真技術本身涉及到紡織材料結構力學、計算機圖形 學、計算力學等多方面的交叉研究內容，隨著建模方式的基本完善，目前的研究 重點集中在算法的精化(如改進求解方法提高速度)以及與三維人體建模結合，研 究虛擬穿著和數位化服裝定製方向，應該說，從目前的技術水平過渡到具有應用 價值的三維服裝CAD/CAM系統、虛擬試穿系統，還需完成二維服裝造型的真實性 評價，三維造型與二維版型間的相互轉換，交互式服裝設計接口，人體測量與三 維成型等一系列研製開發工作。
計算機技術的概念創新與市場拓展是緊密相關的，對我國的服裝工業及計算
機技術的發展，織物與服裝三維模擬及仿真技術都具有廣泛的研究價值和應用前景。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不同，提出了一種簡單、高效、效果真 實的三維"人體-服裝"接觸力學仿真分析系統。 為了實現發明目的，採用的技術方案如下
三維"人體-服裝"接觸力學仿真分析系統，包括有以下模塊
3DCAD服裝縫合系統模塊、有限元模型構建模塊、有限元仿真求解模塊、系
統後處理模塊。
所述3DCAD服裝縫合系統模塊完成從二維衣片到三維服裝的縫合仿真和服 裝的三維造型設計。
所述有限元模型構建模塊包括幾何模型建立模塊和網格剖分模塊，根據 3DCAD服裝縫合系統模塊提供的三維初始服裝及相關的縫合信息的基礎上進行 三維有限元離散模型的重構。
所述有限元仿真求解模塊主要生成使用APDL語言描述的宏命令文件，然後 自動調用ANSYS，轉入ANSYS模塊處理。
所述系統後處理模塊提取ANSYS模塊的結果信息，對人模進行受力以及位移 的圖形化表示，把人模指定點處受力和位移數據顯示出來，以便對人體進行壓力 舒適性分析。
本發明的各個模塊所實現的功能具體如下
所述3DCAD服裝縫合系統模塊是三維"人體-服裝"接觸力學仿真分析系統 中的一個重要系統，提供有限元分析中的幾何模型的基本信息。它採用基於彈簧 質點模型的服裝縫合系統，主要完成從二維衣片到三維服裝的縫合仿真和服裝的 三維造型設計。
所述有限元模型構建模塊利用3DCAD服裝縫合系統模塊提供的三維初始服 裝及相關的縫合信息，對織物及人體定義單元類型和材料屬性，生成三維服裝幾 何模型，並通過分別對三維人體和服裝進行網格剖分形成有限元離散模型。本發 明對人體和服裝採用實體建模方法，通過點、線、面等先建立幾何模型。在彈簧 質點模型中，二維衣片和三維服裝均被離散表達為由規則三角形網格組成的彈簧 質點系統。人模由軟體Poser4.0產生後經過簡化而得到，人體採用線框建模方 法建立幾何模型。本發明運用四結點殼單元定義人體和服裝的單元類型，採用線
彈性正交各向異性材料模型定義服裝材料，採用各向同性線彈性材料模型定義人 體材料。然後分別對人體和服裝進行網格剖分操作，將三維人體服裝集合模型轉 化為由節點和單元構成的有限元離散模型。
有限元仿真求解模塊，有限元離散模型建立後，需預測服裝和人體間可能發 生接觸的區域，建立接觸對，生成宏命令文件。宏命令文件包括服裝的材質屬性， 服裝和人模的網格剖分方法，有限元分析的基本單元，邊界條件和約束信息的設 置，接觸對的建立和接觸算法的選擇，有限元方程求解的終止條件等。然後採用 合適的接觸算法進行接觸分析以完成模型的仿真。
系統後處理模塊根據ANSYS求解得到的信息，導入到本軟體中，對結果進行 圖形化顯示和數據顯示，以便進一步對人體著裝進行壓力舒適性分析。例如利用 ANSYS求得的壓力和位移信息，在更新的人模上進行圖形化著色顯示，指定人模 上特定點的受力和位移數據。
本發明的技術特點主要體現如下
1) 具有三維服裝造型設計功能 不同於其他三維服裝仿真系統單調的服裝造型，它利用彈簧質點模型完成二
維衣片縫合，實現三維初始服裝構造。
2) 具有更細緻的仿真結果和豐富的材質表現能力
三維"人體-服裝"接觸力學仿真分析系統，利用有限元模型實現服裝效果 模擬。有限元模型從宏觀角度將織物看作連續介質，因而最能體現面料的材料特 點，模擬效果逼真，比較符合服裝面料真實變形，同時採用有限元模型的服裝效 果仿真也較易實現服裝及人體的應力及位移分析。
3) 具有與有限元分析軟體ANSYS的接口的功能 通過對第一步生成的三維服裝造型和人模進行網格剖分(利用有限元分析中 典型的殼單元作為剖分單位)，形成基本的有限元模型，然後設置邊界條件 和約束條件進行接觸分析。利用ANSYS識別的APDL語言編寫宏文件。然後 導入自動調用ANSYS進行有限元分析求解。
4) 具有定量和定性分析功能
三維"人體-服裝"接觸力學仿真分析系統的後處理部分，根據ANSYS求解 得到的信息，導入到本軟體中，對結果進行圖形化顯示和數據顯示，以便進一步
對人體著裝進行壓力舒適性分析。例如利用ANSYS求得的壓力和位移信息，在更 新的人模上進行圖形化(著色)顯示，指定人模上特定點的受力和位移數據。其 示意圖如下圖4所示。


圖l:三維人體-服裝仿真軟體系統結構圖； 圖2:仿真的流程圖； 圖3: APDL宏命令文件的形成過程圖； 圖4:三維服裝仿真軟體後處理流程具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
本發明的人體-服裝接觸力學仿真系統的結構圖如附圖1所示，包括3DCAD 服裝縫合系統模塊、有限元模型構建模塊、有限元求解模塊和系統後處理模塊。
所述3DCAD服裝縫合系統模塊和有限元模型構建模塊相連，為有限元構建模 塊提供三維初始服裝及相關的縫合信息。
所述有限元模型構建模塊與有限元求解模塊連接，提供人體和服裝的幾何模 型，並對其進行網格剖分，得到有限元離散模型。
所述有限元求解模型對得到的人體服裝有限元離散模型建立接觸對，給服裝 施加負荷，確定邊界條件，採用合適的接觸算法進行接觸分析以完成模型的仿真。
所述系統後處理模塊與有限元求解模塊連接，用於將求解的結果進行圖形化 顯示和數據顯示。
本發明應用的一個實例體現服裝結構和服裝材質屬性的不同對服裝及人體 的形變和受力的影響。首先，在仿真軟體中完成二維衣片縫合構造初始三維服裝 後，設置材料參數和計算參數。該實例對人體材料屬性採用以下簡化，只模擬人 體皮膚並採用相同的材料屬性，各屬性取值如下彈性模量 ￡X = 2.05x 10—2gf/cw2 ,密度/ = 0.6g/c附3 ，泊松比^[/^7=0.3。設置服裝材料 屬性時，假設服裝材料是線彈性正交各異性材料，且各平面內的剪切模量相同。 設置A、 B兩種材料的密度、剪切模量、彈性模量、厚度和彎曲模量等屬性。在 有限元離散模型建立後，設置計算控制參數，採用弧長控制算法迭代求解非線性 有限元方程。通過圖形化的方法，在人模和衣服上著色，顯示實例的仿真結果。 可以看到兩種材質服裝應力對比、兩種材質服裝位移對比，兩種服裝材質下人體 應力分布對比的結果。由實例可以驗證，本發明的三維人體服裝接觸力學仿真系 統對人體服裝接觸問題進行仿真，準確的反映人體服裝接觸過程中的應力和位移 形變趨勢，對於服裝設計和力學舒適性分析有重要的參考價值。
權利要求
1、一種三維「人體-服裝」接觸力學仿真分析系統，其特徵在於，該系統包括以下模塊3DCAD服裝縫合系統模塊、有限元模型構建模塊、有限元仿真求解模塊、系統後處理模塊；所述3DCAD服裝縫合系統模塊採用基於彈簧質點模型的服裝縫合系統，完成從二維衣片到三維服裝的縫合仿真和服裝的三維造型設計；所述有限元模型構建模塊包括幾何模型建立模塊和網格剖分模塊，根據3DCAD服裝縫合系統模塊提供的三維初始服裝及相關的縫合信息的基礎上進行三維有限元離散模型的重構；所述有限元仿真求解模塊主要生成使用APDL語言描述的宏命令文件，然後自動調用ANSYS，轉入ANSYS模塊處理；所述系統後處理模塊提取ANSYS模塊的結果信息，對人模進行受力以及位移的圖形化表示，把人模指定點處受力和位移數據顯示出來，以便對人體進行壓力舒適性分析。
2、 根據權利要求1所述的三維"人體-服裝"接觸力學仿真分析系統，其特徵 在於，有限元模型構建模塊利用3DCAD服裝縫合系統模塊提供的三維初始 服裝及相關的縫合信息，對織物及人體定義單元類型和材料屬性，生成三 維服裝幾何模型，並通過分別對三維人體和服裝進行網格剖分形成有限元 離散模型；對人體和服裝採用實體建模方法，通過點、線、面先建立幾何 模型；在彈簧質點模型中，二維衣片和三維服裝均被離散表達為由規則三 角形網格組成的彈簧質點系統；人模由軟體Poser4. 0產生後經過簡化而得 至IJ，人體採用線框建模方法建立幾何模型；運用四結點殼單元定義人體和 服裝的單元類型，採用線彈性正交各向異性材料模型定義服裝材料，採用 各向同性線彈性材料模型定義人體材料；然後分別對人體和服裝進行網格 剖分操作，將三維人體服裝集合模型轉化為由節點和單元構成的有限元離 散模型。
3、 根據權利要求1所述的三維"人體-服裝"接觸力學仿真分析系統，其特徵 在於有限元離散模型建立後，需預測服裝和人體間可能發生接觸的區域， 建立接觸對，生成宏命令文件；宏命令文件包括服裝的材質屬性，服裝和 人模的網格剖分方法，有限元分析的基本單元，邊界條件和約束信息的設 置，接觸對的建立和接觸算法的選擇，有限元方程求解的終止條件，然後 採用合適的接觸算法進行接觸分析以完成模型的仿真。
全文摘要
本發明是基於有限元接觸分析的三維「人體-服裝」接觸力學仿真系統，包括有以下模塊3DCAD服裝縫合系統模塊、有限元模型構建模塊、有限元仿真求解模塊、系統後處理模塊。它利用彈簧質點模型完成二維衣片縫合，實現三維初始服裝構造，提供三維服裝造型。彈簧質點模型最為簡單，易於構造，算法容易實現，計算效率較高，速度快，所以造型效率極高。然後採用有限元模型實現服裝效果模擬。由於有限元模型能夠較全面表達織物的材質，因而仿真結束時能獲得較真實的穿著效果，同時採用有限元模型的服裝效果仿真也較易實現服裝及人體的應力及位移分析。
文檔編號G06T17/40GK101393580SQ20081019916
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者眾 王, 王若梅, 帥 紀, 鄭豔麗 申請人:中山大學