CN109388905B - 基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法 - Google Patents

基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法，通过Grasshopper与UG二次开发的结合，使用Rhinoceros软件建立复杂多孔结构三维框架，通过UG二次开发程序将三位框架扩展成实体模型，完成多孔结构的建模。本方法解决了目前不规则多孔结构设计与建模方面建模难度大、可控性较差等不足，在开发复杂模型尤其是多孔结构模型上有着极大的便利性和可操控性。

Description

基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法
技术领域
本发明涉及一种多孔结构建模方法，特别是涉及到一种基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法。
背景技术
多孔结构(Porous Structure)是一种由形成孔隙的棱边和壁面的固体杆或固定板所构成的相互联结的网络体。这些多孔结构在物理、化学、力学、生物学等方面有着特殊性质和重要作用。多孔结构作为一种特殊结构和功能材料，在过滤和分离、能量吸收、热交换、电磁屏蔽、生物材料等方面有着独特的优势，广泛应用于航空航天、汽车、化工、生物医疗等领域。多孔结构的建模方法分为规则多孔结构设计方法和不规则多孔结构设计方法，规则多孔结构设计方法简单但是设计自由度受限，不规则多孔结构具有仿生学特性优势、能实现复杂结构和梯度结构的特性，但是建模难度大、可控性较差。需要寻找一种设计方法简单易行、设计自由度高且几何参数可控的多孔结构设计方法。
UG NX是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构，UG二次开发是利用程序语句实现建模与辅助建模的快捷操作，给UG NX提供了更加丰富的功能，让复杂的建模过程简单化。然而，随着增材制造技术的日趋成熟，对于三维零件的建模设计产生了颠覆性的改变，对于省材、省时、轻量化、多孔化的要求日益增多，传统的建模方式不能快速响应这种变化趋势。工艺的升级换代也就要求设计方式的换代，尤其是针对多孔化问题，严重制约了产品的优化设计。Grasshopper(简称GH)是一款在Rhinoceros软件环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，与传统建模工具相比，GH的最大的特点是可以向计算机下达更加高级复杂的逻辑建模指令，使计算机根据拟定的算法自动生成模型结果，但是在Rhinoceros中无法生成实体模型，也就无法对模型进行进一步处理。因此需要将Grasshopper与UG二次开发相结合，目前现有技术中尚没有这种技术方案。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法，解决了目前不规则多孔结构设计与建模方面建模难度大、可控性较差等不足，在开发复杂模型尤其是多孔结构模型上有着极大的便利性和可操控性。
技术方案：本发明所述的一种基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法包括以下步骤：
(1)绘制目标物体的三维模型，并将三维模型导入到Rhinoceros三维建模软件中；
(2)使用Grasshopper插件中的可视化编程算法建立三维离散点阵；
(3)使用步骤(1)中所述的三维模型对步骤(2)中所述的三维离散点阵进行分割，删去三维模型外的部分，使所述三维离散点阵随形化；
(4)使用步骤(3)中所述的离散点阵生成多孔结构三维框架，并将框架导入至UG中；
(5)使用Grip程序在UG中围绕多孔结构三维框架中的每一根曲线建立柱状结构，完成建模操作，得到具有所需外形的多孔结构实体模型。
为了使多孔结构框架具有随机性，步骤(3)中所述的三维离散点阵是在空间中生成的随机离散点阵。
为了进一步增强多孔结构框架的随机性和连通性，步骤(4)中所述的多孔结构三维框架可以是泰森多边形三维框架，泰森多边形三维框架具有易于数值计算生成、随点的位置变化而变化的随机性和整体结构具有流通性的优点。
为了使结构更加稳定，步骤(5)中围绕多孔结构三维框架中的每一根曲线建立的柱状结构为圆柱结构。多孔结构实体模型中可以包括了不同直径的圆柱，圆柱直径根据实际需要进行调整，比如模型边界附近增大圆柱直径，可以增加结合强度。
进一步的，步骤(5)中所述的Grip程序包括以下步骤：
(1)选取多孔结构三维框架中的所有曲线并计数；
(2)循环遍历所有曲线；
(3)判断曲线终点的Z轴高度；
(4)以曲线为基准建立圆柱结构，并根据不同的Z轴高度设定圆柱外径；
(5)建立出实体多孔结构。
有益效果：本方法能够通过Grasshopper与UG二次开发的结合，完成多孔结构实体模型的搭建，具有效率高、精度高、可控性高的特点，能够为多孔结构设计开发节省很大的工作量，并且可以适用于多种多孔结构的建模，具有一定的普适性。
附图说明
图1是本发明的总体工作流程图；
图2是Grasshopper插件工作流程图；
图3是UG二次开发Grip程序流程图；
图4是拉伸试样整体外形图；
图5是拉伸试样工作区域细节图；
图6是拉伸试样连接部位细节图；
图7是拉伸试样工作区域框架图；
图8是拉伸试样多孔结构生成过程图。
具体实施方式
图1是本发明的总体工作流程图，将多孔结构三维框架选用泰森多边形三维框架，针对一个符合拉伸试验机拉伸条件的拉升试样进行建模，具体步骤为：
(1)绘制拉升试样的三维模型，将此外形导入至Rhinoceros中；
(2)使用Grasshopper插件中可视化编程算法建立满足一定密度需求的三维离散点阵；
(3)利用之前导入的模型外形对离散点阵进行分割，模型外部分删去，达到随形化的目的；
(4)使用上述离散点阵生成泰森多边形三维框架，并将此框架导入至UG中；
(5)使用Grip程序在UG中围绕泰森多边形三维框架中的每一根曲线建立柱状结构，完成建模操作，得到具有所需外形的多孔结构实体模型。
如图2所示，Grasshopper插件工作具体步骤为：
(1)在一定空间中生成点阵；
(2)调整点个数达到所需密度；
(3)导入模型外形；
(4)分割点，选取模型内点；
(5)利用内点生成泰森多边形三维框架；
(6)将泰森多边形三维框架导出。
如图3所示，UG二次开发Grip程序具体步骤描述为：
(1)选取框架内所有曲线并计数；
(2)循环遍历所有曲线；
(3)判断曲线终点Z轴高度；
(4)以曲线为基准建立圆柱；
(5)不同的Z轴范围使用不同的圆柱外径；
(6)建立出实体多孔结构。
拉伸试样整体外形如图4所示，其中多孔结构区域为工作部分，两边为夹持部分，对于拉伸试样进行拉伸试验，能够测定该种结构的弹性极限、伸长率、弹性模量、拉伸强度和屈服强度等性能指标。
拉伸试样工作区域细节如图5所示，工作区域全部由多孔结构构成。
拉伸试验连接部分细节如图6所示，工作区域与夹持部分的连接处使用稍大直径的圆柱连接，使得断裂区域不会发生在连接处，保证拉伸试验的结果具有参考意义。
拉伸试样工作区域三维框架如图7所示，使用Rhinoceros中的Grasshopper插件生成框架并根据工作区域划定出框架范围。
拉伸试样多孔结构生成过程如图8所示，将线阵导入UG NX后利用Grip二次开发语句对线阵执行圆管命令，遍历生成多孔结构。
实验结果表明，利用这种方式能够快速生成各种形状的随机多孔结构模型，并且能根据需求对直径进行调整，这种方法能够适应各种模型尺寸，对多孔结构的建模设计是一个有力的补充。

Claims (6)

1.一种基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)绘制目标物体的三维模型，并将三维模型导入到Rhinoceros三维建模软件中；
(2)使用Grasshopper插件建立三维离散点阵；
(3)使用步骤(1)中所述的三维模型对步骤(2)中所述的三维离散点阵进行分割，删去三维模型外的部分，使所述三维离散点阵随形化；
(4)使用步骤(3)中所述的离散点阵生成多孔结构三维框架，并将框架导入至UG中；
(5)使用Grip程序在UG中围绕多孔结构三维框架中的每一根曲线建立柱状结构，完成建模操作，得到具有所需外形的多孔结构实体模型。
2.根据权利要求1所述的基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法，其特征在于：步骤(3)中所述的三维离散点阵是在空间中生成的随机离散点阵。
3.根据权利要求1所述的基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法，其特征在于：步骤(4)中所述的多孔结构三维框架是泰森多边形三维框架。
4.根据权利要求1所述的基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法，其特征在于：步骤(5)中所述的柱状结构为圆柱结构。
5.根据权利要求4所述的基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法，其特征在于：多孔结构实体模型中包括了不同直径的圆柱，圆柱直径根据实际需要进行调整。
6.根据权利要求1所述的基于Grasshopper与UG二次开发的多孔结构建模方法，其特征在于步骤(5)中所述的Grip程序包括以下步骤：
(1)选取多孔结构三维框架中的所有曲线并计数；
(2)循环遍历所有曲线；
(3)判断曲线终点的Z轴高度；
(4)以曲线为基准建立圆柱结构，并根据不同的Z轴高度设定圆柱外径；
(5)建立出实体多孔结构。
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