CN108351906B - 用于具有晶格结构的部件的建模的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于具有晶格结构的部件的建模的方法以及对应系统和计算机可读媒体。方法包含接收待制造的物体的模型(205)。所述方法包含接收所述模型内的空隙区域的用户规范以创建晶格(210)。所述方法包含执行微调操作以通过棋盘形铺嵌空隙表面以及将待处理为单个实体的至少一排连接杆分组在一起来创建微调后晶格(215)。

Description

用于具有晶格结构的部件的建模的系统和方法

技术领域

本公开大体上涉及计算机辅助设计、可视化和制造系统（“CAD”系统）、产品生命周期管理（“PLM”）系统以及管理产品和其它物品的数据的类似系统（统称为“产品数据管理”系统或PDM系统）。

背景技术

PDM系统管理PLM和其它数据。需要改进的系统。

发明内容

各种公开的实施例包含用于具有晶格结构的部件的建模的系统和方法以及对应系统和计算机可读媒体。方法包含接收待制造的物体的模型。所述方法包含接收模型内的空隙区域的用户规范以创建晶格。所述方法包含执行微调操作以通过棋盘形铺嵌空隙表面以及将待处理为单个实体的至少一排连接杆分组在一起来创建微调后晶格。

前文已相当广泛地概述了本公开的特征和技术优势，使得本领域技术人员可以更好地理解以下具体实施方式。下文将描述形成权利要求书的主题的本公开的额外特征和优点。本领域技术人员应了解，所公开的概念和特定实施例可易于用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还将认识到，此类等效构造并未脱离最广泛形式的本公开的精神和范围。

在下文进行具体实施方式之前，可能有利的是阐述在整个此专利文献中使用的某些单词或短语的定义：术语“包含”和“包括”以及其派生物表示包含但不限于；术语“或”是包含性含义和/或；短语“与……相关联”和“与其相关联”以及其派生物可以表示包含、包含在……内、与……互连、含有、含于……内、连接到……或与……连接、耦合到……或与……耦合、可与……连通、与……合作、交错、并置、接近于……、结合到……或与……结合、具有、具有……的特性，或其类似者‘以及术语“控制器”表示控制至少一个操作的任何装置、系统或其部分，无论此装置在硬件、固件、软件还是其中至少两个的某种组合中实施。应注意，无论本地地还是远程地，与任何特定控制器相关联的功能性都可以是集中式的或分布式的。在整个此专利文献中提供某些词和短语的定义，并且本领域技术人员将理解，此类定义在许多（如果不是大多数）情况下应用于此类定义单词和短语的先前以及未来的使用。尽管一些术语可以包含各种实施例，但是所附权利要求书可以明确地将这些术语限制到具体实施例。

附图说明

为了更全面地理解本公开及其优点，现参考结合附图进行的以下描述，其中相同参考数字表示相同物体，并且其中：

图1说明其中可以实施实施例的数据处理系统的框图；

图2说明根据所公开实施例的过程的流程图；以及

图3A到3E说明根据所公开实施例的用于创建具有晶格的部件的步骤。

具体实施方式

下文论述的图1到3E，以及在此专利文献中用来描述本公开的原理的各种实施例仅借助于说明，而不应以任何方式理解为对本公开的范围的限制。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当地布置的装置中实施。将参考示例性非限制性实施例描述本申请案的多种创新教示。

增材制造使得能够制造具有内部晶格结构的产品，所述晶格结构是替代固体体积的网格状图案形状的重复布置。具有晶格的产品展示以下优点：具有较低质量的高结构强度、增强的冷却、振动/声学/冲击能量衰减、整形外科植入体生物集成，并且因此在跨越航空、汽车、发电、工业机械设备和保健的若干应用中高度需要。

在制造含有晶格的部件之前，可能重要的是创建此类产品的计算机辅助设计（CAD）模型以使所述产品视觉化，评估产品的物理特性，例如重量，或使用有限元分析（FEA）或相关计算机辅助工程（CAE）分析技术分析结构特征。随后，已将部件已设计成满足功能和其它设计需求之后，计算机辅助制造系统必须能够直接计算CAD模型上的层片和工具路径。

商业CAD系统缺乏在实体CAD模型中创建晶格结构的足够支持。

所公开的实施例包含创建晶格结构并且以计算高效的方式执行建模、模拟和制造功能所需的新形状数据表示和方法。所公开实施例包含用于具有晶格结构的部件的计算机辅助设计的可扩展惰性求值方法。

图1说明其中可以实施实施例的数据处理系统的框图，例如，作为具体来说通过软件或以其它方式配置的PDM系统以执行本文所描述的过程，并且具体来说作为本文所描述的多个互连和通信系统中的每一个。所描绘的数据处理系统包含连接到二级高速缓冲存储器/桥接器104的处理器102，所述二级高速缓冲存储器/桥接器进而连接到本地系统总线106。本地系统总线106可以是例如外围组件互连（PCI）架构总线。主存储器108和图形适配器110还连接到所描绘实例中的本地系统总线。图形适配器110可以连接到显示器111。

其它外围设备，例如局域网（LAN）/广域网/无线（例如，WiFi）适配器112还可以连接到本地系统总线106。扩展总线接口114将本地系统总线106连接到输入/输出（I/O）总线116。I/O总线116连接到键盘/鼠标适配器118、磁盘控制器120和I/O适配器122。磁盘控制器120可以连接到存储装置126，所述存储装置可以是任何合适的机器可用或机器可读存储媒体，包含但不限于非易失性的硬编码类型媒体，例如只读存储器（ROM）或可擦除电可编程只读存储器（EEPROM）、磁带存储装置；以及用户可记录类型媒体，例如软盘、硬盘驱动器和光盘只读存储器（CD-ROM）或数字通用光盘（DVD），以及其它已知光学、电气或磁性存储装置。

音频适配器124还连接到所示实例中的I/O总线116，扬声器（未示出）可以连接到所述音频适配器以用于播放声音。键盘/鼠标适配器118提供用于指向装置（未示出），例如鼠标、轨迹球、轨迹指示器、触摸屏等的连接。

本领域技术人员将了解，图1中所描绘的硬件可以针对特定实施方案改变。例如，另外或代替所描绘硬件，还可以使用其它外围装置，例如光盘驱动器等。所描绘实例仅出于说明的目的提供并且并不旨在暗示相对于本公开的架构限制。

根据本发明的实施例的数据处理系统包含采用图形用户接口的操作系统。操作系统允许多个显示窗同时呈现在图形用户接口中，其中每个显示窗将接口提供到不同应用或相同应用的不同例子。图形用户接口中的光标可以通过指向装置由用户控制。可以改变光标的位置和/或生成事件，例如点击鼠标按钮以致动所需响应。

如果适当地进行修改，可以采用不同商业操作系统中的一个，例如MicrosoftWindows™的版本，即，位于华盛顿雷德蒙德的微软公司的产品。如所描述，根据本公开修改或创建操作系统。

LAN/WAN/无线适配器112可以连接到网络130（不是数据处理系统100的一部分），所述网络可以是任何公共或私有的数据处理系统网络或本领域技术人员已知的包含因特网的网络的组合。数据处理系统100可以通过网络130与服务器系统140通信，所述服务器系统也不是数据处理系统100的一部分，但是可以例如实施为单独的数据处理系统100。

商业CAD系统中的晶格建模通常已使用本机边界表示（BRep）CAD功能性完成。此类方法具有多个缺点，包含但不限于需要大量计算和费力。存在用于晶格建模的独立商业应用，但所述独立商业应用还具有多个缺点，包含但不限于不与CAD系统集成，这由此限制其在典型的设计过程中的用途。基于多边形的建模、基于隐式表面的建模以及程序建模技术已在学术文献中呈现，但还具有多个缺点。例如，这些技术不考虑用于创建具有晶格的部件所必需的典型建模功能，并且仅集中于特定的方面。这些技术都没有解决含有数百万个晶格支柱或单元的高密度晶格，并且因此不可扩展。

所公开实施例考虑如由在杆接合点处具有任选球形球体的通用圆柱形杆的布置所定义的杆晶格表示。杆的形状和截面大小可以是恒定的、由用户定义、由某一函数定义，或以其它方式定义。在一些实施例中，杆布置可以根据坐标系对准，所述坐标系可以是轴对准的、圆柱形的、球形的以及甚至翘曲的。

使用如本文所公开的技术，终端用户可以创建由数百万个杆组成的非常高密度的晶格。高密度晶格的完全实例化表示将对设计系统呈现大量挑战。

所公开实施例包含用于设计具有晶格结构的部件的系统和方法，其中晶格几何形状仅在需要的位置（本地实例化）和需要时（“惰性”求值）实例化。晶格本身通过一小组参数定义，例如，杆密度（在给定方向上的杆的数目）、杆布局坐标系（轴对准、圆柱形等）和杆厚度。

所有晶格杆的表面通常不同时实例化。仅一小组杆的表面实例化，或杆的等效减少的次序表示（例如，用于可视化的线、用于FEA的梁单元）用于计算。

晶格进行微调，使得仅空隙区域内的杆考虑用于设计和制造。

除了将晶格微调到模型的所需子区域之外，所公开实施例还包含用于使用惰性求值方法设计具有晶格的部件所需的代表性和建模操作的技术，例如，使微调后晶格可视化、计算质量特性，例如重量、执行FEA以及执行计算机辅助制造操作，例如切割。

图2说明根据所公开实施例的过程的流程图。图3A到3E说明根据所公开实施例的在创建具有晶格的部件时使用并且用于说明图2的过程的步骤。

图2的过程可以例如通过CAD、PDM或如本文所描述的下文一般称为“系统”的其它数据处理系统执行。此过程可以将如本文所描述的“惰性”求值技术用于建模功能中的一个或多个中。

系统接收待制造的物体的模型（205）。在大多数情况下，物体将使用增材制造技术制造。如本文所使用，接收可以包含从存储装置加载、从另一装置或过程接收、通过用户接收以及与用户交互，或以其它方式。

系统接收模型内的用户规范以创建晶格以及指定其它晶格参数（210）。这通常通过挖出模型内的区域完成。被称为“空隙”的此中空区域将包含晶格。图3A示出将在具有轴对准布局的整个内部区域内创建的具有晶格的部件300。图指示晶格杆301中的一些位于空隙内，一些杆302与空隙表面相交并且部分位于内部，并且一些杆303完全位于外部。位于外部的杆303与设计不相关，而其它杆与设计相关。将哪些杆完全位于内部分类以及针对部分位于内部的那些杆寻找与空隙表面的交叉点是实施例中的一个实施例解决的需要大量计算问题。系统可以将晶格创建为由在杆接合点处具有任选球形球体的通用圆柱形杆的布置所定义的杆晶格表示。

系统执行微调操作（215）。微调是用于晶格建模功能中的基本操作，并且因此其性能尤其对于高密度晶格是优选的。

系统棋盘型铺嵌空隙表面以创建临时三角形网格表示。另外，系统创建三角形网格的八叉树表示以加速微调操作。

随后，代理独立地处理每个杆区段，系统沿着特定方向将整排连接杆分组在一起并且将其处理为单个实体。除了其它优点之外，此方法显著地减少计算时间以及存储器消耗。基于八叉树的射线网格交叉算法可以用于确定杆的哪些区段位于空隙内。必要时，系统可以存储晶格杆与空隙表面之间的交叉点。例如，这将用于有限元分析（FEA）中以创建合适的有限元来连接属于部件的其余部分的其它有限元。

基于惰性求值的微调操作的输出是合适的几何形状表示或可以用于实时地执行核心设计和制造操作，而不生成整个微调后晶格的完整几何表示的信息。例如，微调操作可以用于核心设计功能中，包含但不限于，可视化、质量特性评估、有限元分析和制造。

例如，系统再现模型（220）。再现晶格向设计者提供对部件形式的关键视觉了解。在已执行微调之后，沿着位于空隙中的杆的每个区段可以显示为单个线段。此外，可以示出在给定观察体积内的线的子集以进一步改进可视化性能。图3B说明微调后晶格310的再现。图示出应用计算高效算法来确定位于空隙内部的杆301以及部分位于内部的那些杆302的结果，因为其与设计有关。图还示出用于部分位于内部的那些杆的微调杆，从而指示那些杆与空隙表面的交叉点的计算。对于可视化，微调杆被再现为线段。

在另一实施例中，系统分析模型或晶格的质量特性（225）。作为此步骤的一部分，系统可以执行质量特性计算。例如体积和重量的质量特性是在晶格特征正用于减少部件重量时应尤其检验的部件的重要特征。

如在微调操作中呈现，系统可以棋盘形铺嵌空隙的表面以创建临时三角形网格表示。另外，系统可以创建三角形网格的八叉树表示以加速微调操作。系统可以在一排杆上使用基于八叉树的射线网格交叉算法来确定相关区段。

随后，体积/重量计算可以如下与微调交错：

（a）对于每个区段，系统可以计算杆的体积。当杆具有恒定半径时，使用用于圆柱体的公式（V=π*r2*L）计算体积，其中r是杆的半径并且L是区段的长度。当杆具有可变截面时，随后通过数值上执行积分∫A(l)计算体积，其中A(l)是位置l处的截面并且0<=l<=L，L是杆区段的长度。此方法还允许具有孔的截面。重要可以计算为V*d*g，其中V是区段的体积，d是材料的密度，并且g是重力常数。

（b）系统可以在三个坐标方向上针对每一排杆重复步骤（a）。系统随后可以将体积和重量求和以确定整个晶格的特性。在此方法中，在各个实施例中，晶格表面的几何形状从不实例化，并且杆区段的微调端点不进行存储，因此节约高密度晶格的存储器消耗。

在不同实施例中，系统对模型或晶格执行有限元分析（FEA）（230）。FEA用于分析部件在物理条件下的行为。例如，在确定部件是否可以在操作期间承受预期负载时，结构分析可能是关键的。结合重量计算的FEA使设计者能够在创建具有晶格的轻型部件时分析强度-重量比率。基于FEA的拓扑优化还有助于晶格密度的最小化。

如上所述，系统可以微调晶格。系统可以存储位于空隙区域内部的杆区段的所有微调端点。随后，如下创建具有晶格的部件的减小次序FEM。

（a）对于每个杆区段，系统可以在个别杆端处以及在部件表面上的微调点处创建具有节点的1D梁单元。

（b）系统可以创建周围空隙区域（例如外壳）的3D四面体（或等效）网格，使得来自1D模型中的微调端点的节点被包含为四面体单元中的一些四面体单元的节点。这可以例如使用商业软件包，例如西门子产品生命周期管理软件有限公司（德克萨斯兰诺市）的NX CAE软件来执行。这创建部件和晶格两者的保形有限元模型（FEM）。

（c）系统随后可以使用标准CAE功能对保形FEM执行FEA。图3C说明还保形地与部件的其余部分连接的晶格的有限元表示320。在本发明的实施例中的一个中，计算出的微调晶格杆随后转换成梁有限元以执行FEA。图3D示出在具有晶格的部件上执行FEA的结果330。

在另一实施例中，系统产生制造模型以及对应于模型和晶格的指令（235）。为了制造具有晶格的部件，第一步骤是计算与切片平面的交叉，其中每一切片表示待沉积的材料层。

如上所述，系统可以通过棋盘形铺嵌部件表面以创建临时三角形网格表示。另外，系统可以创建三角形网格的八叉树表示。系统可以在一排杆上使用基于八叉树的射线网格交叉算法来确定相关区段。随后，用于计算单个切片的惰性求值如下：

（a）对于每个区段，系统可以确定端点是否位于切片平面的相对侧上。如果是，则实例化杆的三角形网格表示以表示相关杆区段并且计算杆与平面的交叉曲线。如果两个端点位于平面的相同侧上，则检查端点中的任一个是否以一定距离靠近杆的半径。如果符合此条件，则实例化杆并且计算交叉曲线。

（b）系统可以在三个坐标方向上对于每排杆重复步骤（a）并且存储交叉曲线。

（c）在切割平面上执行所有交叉曲线的2D布尔并集。这可以通过直接几何操作，或通过将切片格栅化到二值图像中并且提取边缘曲线来完成。

（d）计算切片上的工具路径并且创建G代码。

图3E说明创建层切片340以及产生制造指令。图示出在具有微调后晶格的部件上执行制造处理操作的结果。微调杆不进行存储，并且实际上对杆执行切割且切割的结果用于产生制造指令。

当然，本领域技术人员将认识到，除非具体来说通过操作序列指示或操作序列需要，否则上述过程中的某些步骤可以省略、同时或依序执行，或以不同次序执行。

本领域技术人员将认识到，为简单和清楚起见，本文中不描绘或描述适合与本公开一起使用的所有数据处理系统的完整结构和操作。替代地，仅描绘和描述了对本公开唯一的或对本公开的理解必需的那些数据处理系统。数据处理系统100的构造和操作的其余部分可以符合本领域中已知的不同当前实施方案和惯例中的任一个。

重要的是应注意，尽管本公开包含在全功能系统的上下文中的描述，但是本领域技术人员将了解，本公开的结构的至少部分能够采用包含在呈各种形式中的任一个的机器可用、计算机可用或计算机可读媒体内的指令形式为分布式的，并且不管用于实际上执行分布的承载媒体或存储媒体的特定类型的指令或信号如何，本公开同样适用。机器可用/可读或计算机可用/可读媒体的实例包含：非易失性硬编码类型媒体，例如只读存储器（ROM）或可擦除电可编程只读存储器（EEPROM），以及用户可记录类型媒体，例如软盘、硬盘驱动器和光盘只读存储器（CD-ROM）或数字通用光盘（DVD）。

尽管已详细地描述本公开的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其最广泛形式的本发明的精神和范围的情况下可以做出本文所公开的各种改变、替代、变化和改进。

本申请案的说明书均不应被解读为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须包含在权利要求书范围中的基本元件：被授予专利权的主题的范围仅由所允许的权利要求书界定。此外，这些权利要求书无一打算援引35 USC §112(f)，除非准确词“用于……的构件（means for）”后跟随分词。例如但不限于“机构”、“模块”、“装置”、“单元”、“组件”、“元件”、“部件”、“设备”、“机器”、“系统”、“处理器”或“控制器”的术语在权利要求书中的使用被理解为并且预期指相关领域技术人员已知的如通过权利要求书本身的特征进一步修改或增强的结构，并且不打算援引35 U.S.C.§112(f)。

Claims (18)

1.一种用于具有晶格结构的部件的建模的方法，所述方法通过数据处理系统执行并且包括：

接收待制造的物体的模型：

接收所述模型内的空隙区域的用户规范以创建晶格；其中将晶格创建为由在杆接合点处具有通用圆柱形杆的布置所定义的杆晶格表示；以及

执行微调操作以通过棋盘形铺嵌空隙表面以及将待处理为单个实体的至少一排连接杆沿着特定方向分组在一起来创建微调后晶格；

其中所述系统在连接杆上使用基于八叉树的射线网格交叉算法来确定连接杆的哪些区段位于空隙内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统再现所述微调后晶格。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统还分析所述模型或晶格的质量特性。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述系统计算所述晶格的多个杆中的每一个的体积和重量。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述系统分析所述晶格的质量特性，而不实例化所述晶格的表面。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统对所述模型或晶格执行有限元分析（FEA）。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述系统创建所述部件和所述晶格的保形有限元模型。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统产生制造模型以及对应于所述模型和晶格的指令。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述系统计算与切片平面的交叉，其中每一切片表示待沉积的材料层。

10.一种数据处理系统，其包括：

处理器；以及

可存取存储器，所述数据处理系统具体来说被配置成

接收待制造的物体的模型：

接收所述模型内的空隙区域的用户规范以创建晶格；其中将晶格创建为由在杆接合点处具有通用圆柱形杆的布置所定义的杆晶格表示；以及

通过棋盘形铺嵌空隙表面以及将待处理为单个实体的至少一排连接杆沿着特定方向分组在一起来执行微调操作以创建微调后晶格；

在连接杆上使用基于八叉树的射线网格交叉算法来确定连接杆的哪些区段位于空隙内。

11.根据权利要求10所述的数据处理系统，其中所述系统还被配置成再现所述微调后晶格。

12.根据权利要求10所述的数据处理系统，其中所述系统还被配置成分析所述模型或晶格的质量特性。

13.根据权利要求12所述的数据处理系统，其中所述系统被配置成计算所述晶格的多个杆中的每一个的体积和重量。

14.根据权利要求12所述的数据处理系统，其中所述系统被配置成分析所述晶格的质量特性，而不实例化所述晶格的表面。

15.根据权利要求10所述的数据处理系统，其中所述系统被配置成对所述模型或晶格执行有限元分析（FEA）。

16.根据权利要求15所述的数据处理系统，其中所述系统被配置成创建部件和所述晶格的保形有限元模型。

17.根据权利要求10所述的数据处理系统，其中所述系统被配置成产生制造模型以及对应于所述模型和晶格的指令。

18.一种编码有可执行指令的非暂时性计算机可读媒体，所述可执行指令在执行时使得一个或多个数据处理系统：

接收待制造的物体的模型：

接收所述模型内的空隙区域的用户规范以创建晶格；其中将晶格创建为由在杆接合点处具有通用圆柱形杆的布置所定义的杆晶格表示；以及

通过棋盘形铺嵌空隙表面以及将待处理为单个实体的至少一排连接杆沿着特定方向分组在一起来执行微调操作以创建微调后晶格；

在连接杆上使用基于八叉树的射线网格交叉算法来确定连接杆的哪些区段位于空隙内。

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