CN104376155A - 微桁架结构设计平台及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微桁架结构设计平台及其设计方法，所述设计平台包括微桁架单元库构造模块、构造内部结构模块和三维实体模型成形模块；所述微桁架单元库构造模块构造微桁架单元库；所述构造内部结构模块根据设计的三维实体表面模型数据，构造其内部微桁架结构实体；所述三维实体模型成形模块检测微桁架结构并生成三维实体模型，采用激光烧结技术构造对应的物理模型。采用本发明可以很容易获得各种内部结构不同、性能满足要求的微桁架结构。

Description

微桁架结构设计平台及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种微桁架结构设计平台及其设计方法。

背景技术

微桁架结构是一个近些年提出的概念，2000年左右，国外知名学者Evans教授、Ashby教授、Gibeon教授等通过模拟宏观桁架结构和微观分子点阵仿真结构而提出了一种命名为“类桁架”的结构。这种结构外观上类似建筑用桁架结构，但是尺寸上小得多，适合应用于航天器、医疗器材等高精密度仪器设备，因此也被称为“微桁架结构”。这类结构大的空穴率和开孔设计，增加了散热面积并且有利于对流，更具有高比强度、高比刚度、较好的力-热耦合结构和吸能、超轻、节约材料等优点，能够满足特殊工业对超轻结构设计和多功能性的要求。

国内外对微桁架结构的研究主要集中在力学领域，但航天器、医疗器材等高精密度仪器设备对所用材料的密度、强度、吸能、吸噪等性能方面，要求严格，而且需要材料能随着环境、领域等的变化而变化，这就要求材料能动态的满足用户的不同需求。如果能够通过改变实体模型的内部组织结构，从而改变物理模型的力、热学性能，并建立微桁架结构和性能映射关系，那么在航空、医学等需要特别考虑材料–力学性能的领域，就可以产出符合用户需求的力学、热学性能的微桁架结构，这也是智能制造领域研究的新方向。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提出一种微桁架结构设计平台及其设计方法。本发明通过改变微桁架结构从而改变物体的内部组织，提供符合用户需求的力学、热学性能的微桁架结构。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种微桁架结构设计平台，包括微桁架单元库构造模块、构造内部结构模块和三维实体模型成形模块；所述微桁架单元库构造模块构造微桁架单元库，定义微桁架单元的数据结构，确定微桁架单元的结点、边的空间拓扑关系：确定微桁架单元结构包含哪些结点及其边的连接关系，规定对应对称节点之间存在空间对称关系，确定边的默认形状和默认尺寸，规定边与边之间用球形连接；所述构造内部结构模块根据设计的三维实体表面模型数据，构造其内部微桁架结构实体；所述三维实体模型成形模块检测微桁架结构并生成三维实体模型，采用激光烧结技术(SLS),构造对应的物理模型。

一种微桁架结构的设计方法，包括以下步骤：

(1)根据组件形状和具体要求进行微桁架结构单元设计；

(2)进行单元结构优化；

(3)根据设计交互原则进行可视化设计；

(4)进行结构定义；

(5)检测微桁架结构；

(6)用CAD生成模型；

(7)对结点处的边模型进行布尔运算；

(8)生成三维模型生成；

(9)工艺规划并使用激光烧结技术生成物理模型。

本发明的有益效果：

(1)在微桁架结构单元设计时，系统定义的单元库存储的是自定义的桁架结构单元，用户可根据需求自定义并调整桁架单元，从而得到最终物理模型的力、热学性能等。

(2)构造三维实体内部结构时，用户输入G空间，用户自定义设计要求，自动将空G间分解成同一规格的尺寸单元，并且分解后的单元是可以调整的。

(3)可以根据给定的实体表面模型和微桁架结构单元，生成三维实体模型，给予用户直观体验，方便直接测试相关性能。

(4)最终成形的实体内部是蜂窝状结构，根据受力分布合理分配桁架的规格、疏密，能够快速成形，节省大量的造价昂贵的高端材料。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明中4种微桁架结构。

图4为本发明中的球形连接示意图。

图5为本发明中微桁架结构结点-边示意图。

图6为本发明中调整前结构单元示意图。

图7为本发明中调整后结构单元示意图。

图8为本发明中结点处的空间布尔运算示意图。

图9为本发明中CAD模型示例。

图10为本发明中空间单元模型示例。

图11为本发明中具有微桁架结构单元的实体模型。

图12为本发明中物理模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明说明书中的附图，对本发明技术实施方式进行清楚、详细地描述。本发明所描基于本发明中的关键技术，在本领域普通技术人员在没有做出创性劳动前提下而获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。本发明微桁架结构设计平台微桁架单元库构造模块、构造内部结构模块和三维实体模型成形模块。如图1所示。

所述微桁架单元库构造模块进行微桁架结构单元库的设计，它包含两个方面，微桁架结构的设计和微桁架结构单元的定义。微桁架结构的拓扑构型主要有4种，分别是八面体、四棱锥、Kagome结构和四面体结构，如图3所示。

微桁架结构设计主要内容是该桁架结构的结点、边的空间拓扑关系，具体是指：

(1)该结构单元包含哪些结点及其边的连接关系。

(2)规定对应面的结点之间存在空间对称关系。

(3)边的截面的默认形状和默认尺寸。

(4)边-边连接处的形状，一般定义为球形连接，球形连接如图4所示。

微桁架结构单元库存储所有的自定义桁架结构单元。每个桁架单元包含结点与结点定义的桁架结构单元和支架与连接结点的边和桁架结构的性能三个部分。结点与结点定义的桁架结构单元的详细属性是：位置表示结点的(X,Y,Z)坐标，类型表示结点间的连接类型，一般采用球体连接、尺寸表示结点的大小、是否落在边界上表示该结点是否为边界结点和其他属性。支架与连接结点的边的详细属性是：结点ID表示连接的结点ID值，内部结点表示两边界结点之间如何插值，类型表示结点连接的断面类型，如圆、矩形等，尺寸表示支架的尺寸大小，根据不同的类型，可能包含多个自定义参数，其他属性。性能即桁架结构的性能包括力学性能、拉伸强度等。

桁架结构单元库存储桁架结构单元，构造桁架结构单元库需要将用户输入的几何数据转换为桁架结构单元。转换的形式如下：几何数据——记为G,G定义了包含微桁架结构的外部形状，几何数据可以来源于任何CAD程序，但要求G为STL格式；设计要求——P(x,y,z)，该函数表示G内部某点的设计性能(如压力性能)，来源于用户输入或FFA分析工具；桁架类型——T(x,y,z)定义了(x,y,z)处的桁架类型；蒙皮数据——记为S，该结构定义了三维实体的表面。

构造内部结构模块构造三维实体的内部结构，生成内部结构的拓扑分为三个子模块实现，分别是单元生成、尺寸调整、采用微桁架结构填充单元这三个模块。

单元生成模块是指要将用户输入的G空间分解成同一规格的尺寸单元。根据设计要求P(x,y,z)，桁架结构单元的性能及其尺寸，生成空间微桁架结构单元；尺寸调整模块是指细胞单元生成以后，如果某一单元并不能满足设计需求，可以根据设计要求增大(缩小)尺寸来改变其性能；采用微桁架结构填充单元模块是指根据设计要求(力学性能)，d、c处受力较小，则扩大桁架结构单元，而对于边界处的结构单元，当截面尺寸小于标准尺寸￡(一般为标准单元的三分之一)，删除该结构单元；否则，在该处插入一个桁架结构单元，调整前的结构单元示意图如图6所示，调整后的结构单元示意图如图7所示。采用微桁架结构填充单元模块存在两个需要解决的技术问题，一是在边界单元中重塑桁架结构，二是如果两个邻接的桁架结构在连接处不连续，那就需要在它们之间产生一个连接单元。

三维实体模型成形模块的主要技术是三维模型的构造。

这个阶段的主要技术是根据桁架结构单元和蒙皮数据S生成具有微结构的三维实体模型，重点是结点处的布尔运算，根据空间桁架单元和桁架结构，生成的三维模型在结点出相互叠加，同一结点处的边模型需要进行布尔运算，如图8所示，该模型格式为STL。如果想提高效率，还可选择的操作是在SLS仪器上采用一个新的切片程序，该切片程序处理的数据直接来源于生成的微结构实体模型。

用户根据具体需求确定桁架结构，得出一种CAD模型，如图9所示，再根据给定CAD模型和微桁架结构，生成空间单元模型，如图10所示，结点处采用布尔运算，生成图11所示三维模型，最后采用激光烧结技术(SLS)生成对应的物理模型如图12所示。

Claims (5)

1.一种微桁架结构设计平台，其特征在于：   包括微桁架单元库构造模块、构造内部结构模块和三维实体模型成形模块；所述微桁架单元库构造模块构造微桁架单元库，定义微桁架单元的数据结构，确定微桁架单元的结点、边的空间拓扑关系：确定微桁架单元结构包含哪些结点及其边的连接关系，规定对应对称节点之间存在空间对称关系，确定边的默认形状和默认尺寸，规定边与边之间用球形连接；所述构造内部结构模块根据设计的三维实体表面模型数据，构造其内部微桁架结构实体；所述三维实体模型成形模块检测微桁架结构并生成三维实体模型，采用激光烧结技术(SLS),构造对应的物理模型。

2.根据权利要求1所述的微桁架结构设计平台，其特征在于：所述微桁架单元库构造模块中每个桁架单元所包含的信息如下：首先是结点–结点定义桁架结构单元：(1)位置–结点的(X, Y, Z)坐标，(2)类型–结点间的连接类型，一般采用球体连接，(3)尺寸–结点的大小，(4)是否落在边界上–该结点是否为边界结点，(5)其他属性；其次是支架–连接结点的边：(1)结点ID–连接的结点ID值，(2)内部结点–两边界结点之间如何插值，(3)类型–结点连接的断面类型，(4)尺寸–支架的尺寸大小，根据不同的类型，可能包含多个自定义参数，(5)用户自定义类型；最后性能指的是–桁架结构的性能，包括力学性能、拉伸强度。

3.根据利要求1所述的微桁架结构设计平台，其特征在于：所述构造内部结构模块包含单元生成、尺寸调整、采用微桁架结构填充单元三个模块。

4.根据利要求1所述的微桁架结构设计平台，其特征在于：所述三维实体模型成形模块进行结点处的布尔运算，根据空间桁架单元和桁架结构，生成的三维模型在结点出相互叠加，同一结点处的边模型需要进行布尔运算。

5.一种微桁架结构的设计方法，包括以下步骤：

（1）根据组件形状和具体要求进行微桁架结构单元设计；

（2）进行单元结构优化；

（3）根据设计交互原则进行可视化设计；

（4）进行结构定义；

（5）检测微桁架结构；

（6）用CAD生成模型；

（7）对结点处的边模型进行布尔运算；

（8）生成三维模型生成；

（9）工艺规划并使用激光烧结技术生成物理模型。