CN108920796A - 一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法，具有如下步骤：S1、利用有限元网格化技术对给定几何模型进行网格化离散，形成网格模型；S2、选定点阵单胞模型；S3、在所述网格模型的每一个网格内利用所述网格模型的网格节点信息和所述网格模型的网格单元边信息填充选定的点阵单胞模型，完成点阵结构组装。与传统的点阵集成技术相比，本发明大大改善了点阵单胞模型填充过程中对于复杂几何模型的适应性，避免了复杂几何边界处出现的单胞破碎、变形等问题。除此之外本发明具有很好的参数控制特性，能够很容易地实现参数化驱动的点阵结构的单胞形式、疏密分布等的调节。因此本发明具有良好且广泛的应用前景。

Description

一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法

技术领域

本发明属于轻量化结构设计领域，具体涉及一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法。

背景技术

点阵结构是一种新型的多孔材料，可视为由许多杆件在空间中按照一定规律堆叠而成的材料化结构。由于其具有质量轻、材料利用率高的特点，点阵结构在航空航天等轻量化要求高的工程领域有非常重要的应用前景。由于其结构复杂，传统工艺往往难以直接制造。增材制造技术作为一种新兴制造技术，具备制造复杂构型的能力，为点阵结构的快速制备提供了可能。随着增材制造技术的发展，点阵结构的构造变得越来越重要。CheahC.M等人发表Development of a tissue engineering scaffold structure library for rapidprototyping的基本建模思想是首先建立基本特征模型库，通过参数化更改基本特征模型的结构参数、空间约束条件、逻辑组合关系来构造多孔结构。现今大多数商用建模软件就是根据这种思想对点阵结构进行实体建模的。这种建模思想的最大问题在于无法实现基本模型对于几何结构的自适应，当几何模型不规则时，固定尺寸的基本特征模型将无法恰好将几何模型填充完整，在结构边界会出现破损单胞。

Wang等在Cost-effective printing of 3D objects with skin-framestructures提供了一种含蒙皮的类点阵结构构造方法，将问题抽象为在物理和几何的条件约束下的桁架结构(数目)的优化问题。由于该方法抛弃了单胞构造，因此该方法解决了点阵填充过程中对于几何结构的自适应问题，能够构造出完美适应几何边界的类点阵结构。但是也由于其结构无单胞，其结构的承载性能大大下降，该方法只适用于工艺美术品类结构的构造，能够实现材料的节约。

基于上述问题，工程实际中应用的点阵结构需要在满足承载要求的同时又满足结构对于复杂几何特征的适应性。有限元技术已有几十年的发展历史，各种网格剖分算法层出不穷，完美的解决了复杂几何结构的离散化问题。因此将有限元网格引入到点阵结构构造当中能够完美的解决上述问题，适应工程需要。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法。本发明借助有限元网格技术中的离散化思想对给定几何模型进行网格化离散，然后基于每一个离散的网格构建点阵单胞模型从而完成点阵结构组装.

本发明采用的技术手段如下：

一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法，具有如下步骤：

S1、利用有限元网格化技术对给定几何模型进行网格化离散，形成网格模型；

S2、选定点阵单胞模型；

S3、在所述网格模型的每一个网格内利用所述网格模型的网格节点信息和所述网格模型的网格单元边信息填充选定的点阵单胞模型，完成点阵结构组装。

所述步骤S1的具体步骤如下：

S11、利用有限元网格化技术对给定几何模型进行网格化离散；

S12、利用ANSYS的数据提取功能，将网格化离散后的几何模型的网格节点信息与网格单元信息进行提取，所述网格节点信息包括网格节点编号和网格节点坐标，所述网格单元信息包括网格单元编号以及网格单元所包含的网格节点编号与网格节点顺序；

S13、利用ANSYS的数组功能，定义与提取数据维度相同的数组，并把提取到的网格节点信息与网格单元信息保存到定义的数组当中；

S14、删除离散化的网格和给定几何模型；

S15、利用保存到定义的数组当中的网格节点信息与网格单元信息在相应的节点位置处创建关键点(ANSYS中的实体硬点)，形成网格模型。

所述点阵单胞模型为原生单胞或衍生单胞；

所述原生单胞为将所述网格模型的网格单元的边界线直接转换成点阵结构中的杆件，不同的所述网格模型的网格单元形状可对应不同的原生单胞；

所述衍生单胞为在原生单胞的基础上通过对所述网格模型的网格单元原有节点进行插值获得衍生节点，进而通过衍生节点与所述网格模型的网格单元原有节点构造杆件，形成衍生单胞。

所述步骤S3的具体步骤如下：

S31、在所述网格模型的每一个网格内按照选定的点阵单胞模型利用所述网格模型的网格节点信息和所述网格模型的网格单元边信息将网格内各节点连点成线建立点阵结构线模型；

S32、在点阵结构线模型的每条线和线两端的节点位置建立杆件，所述杆件包括与所述点阵结构线模型的线相对应的圆柱体结构和与线两端的节点相对应的球体结构；

所述圆柱体结构的长度l，所述圆柱体结构的截面直径R以及所述球体结构的直径R，满足以下公式：

l>5R；

S33、给杆件赋予材料属性，完成点阵结构组装，所述材料属性包括弹性模量，泊松比和密度等。

本发明提出了一种点阵结构参数化描述格式：在点阵结构线模型的每条线和线两端的节点位置建立杆件，即基于单根杆件几何描述，推广到大型点阵结构(整个网格模型)参数化描述格式，可以利用较少的存储信息完成对大型点阵结构的参数化记录，并便于模型修改与数据传递。

与传统的点阵集成技术相比，本发明大大改善了点阵单胞模型填充过程中对于复杂几何模型的适应性，避免了复杂几何边界处出现的单胞破碎、变形等问题。除此之外本发明具有很好的参数控制特性，能够很容易地实现参数化驱动的点阵结构的单胞形式、疏密分布等的调节。因此本发明具有良好且广泛的应用前景。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1)本发明所提出的点阵结构参数化描述格式，可以利用较少的存储信息完成对大型点阵结构的参数化记录，并便于模型修改与数据传递。

2)本发明能够更好的适应复杂几何模型的边界，避免在边界处出现单胞破损。

3)本发明便于借助现有商业有限元软件进行编程实现，便于相关领域的从业工程师学习应用。

基于上述理由本发明可在轻量化结构设计等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的具体实施方式中面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法的流程图。

图2为本发明的具体实施方式中杆件的几何表征图。

图3为本发明的具体实施方式中点阵结构参数化描述格式。

图4为本发明的具体实施方式中(网格)单元构造、原生单胞和衍生单胞的对照表(针对每种(网格)单元构造分别给出了一种衍生单胞形式，并给出了相应衍生节点的插值格式)。

图5为本发明的具体实施方式中简单立方体结构有限元模型图。

图6为本发明的具体实施方式中简单立方体结构构造出的点阵结构示意图 ((a)原生单胞(b)衍生单胞)。

图7为本发明的具体实施方式中简单立方体结构构造的点阵结构局部加强效果模型((a)角加强(b)下层加强)。

图8为本发明的具体实施方式中两个复杂几何构型构造点阵结构流程((a) 空心圆台点阵结构构造流程(b)喇叭型点阵结构构造流程)。

图9为本发明的具体实施方式中某飞机轮廓点阵结构模型图。

图10为本发明的具体实施方式中某接头点阵结构模型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图10所示，给出一个一般的简单立方体结构(CAD几何建模)的实施例。利用有限元软件先对整个简单立方体结构进行有限元离散，由于结构规整可采用自动划分六面体网格的技术对简单立方体结构进行网格化离散，得到离散化的网格模型，图6是对简单立方体结构划分有限元网格示意图。

利用ANSYS的数据提取功能，将网格化离散后的简单立方体结构的网格节点信息与网格单元信息进行提取，所述网格节点信息包括网格节点编号和网格节点坐标，所述网格单元信息包括网格单元编号以及网格单元所包含的网格节点编号与网格节点顺序；

利用ANSYS的数组功能，定义与提取数据维度相同的数组，并把提取到的网格节点信息与网格单元信息保存到定义的数组当中；

删除离散化的网格模型与简单立方体结构几何模型；

利用保存到定义的数组当中的网格节点信息与网格单元信息在相应的节点位置处创建关键点，形成网格模型；

选定点阵单胞模型，若选择衍生单胞，按照所需衍生节点插值格式在每个所述网格模型的网格单元的中点创建衍生节点。

在所述网格模型的每一个网格内按照选定的点阵单胞模型利用所述网格模型的网格节点信息和所述网格模型的网格单元边信息将网格内各节点连点成线建立点阵结构线模型；

在点阵结构线模型的每条线和线两端的节点位置建立杆件，所述杆件包括与所述点阵结构线模型的线相对应的圆柱体结构1和与线两端的节点相对应的球体结构2；

所述圆柱体结构1的长度l，所述圆柱体结构1的截面直径R以及所述球体结构2的直径R，满足以下公式：

l>5R；

给杆件赋予材料属性，完成点阵结构组装，所述材料属性包括弹性模量，泊松比和密度等。

图7是在简单立方体结构构造出的点阵结构示意图：(a)原生单胞，(b)衍生单胞。

通过本方法建立的点阵结构组装，可以进行参数化调控，图8给出了图7 中点阵结构局部加强模型图：(a)角加强，(b)下层加强。

对于复杂的几何构型，有限元建模部分需要相关领域工程师付出一定的创造性劳动(有限元建模技术属于专业技术范畴)。图8是两个复杂几何构型应用本发明方法填充点阵结构的构造点阵结构流程。图9为某飞机轮廓点阵结构模型图。图10为某接头点阵结构模型图。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、利用有限元网格化技术对给定几何模型进行网格化离散，形成网格模型；

S2、选定点阵单胞模型；

S3、在所述网格模型的每一个网格内利用所述网格模型的网格节点信息和所述网格模型的网格单元边信息填充选定的点阵单胞模型，完成点阵结构组装。

2.根据权利要求1所述的面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法，其特征在于：所述步骤S1的具体步骤如下：

S11、利用有限元网格化技术对给定几何模型进行网格化离散；

S12、利用ANSYS的数据提取功能，将网格化离散后的几何模型的网格节点信息与网格单元信息进行提取，所述网格节点信息包括网格节点编号和网格节点坐标，所述网格单元信息包括网格单元编号以及网格单元所包含的网格节点编号与网格节点顺序；

S13、利用ANSYS的数组功能，定义与提取数据维度相同的数组，并把提取到的网格节点信息与网格单元信息保存到定义的数组当中；

S14、删除离散化的网格和给定几何模型；

S15、利用保存到定义的数组当中的网格节点信息与网格单元信息在相应的节点位置处创建关键点，形成网格模型。

3.根据权利要求1所述的面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法，其特征在于：所述点阵单胞模型为原生单胞或衍生单胞；

所述原生单胞为将所述网格模型的网格单元的边界线直接转换成点阵结构中的杆件；

所述衍生单胞为在原生单胞的基础上通过对所述网格模型的网格单元原有节点进行插值获得衍生节点，进而通过衍生节点与所述网格模型的网格单元原有节点构造杆件，形成衍生单胞。

4.根据权利要求3所述的面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法，其特征在于：所述步骤S3的具体步骤如下：

S31、在所述网格模型的每一个网格内按照选定的点阵单胞模型利用所述网格模型的网格节点信息和所述网格模型的网格单元边信息将网格内各节点连点成线建立点阵结构线模型；

S32、在点阵结构线模型的每条线和线两端的节点位置建立杆件，所述杆件包括与所述点阵结构线模型的线相对应的圆柱体结构和与线两端的节点相对应的球体结构；

所述圆柱体结构的长度l，所述圆柱体结构的截面直径R以及所述球体结构的直径R，满足以下公式：

l>5R；

S33、给杆件赋予材料属性，完成点阵结构组装，所述材料属性包括弹性模量，泊松比和密度等。