手搓TexGen—机织复合材料参数化建模技术

我研究生的小方向就是立体织物复合材料。尽管刚毕业改换到CFD领域的工作，但是我仍然对一个东西充满执念。

那就是通过代码参数化生成织物复合材料的细观模型，就像英国诺丁汉大学的TexGen那样。

尽管那时候代码水平还比较基础，但就是这个执念让我不断研究在数值仿真中网格到底应该如何表达，几何如何转换为网格，有了网格应该如何渲染，如何把复杂的织造参数和网格构建联系起来。

限于自身当时的技术能力，利用业余时间，我在一年后才勉强实现了一个简单平面机织的的胞元网格，并且可以导入到ABAQUS中使用。但是代码运行效率很低，更复杂截面和更大尺度无法实现。

因为各种原因，这个工作就此搁置了。

直到前几年，我导师请我帮忙编一个机织材料的性能预测软件。我自觉编程和计算机图形水平提升不少，决定把前面的工作捡起来。

需求牵引，先把最难的参数化建模搞定。

轨迹参数化建模与力学性能预测

用代码做参数化建模最难的在哪呢？

首先是要建立好纱线之间的接触关系，因为这是几何的约束条件。这个约束条件，涉及到经纬纱的截面形状、尺寸、纱线间距。最终得到的基础轨迹线见下图的红线，这个基础轨迹线十分重要，通过旋转、平移就可以获的更大的尺寸和数量。

如果一切都是参数，那么经纱跨过纬纱的个数、穿越的层数都是参数化的，这就要求基础轨迹线的数学表达非常合理且高效。 

第二难点，接截面随轨迹的变化。我们假定截面时时刻刻垂直于当地的轨迹，那就像水管那样，随形而动。

实际上，到了这一步，基础的建模问题就接近解决了。

最后一个难点是三维渲染。最不可小视的就是它，而且这一个应该最先做。如果没有三维渲染，我们在调试代码的时候，就很难发现我们做的模型到底对不对。

注意，我这里是完成了三维渲染，并没有实现三维网格。我当时是想用梁单元预测力学性能，因为我自己编写了梁单元求解器，这样建模、仿真、后处理在我这一个软件就搞定了。尽管再往前走一步就可以得到三维网格了，但是我没继续做。 

实际上纤维束的力学模型天生适合用梁来表达，它的结构形态就是为梁单元而生的，求解效率也会很快。 

然而一个大问题来了，纤维束做梁，那基体怎么处理呢？

身怀利器，杀心自起。我有了梁技术，哪怕削足适履也要把基体搞成梁。于是又一通折腾，搞了个全梁模型：

单从建模效果看，我这个代码效果是不输TexGen的。

开发软件的乐趣就在这，一旦开发出来，就想怎么怎么玩。想算单胞，就算：

想算全尺寸模型就算，多大个事，反正是改个参数的事情。

复杂立体织物三维网格自动划分

完成上面的工作后，我的心结基本消除了。因为我知道，当年那个问题对我来说，不再是技术障碍。

 

本来短期内，也没有继续做下去的打算。毕竟咱自己也没项目，纯发光发热也吃不了饭。每年海量的科研经费，也落不到我等小喽啰身上一分钱。那么多大科学大教授在呢，轮不到咱去力拼一个TexGen出来。

 

直到前几天有人找过来，问能不能做一个特殊的织物结构，自动生成三维网格。

 

我本来不想弄的，但是看完结构以后，心里又痒痒，对这个领域确实很有兴趣。简单纠结一下后，还是决定搞。这把要把三维网格一并搞出来。

 

模型如下，它是用经纬纱织出来一套蜂窝：

如此复杂的模型即便用TexGen也是很难创建成功。立体织物说回单胞，都知道周期性的，似乎只要周期性排列就能创建全尺寸模型。

但是，一旦模型里面存在不同的胞元，胞元和胞元之间的对接就成了大问题。

所以必须要解决旋转、不同胞元之间的对接问题。至于三维网格，倒不是大事，我们上面基于截面扫掠思路得的的三维渲染，稍微改进一下就能得到三维网格了。

基体的网格，我们采用了体素的思路，简单讲就是从一堆网格里面抠出来。

至此，我们基本走完了参数设计、建模、网格化的完整技术路线，也可以说掌握了TexGen的基本技术方法。

未来

未来，如果没有项目牵引的话，应该也不会主动往下做。毕竟没那么多时间发光发热。