TexGen复合材料织物建模：一个高校课题组的工业软件开发故事
关键词：复合材料，立体织物，建模，诺丁汉大学，TexgGen软件
Ps：全文科普写法，复合材料行业外的人也能读懂。
国内一提起开发工业软件，很多人第一感觉就是“高大上”，似乎离自己很遥远。即便是力学相关专业的人，也很少有人萌生自己去开发的想法。
长期以来，大家的主要关注点在“学习使用”国外软件上，稍微高阶点的操作，也不过是搞一些二次开发。
这当然和我们的发展阶段有关系，前20年，航空、航天、土建、机械等行业蓬勃发展，海量的研发科研资金洒下。掌握现有国外商用软件，在有个还不错的学校或者院所平台，就足以去接一堆项目，吃喝不愁。
相比之下自己开发软件，难度高不说，也没有市场，自然没有动力去做。
除此之外，工业软件姓“工”还是姓“软”也是大家的纠结点之一，搞力学、机械的，感觉开发软件不是自己的事情。搞软件工程的，又不了解物理机理。
因此，综合各方面原因，我们天然的就把自己放在了软件使用者的视角上。
实际上，开发工业软件并没有我们想象那么难。至少当我们决定做，就已经成功了不少。一个高校课题组，实质上就具备了开发行业中小型工业软件的基本能力。
本文就以著名的TexGen复合材料立体织物建模软件的故事为例，看看一个高校课题组是如何开发出成功的工业软件的。
1. 立体织物与TexGen
首先简单科普一下立体织物。常用的复合材料构件，被称作“层合板”，它一层一层按照一定的方向铺起来。
这种结构有点很多：设计简单，加工方便。即便没有现代化的铺丝机、热压罐设备，自己剪裁、刷胶、手糊也能制作出很多部件。我在学校读书的时候，基础的拉压弯剪试验件都是自己手搓的。
但是层合板有个巨大力学劣势，就是长期使用后，层与层之间容易脱粘，出现分层现象。
于是，有人就把纺织领域的纺织技术用在了复合材料材料上，通过在厚度方向加入贯穿不同层的纤维束，把不同的层“穿起来”，这样就不容易分层了。于是就有了所谓的立体织物。
2.5D立体织物
由于这个优点，现在最先进的航空发动机上开始使用立体织物复合材料。
纺织属于轻工业，但是复合材料的应用领域很多在航空航天汽车这些重工业领域。因此，立体织物也是轻重工业结合的典范。
立体化的织物，意味着纤维的方向可设计性大大增加。在设计中，织物的建模就成了一个难题。
TexGen软件就是在这个背景下，从90年代末，由英国诺丁汉大学逐渐开发完成。它可以通过简单的界面交互实现织物的快速建模、网格划分，同时也开放了Python二次开发接口供用户进行自定义建模，目前被广泛应用于航空航天、汽车和纺织工业中。
TexGen软件
2. 诺丁汉大学 Andrew Long（安德鲁·朗）教授
Andrew Long 教授是诺丁汉大学复合材料制造领域的顶尖学者（曾任工程学院副院长）。他在 20 世纪 90 年代末前瞻性地意识到，要准确预测复合材料的力学行为，必须先在计算机中精确建立纺织纤维的 3D 几何模型。他是 TexGen 项目的总负责人和历代开发者的导师。
1998 年，在英国工程与物理科学研究理事会（EPSRC）项目的资助下，安德鲁教授启动了该项目。最初的算法和 Version 1 代码由 François Robitaille 博士和 Ben Souter 完成。2002 年，Martin Sherburn （马丁·舍伯恩）在其本科毕业设计中将软件重写为 Version 2。此时，软件仅在研究组内部及少数合作伙伴之间闭源共享。
课题组老板决定了一个课题组的发展方向，是做工业上有用且立马就能用的东西，还是做一个自娱自乐发几篇论文的东西？
高校课题组开发工业软件的第一个条件达成：大老板要搞，并且是真搞。
3. 课题组“大师兄” Martin Sherburn（马丁·舍伯恩）
每个课题组在一定的时期都有一个“大师兄”，大师兄啥都会，代师授艺。马丁就是这样的“大师兄”。
马丁本科阶段就参与了 TexGen v2 的重写工作。在攻读博士期间，为解决早期TexGen的平台架构限制，将 TexGen 完全重构为跨平台、模块化且独立于特定平台的代码，并在 SourceForge 上以 GPL 开源协议正式发布 Version 3。这一举措让 TexGen 的下载量和国际学术影响力爆发式增长。
需要指出的，马丁并不是计算机专业的学生。但是本科阶段具有极强的可塑性，只要具有一定的代码和数理基础，就可以参与到开发工作中了。
我们前面介绍的TexGen功能可以看出，这个软件从技术上来说最根本的就是几何算法：
（1）纤维的截面、方向；
（2）纤维之间的空间关系；
（3）空间的网格离散技术。
高等数学和解析几何知识就可以开发大部分模块了。
有趣的是，马丁博士毕业后并没有继续从事立体织物研究。早在学校期间，他就对游戏开发感兴趣，并一直在以业余身份从事游戏开发工作，学习从零开始制作游戏所需的所有基本技能。
毕业后，马丁决定投身游戏行业。目前在从事计算机系统内核开发和嵌入式系统的开发。
其实科研搞深入了，无非就是道与术，数学、力学是是我们的道。软件开发应用，就是术了。有扎实的“道”，自然可以切换到不同的术。
4. 带娃科研两不误的Louise Brown（路易丝·布朗）
路易丝的经历更为传奇。她本科学习的是机械与复合材料工程。上大学时便开始接触编程，并逐渐对编写软件产生了兴趣，在攻读博士学位期间，她意识到成为一名软件工程师要比成为一名机械工程师更有前途。
早期在诺丁汉大学完成了关于“纤维缠绕工艺”的博士学位，毕业后，她曾在计算机系工作，开发用于工业刺绣机的自动化 CAD 设计工具。
后来女儿出生后，还经历了一次手术。为照顾女儿，路易丝决定在家“兼 职”。
当时她的一位同事曾创办了一家企业，专门开发用于制作十字绣等手工艺品的软件。因此，路易丝度过了一段快乐的时光，期间兼 职编写与编织、梭织花边、拼布相关的软件。
这份工作非常灵活，因此进展得颇为顺利。随后路易丝又找到另一份工作，负责为旅行证件(如护照、旅行文件等)绘制识别图案。然而，不久被裁了。
一个偶然的机会，她看到了一则招聘广告：寻找一位软件工程师来负责管理一个开源软件项目。
该项目就是TexGen。
就这样，整整13年，兜了一圈又回到了科研，回到了读博士学位的复合材料小组。从社会上回到学校，就要搞发 论文、申请基金那一套。当时路易丝没有多少论文，更没有高影响因子的论文。
但是，她长期积累的织物编程技术正是TexGen所需要的。因此她仍然成功申请到了科研基金。这种奇遇在我们这，基本是不可能发生的。
就这样路易丝一边开发TexGen，为 TexGen 引入了 Python API 接口、先进的自动网格划分技术，并重点开发了针对航空航天领域日益复杂的 3D 编织物（3D Weaves）的建模功能。
另外一方面，路易丝给学生教授c语言、Matlab编程等课程，可以说是国际复合材料软件工程界最具代表性的女性科学家之一。
路易丝的经历也反映出高校课题组开发工业软件的一个困境：铁打的软件流水的兵。一个软件如果缺乏长期维护、升级，也是很难发展的。
课题组的人不断的进进出出，未必就刚好有能接的上的人持续进行软件开发。只能迫不得已从外部招聘引入人才。
5. 静界有限元的开发尝试
以前的文章中，我也提到过自研类似于TexGen的工作。作为高校课题组也可以开发出“TexGen”的佐证，我用了几个月的时间，也开发出了针对三维机织、平面机织、机织蜂窝结构建模软件。
我一个人尚且可以做出点东西，我相信，只要大家有决心有动力去做，一定可以在各个行业做出类似“TexGen”的工业软件。
