CN110171139A

CN110171139A - 薄壁结构3d打印与数值计算统一网格的方法

Info

Publication number: CN110171139A
Application number: CN201910290671.9A
Authority: CN
Inventors: 刘尚蔚; 魏鲁双; 魏群; 王颖; 魏鲁婷; 彭悦
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2019-08-27
Anticipated expiration: 2039-04-11
Also published as: CN110171139B

Abstract

本发明公开了一种薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法，经过切片软件将模型在高度方向切片。通过程序“ZHSTL程序”将STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式，并且形成具有一定厚度的三角形单元，由一系列三角形表示。形成三维有限元网格。经过数据处理生成三维的有限元计算模型，再导入有限元分析软件中，形成计算模型，进行计算，得出力学结果进行分析，为3D打印提出可行性方案，完成整个模型的打印。本发明通过打印构件与有限元计算的多种试验取得了满意结果，提供了3D打印与数值计算网格融合一体的快速实用技术，对薄壁结构的STL格式转换为有限元坐标网寻到了一简接方法。

Description

薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法

技术领域

本发明属于薄壁结构3D打印技术领域，具体涉及一种针对薄壁或复杂片状结构将3D打印STL格式与有限元计算转化为统一网格的方法。

背景技术

3D打印被认为是具有工业革命意义的制造技术，已经成为制造业众所关注的新事物。随着众多的创新和应用，3D打印已逐渐完善和成熟，当初使用的数据格式差不多也有30年之久，因此3D打印数据行业内有新的数据格式涌现同时也有了数据标准之争。作为BIM图形信息技术和数值计算的业界人员，自然更关心如何将3D打印网格与数值计算网格能够统一化的问题。3D打印技术是以数字模型文件为基础，在计算机软件控制下将打印材料按一定方式熔化通层堆叠成设计物品。现在常用的打印格式有STL格式，这是一种无拓普关系的三角形叶片覆盖形成整个打印物品。3D打印结构经常需要采用有限元数值模拟进行力学特性的分析，这就涉及了有限元网格材料分区属性的划分问题。

发明内容

本发明提出一种针对薄壁或复杂片状结构将3D打印STL格式与有限元计算转化为统一网格的方法。通过打印构件与有限元计算的多种试验取得了满意结果，提供3D打印与数值计算网格融合一体的快速实用技术。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法，包括如下步骤：

步骤一：数字建模形成STL包络图，薄壁结构的精细数字图形模型，对于内外各个表面可形成STL三角网络，3D打印文件，有很多种类，但STL格式的数据文件，经过专用的切片软件“CURA”，将模型在高度方向切片，每一片有许多线组成，3D打印机通过打印每一片上的线段(打印机喷头有一定直径，线段有一定宽度)完成整个模型的打印；

步骤二：将各个STL数据转换为有限单面格式，要进行有限元力学计算分析，就要先将上述STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式(平面)，并且形成具有一定厚度的三角形单元；

步骤三：生成有限元模型网格的外表面网格，通过程序对不符合计算要求的三角形单元进行处理后，形成符合计算要求的三角形单元网格，称为外表面三角形网格；

步骤四：形成STL的沿厚度生成的内表面网格，其生成内表面网格的方法是将外表面三角形的每一个结点沿着该结点连接处所有单元的外法线矢量合成的负方向拉伸出新的结点，形成内表面三角形；

步骤五：每一个上表面结点都会在下表面产生新的结点，根据上表面单元信息，得到体单元信息。

形成内表面三角形的方法：外表面三角形的外法线方向为合成矢量为沿着的负方向产生新的内表面结点，设外表面与内表面的距离为D，在负方向的截距为D_L，产生的新内表面结点坐标为x′＝x-D_L×a_x；y′＝y-D_L×a_y； z′＝z-D_L×a_z；每一个上表面结点都会按上述方法在下表面产生新的结点，根据上表面单元信息，可得到体单元信息。

进行有限元力学计算分析时，先将上述STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式。

其中有许多不符合计算要求的三角形，通过程序不符合计算要求的三角形进行处理后，形成符合计算要求的三角形网格。

一种薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法，包括如下步骤。

步骤一：经过切片软件将模型在高度方向切片。每一片有许多线组成，3D 打印机通过打印每一片上的线段完成整个模型的打印。

步骤二：通过程序“ZHSTL程序”将STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式，并且形成具有一定厚度的三角形单元，由一系列三角形表示。其中有许多不符合计算要求的三角形，如：三角形角度太小或太大，两结点距离太小等。通过程序对不符合计算要求的三角形单元进行处理后，形成符合计算要求的三角形单元网格(一系列用三角平面表示的曲面)，称为外表面三角形网格。

步骤三：形成三维有限元网格。将外表面三角形的每一个结点沿着该结点连接处所有单元的外法线矢量合成的负方向拉伸出新的结点，形成内表面三角形。每一个上表面结点都会在下表面产生新的结点，根据上表面单元信息，得到体单元信息。

步骤四：经过数据处理生成三维的有限元计算模型，再导入有限元分析软件(ADINA大型结构分析软件)中，形成计算模型，进行计算，得出力学结果进行分析，为3D打印提出可行性方案，完成整个模型的打印。

步骤三中形成内表面三角形的方法如下。

五个三角形的外法线(归1化)方向分别为

其中余类推。

他们的合成矢量为：

其中分别为x、y、z方向的单位矢量。

矢量的模为：

将矢量归1化为：

沿着的负方向产生新的内表面结点，设外表面与内表面的距离为D，在负方向的截距为D_L。D与D_L的夹角α近似用与的夹角代替。

和为归1化矢量，

产生的新内表面结点坐标为(在的负方向取长度D_L)：

x′＝x-D_L×a_x；

y′＝y-D_L×a_y；

z′＝z-D_L×a_z。

每一个上表面结点都会按上述方法在下表面产生新的结点，根据上表面单元信息，可得到体单元信息。

步骤一中的STL数据的格式如下：

其中facet normal为三角形的外法线方向单位矢量，outer loop以下为三角形的三个顶点x、y、z坐标。

要进行有限元力学计算分析，就要先将上述STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式(平面)，有限元数据格式如下。

结点坐标：

单元信息：

本发明的有益效果：本发明提供了一种针对薄壁或复杂片状结构将3D打印 STL格式与有限元计算转化为统一网格的方法。通过打印构件与有限元计算的多种试验取得了满意结果，提供了3D打印与数值计算网格融合一体的快速实用技术。对薄壁结构的STL格式转换为有限元坐标网寻到了一简接方法。

本发明经过数据处理生成三维的有限元计算模型，再导入有限元分析软件中形成计算模型，进行计算，对得出的力学结果进行分析，为3D打印提出可行性方案，完成整个模型的打印。

附图说明

图1是形成三角形内表面示意图。

图2是花瓶三维图。

图3是艺术花瓶某一高度切片图。

图4是艺术花瓶有限元模型图。

图5是术花瓶有限元网格内局部放大图。

图6是三角面STL格式及外法线示意图。

具体实施方式

3D打印被认为是具有工业革命意义的制造技术，已经成为制造业众所关注的新事物。随着众多的创新和应用，3D打印已逐渐完善和成熟，当初使用的数据格式差不多也有30年之久，因此3D打印数据行业内也不断有新的数据格式涌现，同时也产生了数据标准之争。作为BIM图形信息技术和数值计算的业界人员，在数字图形信息的研究中自然更关心如何将3D打印网格与数值计算网格能够统一化的问题]。本实施例利用三角形网格可以无遗漏无重复地包络整个结构的外形与内部结构，3D打印也多数采用此类数据格式。令人头疼的复杂结构，尤其大型岩土工程，水电工程，桥隧公路，高耸结构借助于成熟的STL打印格式，转换产生统一的计算网格，采用该方法也能得到了新的途径。本实施例仅介绍了薄壁结构的STL格式转换为有限元坐标网格的一种简捷方法，对于复杂体系的统一网格也可采用该方法。

实施例1：薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法。

步骤1：数字建模形成STL包络图，薄壁结构的精细数字图形模型，对于内外各个表面可形成STL三角网络，3D打印文件，有很多种类，但STL格式的数据文件，经过专用的切片软件“CURA”，将STL网格模型在高度方向切片，每一片有许多线组成，3D打印机通过打印每一片上的线段(打印机喷头有一定直径，线段有一定宽度)完成整个模型的打印。

STL数据格式中每个STL网格包含有i＝1.......m个有效三角形(i、j、m为自然数)，这里的m个单元是对所有单元经清理奇异点、裂隙点、而合并为有效打印单元的数。任意三角形的STL格式如图6所示，其STL数据的格式如下。

步骤2：将各个STL数据转换为有限单面格式，步骤1中facet normal为三角形的外法线方向单位矢量，[outer loop]、[end loop]之间包含了三角形的三个顶点x、y、z坐标。要进行有限元力学计算分析，就要先将上述STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式(平面)。对于薄壁结构3D打印的STL文件是显示外表面的三角形网格，打印时给予一个厚度D就可以进行打印，并不需要薄壁结构内表面的三角形网格。但这个STL打印的省略部分却给转换为有限元网格增加了额外的处理过程。

整体结点坐标：j＝1..........n，上标点g的整体节点编号。

其中n个顶点是m个三角形STL单元，是所有的节点合并归类、清除奇异点，形成的整体节点系列。

单元信息：

i＝1.......m的整体坐标角点编号。所有合适的STL单元变为用整体单元节点数表达的外表面单元。

步骤3：生成有限元模型网格的外表面网格。经过数据处理生成三维的有限元计算模型(模拟3D打印机的空壳模型)，再导入有限元分析软件进行计算，得出力学结果进行分析，为3D打印提出可行性方案。

利用程序将STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式(平面)，由一系列整体节点号表示的三角形表示。其中有许多不符合计算要求的三角形，如：三角形角度太小或太大，两结点距离太小等。通过程序对其进行处理后，形成符合计算要求的三角形网格(一系列用三角平面表示的曲面)，称为外表面三角形网格。

步骤四：形成STL的沿厚度生成的内表面网格，其生成内表面网格的方法如图2所示，将外表面三角形的每一个结点沿着该结点连接处所有单元的外法线矢量合成的负方向拉伸出新的结点，形成内表面三角形。

以图2为例，五个三角形的外法线(归1化)方向分别为

其中余类推，

他们的合成矢量为：

其中分别为x、y、z方向的单位矢量。

矢量的模为：

将矢量归1化为：

和为归1化矢量，

产生的新内表面结点坐标为(在的负方向取长度D_L)：

x′＝x-D_L×a_x；

y′＝y-D_L×a_y；

z′＝z-D_L×a_z。

步骤5：每一个上表面结点都会按上述方法在下表面产生新的结点，根据上表面单元信息，可得到体单元信息。

实施例2：薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法。

1.3D打印STL格式与数值计算有限之网格融合方法。

形成3D打印机打印文件，需要由STL格式的数据文件，经过专用的切片软件“CURA”，将模型在高度方向切片，每一片有许多线组成，3D打印机通过打印每一片上的线段(打印机喷头有一定直径，线段有一定宽度)完成整个模型的打印。

1.1STL数据格式。

STL数据的格式如下。

要进行有限元力学计算分析，就要先将上述STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式(平面)，有限元数据格式如下：

结点坐标：

单元信息：

经过数据处理生成三维的有限元计算模型(模拟3D打印机的空壳模型)，再导入有限元分析软件进行计算，得出力学结果进行分析，为3D打印提出可行性方案。

1.2生成有限元模型网格原理。

1.2.1形成平面有限元网格。

开发程序，将STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式(平面)，由一系列三角形表示。其中有许多不符合计算要求的三角形，如：三角形角度太小或太大，两结点距离太小等。通过程序对其进行处理后，形成符合计算要求的三角形网格(一系列用三角平面表示的曲面)，称为外表面三角形网格。

1.2.2形成三维有限元网格。

将外表面三角形的每一个结点沿着该结点连接处所有单元的外法线矢量合成的负方向拉伸出新的结点，形成内表面三角形。如图1所示。

五个三角形的外法线(归1化)方向分别为

其中余类推。

他们的合成矢量为：

其中分别为x、y、z方向的单位矢量。

矢量的模为：

将矢量归1化为：

和为归1化矢量，

产生的新内表面结点坐标为(在的负方向取长度D_L)：

x′＝x-D_L×a_x；

y′＝y-D_L×a_y；

z′＝z-D_L×a_z。

1.3.下面结合附图和实施例对花瓶3D打印及有限元计算分析实例进一步说明。

1.3.1艺术花瓶3D打印。

首先制作艺术花瓶的三维实体图，如图2所示。

该艺术花瓶是非对称结构，将其输出为STL格式的文件，经过专用的切片软件“CURA”，将模型在高度方向切片，如图3所示，为某一高度切片图形。

从图中看出，是将实体切为具有一定壁厚(可设定)空心的壳体，将其中填充 (填充率可调整)一定的材料。

艺术花瓶尺寸196mm×196mm×286mm，每0.25mm切一层，共1145层。形成3D打印机打印文件“艺术花瓶.gcode”，通过3D打印机打印。

1.3.2艺术花瓶三维有限元建模。

艺术花瓶的STL文件较大，约580万行，通过程序“ZHSTL程序”将艺术花瓶的STL文件转换为有限元数据文件格式，并且形成具有一定厚度的三角形单元。结点数829092个，单元数829592个。

将有限元数据导入ADINA大型结构分析软件中，形成计算模型。如图4所示。由于网格数量较多，不易看清细致的网格图形。对其内部详细网格图如图5 所示。

材料为PLA，其力学参数见下表。

表1 PLA材料的力学参数。

坐标为直角坐标系统，如图4中所示。

边界条件：艺术花瓶底部固定，即：底部x＝0、y＝0、z＝0。由此形成的有限元网格，根据计算需要，又保留了STL的网格形成了一套3D打印与有限元的同一网格。

本实施例通过三角形网格可以无遗漏无重复地包络整个结构的外形与内部结构，3D打印也多数采用此类数据格式。能够使令人头疼的复杂结构，尤其大型岩土工程，水电工程，桥隧公路，高耸结构的统一计算网格的划分，也得了新的途径。

Claims

1.一种薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：数字建模形成STL包络图，薄壁结构的精细数字图形模型，对于内外各个表面可形成STL三角网络，STL格式的数据文件经过专用的切片软件将STL网格模型模型在高度方向切片，每一片有许多线组成，3D打印机通过打印每一片上的线段完成整个模型的打印；

2.根据权利要求1所述的薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法，其特征在于，形成内表面三角形的方法：外表面三角形的外法线方向为合成矢量为沿着的负方向产生新的内表面结点，设外表面与内表面的距离为D，在负方向的截距为D_L，产生的新内表面结点坐标为x′＝x-D_L×a_x；y′＝y-D_L×a_y；z′＝z-D_L×a_z；每一个上表面结点都会按上述方法在下表面产生新的结点，根据上表面单元信息，可得到体单元信息。

3.根据权利要求1所述的薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法，其特征在于，进行有限元力学计算分析时，先将上述STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式。

4.根据权利要求1所述的薄壁结构3D打印与数值计算统一网格的方法，其特征在于，其中有许多不符合计算要求的三角形，通过程序不符合计算要求的三角形进行处理后，形成符合计算要求的三角形网格。