CN108804821A - 一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法：1、导入结构初始三维实体模型；2、分解结构并选择设计区域；3、选择功能表面，删除设计区域实体与非功能表面；4、确定所有子区域点阵结构的胞元构型及胞元密度；5、在子区域生成点阵结构拓扑信息；6、构成三维点阵结构信息并计算杆件数量；7、输入增材制造工艺要求参数；8、对所有杆件进行有效性判断；9、计算失效杆件数量；10、计算失效杆件比；11、判断全局有效性；12、构建点阵结构几何模型；13、对非设计区域、功能表面与点阵结构进行合并运算，得到包含点阵结构的设计模型。本发明设计结果与增材制造工艺要求及数据接口匹配良好；采用批处理，避免较高技巧和繁琐工作。

Description

一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法

技术领域：

本发明涉及一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法，属于机械结构设计的技术领域。

背景技术：

作为航空、航天、汽车、医疗等多个领域的新型结构类型，类桁架式点阵结构因其轻质、高比刚度、高比强度的机械特性，减震、吸能等功能特征而受到广泛关注与应用。三维点阵结构通常采用设计区域内直接填充的方法，该方法设计自由度小，设计师参与程度低，设计人员无法对点阵结构胞元构型、胞元密度、分布形式以及结构外观进行掌控，另一方面，直接填充的方法对设计区域的边缘位置处理不足，通常会产生不完整的胞元结构或者独立的杆件，形成结构上的缺陷。工程上希望设计人员可以对设计区域内的点阵结构构型、密度等多个方面进行控制，并希望设计方法可以保证设计区域内设计产生规则且完整的三维点阵结构。由于点阵结构几何特征复杂，工程上常采用增材制造技术生产加工点阵结构，因此工程上需考虑到增材制造的工艺特点，保证结构可实现性。另一方面，工程上点阵结构通常不会独立作为结构出现，需要配合面板、蒙皮、实体等特征才能形成完整的结构，因此在结构外观基本确定的情况下，设计方法应提供点阵结构设计区域及功能表面的选择，结构的设计结果中可以同时包括点阵结构与曲面、实体等特征。

发明内容：

为了实现三维点阵结构的交互式设计，本发明的目的是提供一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法，该方法利用有限元分析软件平台，首先导入结构初始三维实体模型，然后通过人机交互的方式对结构进行划分，之后由设计人员选择点阵结构设计区域与功能表面。然后由设计人员制定胞元构型以及胞元密度，随后利用空间网格划分的算法，对设计区域划分网格并提取网格信息。根据网格信息建立点阵结构并根据增材制造工艺要求对点阵结构进行有效性验证。之后将非设计区域与功能表面与点阵结构进行几何合并布尔运算，形成完整的结构模型。本方法人机交互操作少，设计人员设定好初始需求后，网格划分与点阵结构模型建立过程可以实现完全自动处理，通用性强，适用范围广。

本发明为一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1：在有限元软件平台内导入结构初始三维实体模型；

步骤2：分解结构并选择设计区域；通过人机交互方式选择若干设计子区域。

步骤3：通过人机交互的方式选择功能表面，删除设计区域实体与非功能表面；

步骤4：通过人机交互的方式输入所有子区域点阵结构的胞元构型以及胞元密度；

步骤5：在子区域内生成空间网格并产生点阵结构拓扑信息；

步骤6：基于空间网格信息构成三维点阵结构信息。通过遍历的方式，计算三维点阵结构信息中所包含的所有点阵杆件数量N。

步骤7：通过人机交互的方式输入增材制造工艺要求参数；

步骤8：对所有杆件进行有效性判断；计算各杆件特征并根据工艺参数，判定杆件是否有效。

步骤9：计算失效杆件数量N_f：遍历所有杆件，若杆件被判定为失效，则失效杆件数量计数加1。

步骤10：计算失效杆件比R；失效杆件比R为失效杆件数量N_f与总体杆件数量N的比值，计算公式为

步骤11：若R<R_max，执行步骤12，否则返回步骤4。

步骤12：根据点阵结构信息，构建点阵结构几何模型；

步骤13：对非设计区域、功能表面与点阵结构进行合并运算，得到包含点阵结构的设计模型。

本发明的有益效果是：提供了一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法，通过该方法可以在原有三维实体的基础上，设计并生成边缘完整，可设计性高的三维点阵结构模型。设计过程中考虑增材制造工艺要求，对点阵结构进行有效性验证，同时设计结果为实体与曲面、曲线相结合的抽象模型，该模型与增材制造设备匹配良好，从而保证结构可以利用增材制造技术生产加工。设计方法中采用算法批处理实现，减少了大量重复性人工操作。本发明在航空、航天、汽车、医疗等领域的机械结构设计中具有很强的工程实用价值。

附图说明

图1.本发明所述方法流程图。

图2.实施例初始模型。

图3.实施例结构分区与编号(主视方向)。

图4.实施例保留的实体与表面。

图5.杆件示意图。

图6.制造方向示意图。

图7.实施例区域1处的点阵结构(主视方向)。

图8.实施例设计结果。

图中符号说明如下：

N为杆件数量；

N_f为失效杆件数量；

R为失效比；

R_max为失效可行值；

P₁,P₂为杆件起止点；

为杆件方向向量；

l为杆件长度；

为增材制造方向；

θ为单位方向与杆件向量的夹角；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

本发明一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法，见图1所示，它包括以下步骤：

步骤1：本专利所提出方法是在有限元软件平台内实现的，但不拘束于某一个特定的有限元软件。通过软件的模型导入功能即可以三维实体模型的导入，实施例初始模型如图2所示；

步骤2：通过几何分解功能对结构进行分解，通过人机交互的方式选择设计区域并统计设计子区域数目N_d。如图3所示，实施例中选择区域1,2,3为设计区域，区域4,5为非设计区域。设计区域或非设计区域可能分别包含多个子区域，统计设计子区域数量为N_d，实施例中设计子区域数量N_d＝3；

步骤3：通过人机交互的方式选择功能表面。通过几何编辑功能删除设计区域实体与非功能表面，并保留非设计区域实体与功能表面。实施例中保留的实体与表面如图4所示；

步骤4：通过人机交互的方式输入所有子区域点阵结构的胞元构型以及胞元密度，构型及密度由设计人员确定。；

步骤5：在子区域内生成空间网格并产生点阵结构拓扑信息；

步骤6：基于点阵结构拓扑信息构成三维点阵结构杆件信息。通过遍历的方式，统计三维点阵结构信息中所包含的所有点阵杆件数量N。

步骤7：通过人机交互的方式输入增材制造工艺要求参数；

步骤8：计算杆件长度和夹角，根据向量模长计算方法，计算杆件长度公式为如图5所示。根据向量的数量积公式计算制造单位方向与杆件向量的夹角θ，由于则此处规定夹角θ满足：0≤θ≤90°，则有如图6所示。并对所有杆件进行有效性判断；

步骤9：遍历所有杆件，若杆件被判定为失效，则失效杆件数量计数加1；

步骤10：失效杆件比R为失效杆件数量N_f与总体杆件数量N的比值，计算公式为

步骤11：根据加工工艺需求和质量要求，确定R_max。若R<R_max，执行步骤12，否则返回步骤4。

步骤12：根据点阵结构信息的每一根杆件的起止点坐标，在有限元软件或三维建模软件中建立杆件特征，从而完成点阵结构的建立，实施例区域1处的点阵结构如图7所示；

步骤13：将步骤2选择的非设计区域及功能表面与点阵结构合并，所得几何模型即为设计结果，如图8所示。

通过以上各步骤，可以在原有三维实体的基础上，设计并生成边缘完整，可设计性高的三维点阵结构模型。设计过程中考虑增材制造工艺要求，对点阵结构进行有效性验证，同时设计结果为实体与曲面、曲线相结合的抽象模型，该模型与增材制造设备匹配良好，从而保证结构可以利用增材制造技术生产加工。设计方法中采用算法批处理实现，减少了大量重复性人工操作。

Claims (1)

1.一种基于空间网格的三维点阵结构设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：在有限元软件平台内导入结构初始三维实体模型；

步骤2：分解结构并选择设计区域；通过人机交互方式选择若干设计子区域；

步骤3：通过人机交互的方式选择功能表面，删除设计区域实体与非功能表面；

步骤4：通过人机交互的方式输入所有子区域点阵结构的胞元构型以及胞元密度；

步骤5：在子区域内生成空间网格并产生点阵结构拓扑信息；

步骤6：基于空间网格信息构成三维点阵结构信息；通过遍历的方式，计算三维点阵结构信息中所包含的所有点阵杆件数量N；

步骤7：通过人机交互的方式输入增材制造工艺要求参数；

步骤8：对所有杆件进行有效性判断；计算各杆件特征并根据工艺参数，判定杆件是否有效；

步骤9：计算失效杆件数量N_f：遍历所有杆件，若杆件被判定为失效，则失效杆件数量计数加1；

步骤10：计算失效杆件比R；失效杆件比R为失效杆件数量N_f与总体杆件数量N的比值，计算公式为

步骤11：若R<R_max，执行步骤12，否则返回步骤4；

步骤12：根据点阵结构信息，构建点阵结构几何模型；

步骤13：对非设计区域、功能表面与点阵结构进行合并运算，得到包含点阵结构的设计模型。