纺织复合材料纤维级建模仿真软件 Virtual Textile v1.0 问世

纺织复合材料的力学性能与其内部纤维预制体的结构密切相关。采用现代纺织工艺制备的纤维预制体具有丰富的组织形式和复杂的内部几何特征，其纱线空间路径、截面形态及相互交织关系等微细观结构特征均与纺织成型工艺密切关联。因此，从纺织成型工艺入手，建立能够准确描述织物几何特征的数字模型，是开展织物结构设计及其复合材料性能分析的重要基础。

目前，纺织预制体的建模主要依赖“先制样、后观测、再建模”的逆向建模技术，难以建立纺织成型工艺与预制体结构之间的关联。此外，纺织预制体具有柔性纤维结构，在外力作用下易发生宏观尺寸变化和内部结构变形。因此，工程界迫切需要能够关联工艺与结构、表征预制体变形行为的数字化设计与建模仿真工具。

围绕上述需求，天津工业大学复合材料研究院谢军波副研究员开发了一款 Virtual Textile（简称 VT）软件，为纺织预制体的设计、建模与仿真提供了纤维级的解决方案。VT v1.0 已于今年10月问世，以虚拟纤维为基本建模单元，集织物参数化设计、结构可视化、动态变形仿真与几何模型转换与导出等功能模块于一体，为纺织复合材料提供数字化仿真工具，软件主界面如图 1 所示。

图 1. Virtual Textile v1.0 软件主界面。

2.1 静态建模

VT 采用虚拟纤维描述纱线几何构型，通过纱线路径、截面及交织关系的参数化设置，构建具有内部结构细节的织物模型。用户输入相应的成型工艺与几何参数后，即可生成对应结构；调整参数后，可实现模型的快速更新重建。软件设计有层次分明的模型树，可供用户实现模型对象的组织管理。

（1）铺层织物建模

VT 提供平纹、斜纹、缎纹等典型织物组织，通过定义组织点矩阵，调整经纬纱的上下交织关系，实现二维组织设计向三维纤维级模型的转化。软件支持织物尺寸、纱线截面、纱线间距、纱线内虚拟纤维数量等参数的灵活设置，并可设置铺层层数、层间隙及层间错位距离，构建不同纱线排列和层间配置的织物模型，用于比较组织形式、几何参数及铺层方案变化所对应的结构差异。

（2）异形预制体建模

针对具有转角、分支及连接区域的纺织预制体，VT 提供十字形、T 形、L 形及工字形等典型异形铺层建模功能（图 2）。通过设置构型尺寸、转角半径及铺层参数，可生成包含内部纤维束布局的三维模型，同时呈现预制体的整体外形与局部纱线走向，实现对转角路径、连接区域铺层及层间空间关系的观察与比较，为异形预制体的结构设计提供几何模型。

图 2. 异形铺层结构纤维级模型。

（3）三维机织结构与交织路径设计

VT 支持三维机织织物的组织结构设计与纤维级建模（图 3）。用户可设置纬纱层数/列数、层间距及纱线截面尺寸等参数，通过指定经纱必经点，定义经纱/纬纱交织结构。结合单胞预览，可查看经纱路径及交织关系，将交织方案转化为三维纤维级模型，实现工艺方案的快速设计与精确几何建模。

图 3. 三维机织结构的纤维级模型及交织路径设计界面（左：模型；右：结构预览与路径设计）。

（4）随机纤维毡建模

除规则交织结构外，VT 还支持随机纤维毡建模（图 4）。通过设置模型区域尺寸、纤维数量与半径、长度范围及弯曲参数，可生成具有随机路径的纤维结构。调整建模参数和随机种子，可构建具有不同空间分布特征的织物模型，用于非织造纤维材料的结构描述与几何分析。

图 4. 随机纤维毡模型及参数设置界面。

（5）模型观察与几何检查工具

VT 提供测距、视图剖切、经纬分离显示、分层着色及几何干涉检测等工具，可实现模型尺寸与空间间距的核对，以及内部纤维分布、纱线路径和层间关系的观察（图 5）。通过几何干涉检测，可定位纤维重叠区域，为局部结构检查与几何调整提供依据。

图 5. 织物内部结构及经纬纱分离显示示例。

2.2动态仿真

VT 的动态仿真模块采用位置动力学算法求解器，通过准静态逐步加载，模拟织物在不同加载条件下的结构变形。软件将加载条件设置、变形过程可视化、几何测量与变形构型生成相结合，可观察织物整体形态及内部纱线构型随加载的变化。

（1）仿真前处理与加载设置

VT 可对初始模型中的纤维干涉进行整理，并灵活设置节点集合与边界条件，提供直观的边界条件预览（图6），为后续结构变形分析提供基础。

图 6. 节点集合与边界条件预览。

（2）结构变形仿真

纺织预制体在外部作用下纱线路径、屈曲形态及层间排列会发生相应变化。VT 基于动态仿真求解器模拟织物的变形过程，获取不同加载阶段的结构构型，用于分析内部纤维调整与整体形态变化之间的关系，将织物结构的静态几何描述延伸到动态变形过程。以平面铺层的单轴拉伸为例，可实时观察加载后的纱线路径及位移分布（图 7）。

图 7 . 平面铺层单轴拉伸仿真结果。

（3）结果分析与对比

VT 结合构型对照、位移分布与几何特征测量，可呈现织物在不同加载阶段的整体变形与局部结构变化，并对厚度、纱线屈曲率等特征进行量化，为变形过程分析及不同结构方案的结果对比提供依据。

2.3 几何转换与模型输出

VT 支持将纤维级织物结构转换为适合后续处理与计算的几何或网格模型，并提供 STEP 和 Abaqus INP 文件导出功能（图 8），满足不同结构尺度与分析任务的建模需求。其中，STEP 文件可输出纱线轮廓、三维实体等几何对象，用于后续几何处理；Abaqus INP 文件可输出虚拟纤维网格、纱线包络面网格、实体网格及简化中面网格，为不同层级的有限元分析提供模型基础。

图 8. 纺织结构模型的几何转换及 STEP、Abaqus INP 输出形式。

通过几何转换与模型输出，用户可针对同一织物结构选择不同的几何或网格表达形式，并在外部分析软件中进一步配置材料、接触关系、边界条件及分析步骤，实现织物结构建模与后续仿真分析的衔接。

Virtual Textile v1.0 面向纺织复合材料的结构建模与仿真需求，以虚拟纤维描述织物内部构型，建立工艺参数与几何结构之间的对应关系。软件将参数化建模、结构变形仿真与几何及网格模型输出相结合，可用于不同织物结构及加载条件下的构型分析，为纺织预制体的结构设计、变形行为研究及后续计算提供数字化工具。

天津工业大学复合材料研究院 Virtual Textile 开发团队欢迎纺织材料、复合材料及计算力学等领域的科研工作者积极提出反馈意见，在软件功能需求、应用场景及操作体验等方面与我们展开交流，帮助我们更好地改进这款软件。

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联系人：谢军波

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责任编辑：复小可