百年纺织之十九：织物CAD
2023年11月13日 星期一

       织物设计是一件费时的事情，尤其是复杂组织的设计。以前学习“纹织学”要学两个学期，对晃如天书般的什么“古香缎”、“织锦缎”等织物所涉及的意匠图（图1）、组织图、上机图和纹板图等，充满了迷糊，对上机操作的繁琐更是恐惧，至今想起来还对当时的课程学习心有余悸，以至于现在想到这些复杂的织物组织，我没有一点儿兴趣去钻研。

图1 意匠图

       后来读研期间，个人电脑开始进入高校。一台IBM PC/XT的电脑，硬盘10M，内存512k，当时价格2.5万人民币，对于一个高校，可谓是一件高档硬件装备。读研期间知道有一位陈晓钢学长，就在这个昂贵的设备上专门做织物组织设计的计算机辅助设计系统，用当时流行的BASIC语言编织程序，实现织物组织、上机图和纹板图的电脑设计。于是心怀崇拜地想去见见这位学长，可是他前脚走、我后脚到，他跑到英国利兹大学读研究生去了。直至1997年7月在美国夏威夷参加复合材料学术会议，才见到他和他家人，还开车带我去超市购物，说刚到美国，汽车是靠右驾驶，还有点不适应。

图2 第7届三维织物和应用国际会议

       现在陈晓钢已经是英国曼彻斯特大学材料系的大牌教授[1]，活跃在织物设计和弹道冲击动力学领域。他创办的“三维织物及其应用国际研讨会”（图2）从2008年至今已经连续九届。

图3 单层和多层织物组织结构计算机辅助设计

图4 多胞织物结构计算机辅助设计

       复杂组织织物的计算机设计难点是用数学方法表示织物组织。纱线交织点和组织结构循环需要用合适矩阵表达，对于多层织物不同层的组织点还有重合，需要用不同的矩阵元素区别上下组织点的重合。现在看起来很多似乎顺理成章的计算机辅助设计，在当时却没有很好的解决方案。陈晓钢提出方法[2-4]很好的解决了单层和多层织物组织结构计算机辅助设计的难题（图3），自动生成二维和三维织物结构，后来扩展到多胞织物结构的计算机辅助设计（图4）[5]。

图5 比利时Leuwen大学材料工程系Stepan Lomov创建的WiseTex套装软件包界面

       现在织物CAD系统已经扩展到针织物、编织物等织物类型，而且能根据能量最低原理实现理想的织物结构种类设计。如果连接CAM系统，可以实现快速织造；如果连接有限元分析（FEA）软件，可以计算织物及复合材料在外场加载下的响应，例如比利时Leuwen大学材料工程系Stepan Lomov [6] 创建的WiseTex套装软件包（图5）[7]，能实现纺织复合材料结构和力学性质一体化设计。但所有这些工作，都是在陈晓钢工作基础上扩展而成。因此陈教授在织物CAD领域是开创者。
       得益于多学科交叉，尤其是计算机技术、人工智能等，纺织CAD/CAM已经进入更高的发展层面，其中织物组织结构CAD是基础性工作。无论对于服装远程化定制还是各类产业用纺织品的工业化应用，离开了织物组织结构，织物就是单层的薄膜状连续介质，没有织物组织的任何优势。而一旦考虑到织物组织结构的CAD工作，陈教授的工作是无法绕过的高峰。

参考文献
1 https://research.manchester.ac.uk/en/persons/xiaogang.chen
2 X. Chen, R. T. Knox, D. F. McKenna & R. R. Mather (1996).  Automatic Generation of Weaves for the CAM of 2D and 3D Woven Textile Structures. The Journal of The Textile Institute, 87(2):  356-370
3 X. Chen & P. Potiyaraj (1998). CAD/CAM for Complex Woven Fabrics. Part I: Backed Cloths, Journal of the Textile Institute, 89:3, 532-545
4 X. Chen & P. Potiyaraj (1999). CAD/CAM for Complex Woven Fabrics. Part II: Part II: Multi-layer Fabrics. Journal of the Textile Institute, 90: 1, 73-90
5 X. Chen, Y.L. Ma & H. Zhang (2004). CAD/CAM for Cellular Woven Structures. Journal of the Textile Institute, 95(1-6): 229-241
6 https://www.mtm.kuleuven.be/english/research/scalint/cmg/team-composite-materials/00005593
7 https://www.mtm.kuleuven.be/english/research/scalint/cmg/software/wisetex/