木木的文章被接收啦！从拓扑到三维几何的织物细观建模（论文解读）

今天给大家分享一篇近期的研究工作：

《Design and implementation of a textile meso-scale geometry modeling module within an open-source FEM platform (OPFEM)》

这也是木木最近发表的一篇文章~

自去年九月份来到了宁夏大学胡衡教授团队，木木在黄威老师的指导下，围绕纤维增强复合材料细观建模问题开展了一系列研究工作。

本篇文章主要聚焦于：

• 基于 PythonOCC 的几何建模实现
• 多层织物结构的细观几何建模中的纤维束嵌套问题
• 几何模型结构化网格划分技术
• 面向开源有限元平台（OPFEM）的模块化架构设计

通过将几何建模、算法设计与软件架构相结合，构建了一个可扩展的织物细观建模模块，为后续的有限元分析提供基础支撑。

接下来让木木为大家介绍一下这篇文章吧~

文章介绍

为什么要做这项工作

纤维增强复合材料的重要性就不用过多介绍了，要准确分析这类材料的力学行为，离不开对其细观结构的精确建模，把纱线怎么交织、怎么排列、形状是什么样的，都精准地还原出来。

目前学界已有 TexGen、WiseTex 等成熟的细观建模工具，但它们大多诞生于2000年代初，软件架构设计方面的关注相对有限。随着建模需求越来越复杂，软件的可扩展性和可维护性就成了一个真实的瓶颈。

本文的出发点正是在这里：不只是做建模算法，更要把软件架构做好。

整体架构

本工作在开源有限元平台 OPFEM （我们团队的工作，不久后将正式开源在GitHub社区）的基础上，开发了一个专用的织物细观几何建模模块。整个模块采用三层架构设计：

• UI 交互层：接收用户输入的织物类型、编织参数等配置；
• 文档管理层：作为整个建模过程的协调核心，统一管理中间数据和服务调用；
• 功能层：按顺序执行拓扑 → 路径 → 截面 → 几何四个子步骤，最终生成三维纱线实体。

 

这种设计的好处在于：各层职责明确，模块之间低耦合，后续增加新的织物类型或建模算法时，不需要大幅改动已有代码。

上面所述的架构设计内容，可能猛一听感觉专业性太强，不过不要紧，木木现在正在学习软件架构设计，目的就是如何设计出一款用户交互界面友好、可维护性强的CAE软件，后面也会把这些学习过程中的一些理解和经验，慢慢分享给大家，一起交流。

建模流程

第一步：拓扑层

用户首先定义编织模式（WovenPattern），本质上是一个二维网格，每个格点记录了纱线从上到下的叠层顺序。例如，某格点的叠层序列是 [6, 1, 2, 3, 4, 5]，就说明纱线6在最上层，其余依次向下。

 

基于这张"拓扑表"，系统为每根纱线生成其拓扑路径，再将拓扑信息映射到三维空间中的控制节点，用于后续路径的生成。

第二步：路径层

有了控制节点，路径层用自然三次样条插值拟合出纱线的中心线曲线。

第三步：截面层

沿路径方向，在每个主控节点处定义截面（支持椭圆、圆形、菱形、矩形及自定义形状），并通过插值将截面属性连续传播到路径上的采样点。每个截面都建立了局部正交坐标系，确保截面始终与路径切线垂直，避免三维空间中的扭转变形。

 

第四步：几何层——生成三维实体，并智能缓存

最终，几何层将截面按照路径进行放置，通过放样操作生成三维纱线实体。

整个织物结构则通过平移复 制进行周期性扩展，高效生成完整模型。

 

多层织物嵌套问题处理

在真实织物中，经纬纱交织区域往往存在明显的厚度压缩，导致建模时纱线实体之间出现几何穿透。这在物理上是不合理的，也会使后续有限元计算出错。

本文提出了一种基于几何交线提取+切割曲面构建+布尔分割的处理方法：先计算两个相互穿透的纱线实体之间的交线，再以该交线为边界构造切割面，最后通过布尔运算将穿透区域切开、重新拼合，恢复物理上合理的接触关系。

从最简单的两根纤维束的相交问题开始，扩展至单胞体内纤维束的相交，最后再到多层织物的嵌套。

 

 

 

由于篇幅原因，具体相关的描述就不在这里展开了，可直接阅读论文中的相关章节。

结构化网格划分

几何模型建完之后，模块内置了结构化网格生成功能。具体做法是：在纱线截面上生成四边形+三角形混合的平面网格，再沿路径方向逐层拉伸，得到六面体+三棱柱混合的三维有限元网格。

 

网格的层数和截面方向的离散点数可根据目标单元尺寸自动确定，保证单元形状质量。

小结

这篇工作是在开源有限元平台 OPFEM 上，以"软件架构优先"为理念，构建了一个分层解耦、可扩展的织物细观几何建模模块，覆盖了从编织拓扑定义到三维网格生成的完整流程。

欢迎感兴趣的同学留言交流，也欢迎关注后续的更新！

引用

如果这项工作对你有所帮助，欢迎在后续研究中引用，也算是对木木和团队工作的一个支持：

1. Yang, Lixiang, et al. "Design and implementation of a textile meso-scale geometry modeling module within an open-source FEM platform (OPFEM)." Composites Part C: Open Access (2026): 100713.
2. Huang, Wei, et al. "OPFEM: architectural design and implementation of a CAE software for finite element modeling and simulation." Acta Mechanica Sinica 42.2 (2026): 425450.

期刊介绍

这里也简单介绍一下本文发表的期刊Composites Part C: Open Access。

该期刊是 Elsevier 旗下复合材料领域的重要期刊之一，同时也是 Composites Part A、Part B 以及 Composite Structures 的姊妹刊，主要关注复合材料结构、多功能复合材料以及可持续复合材料等方向的研究工作 。

从影响力来看，该期刊近年来发展较快，目前影响因子为 7.0，并且呈现出持续上升趋势，在复合材料与力学相关领域中具有较强的学术影响力 。根据2026年的中科院分区（新锐分区），该期刊属于大类二区。

木木的课题组

木木目前在宁夏大学胡衡教授课题组学习与开展研究工作，课题组目前主要围绕以下几个方向展开：

1. CAE软件开发
2. 薄壁复合结构
3. 多尺度建模与仿真
4. 数据驱动计算力学
5. 量子计算

整体来看，既有工程应用导向的问题，也有偏前沿的交叉研究方向，对想做科研、写代码、搞算法的小伙伴来说还是很有意思的。