CN110516377A - 钢结构体系3d打印数据与有限元网格的融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，将钢桁架实体模型输出为STL格式的文件，经过切片软件切片后，将模型在高度方向切片，形成3D打印机打印文件，再钢桁架三维有限元建模及奇异点修正，将有限元数据导入ADINA大型结构分析软件中，形成计算模型。然后将打印STL格式与数值计算有限元网格融合，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。本发明基于STL所有网格点是连续分布节点的特性，提出了分段切割，清除奇异点方法，调整打印数据适合有限元计算的单元的需要。提出了高效率的图形网格转换方法，具有较强的实用性与普遍性。
Description
技术领域
本发明属于钢结构体系3D打印技术领域，具体涉及一种钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法。
背景技术
与薄壁结构的3D打印STL文件格式不同，钢结构构建的STL文件是包围整个型材和钢构件的混合包络网格。只要建立数字图形模型就可很容易得到STL 的打印数据。但是，将STL网格转换为满足有限元计算单元经常产生单元形状扭曲或奇异点的问题。
发明内容
针对将STL网格转换为满足有限元计算单元经常产生单元形状扭曲或奇异点的问题，本发明基于STL所有网格点是连续分布节点的特性，提出一种钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，实现分段切割和清除奇异点，调整打印数据适合有限元计算的单元的需要，为3D打印数据与有限元计算单元网格融合提供可用的捷径。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，包括如下步骤。
步骤一：将钢桁架实体模型输出为STL格式的文件，经过切片软件“CURA”，将模型在高度方向切片，形成3D打印机打印文件“钢桁架.gcode”，通过3D打印机打印。
步骤二：钢桁架三维有限元建模及奇异点修正：通过程序“ZHSTL程序”将钢桁架的STL文件转换为有限元数据文件格式，形成具有一定厚度的三角形单元。
步骤三：将有限元数据导入ADINA大型结构分析软件中，形成计算模型。
步骤四：将打印STL格式与数值计算有限元网格融合，经过数据处理生成三维的有限元计算模型(模拟3D打印构件的空壳模型)，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。
步骤五：形成外表面三维三角形平面网格，应用开发程序，将STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式，它由一系列空间三角形平面表示。通过程序对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维空间三角形网格(一系列用空间三角平面表示的曲面)，称为外表面三角形网格。其形成过程如下。
首先输入实体STL数据，形成坐标结点与空间三角形顶点信息，再根据数据精度给出判断结点坐标是否同一结点的范围阈值EPS，然后扫描所有的结点坐标，判断两点是否小于EPS，同时删除童叠的结点并记录其结点号，再修改三维三角形的顶点信息(因删除重叠结点号后结点编号有变化)，根据各三角形平面单元的法线方向，求出各结点处相连接单元的合成法线方向，沿各结点处合成法线的负方向形成新的结点，新结点个数与原结点个效相等，且一一对应，然后根据原三维平面三角形信息与新的结点信息，得到三维实体单元信息，再输出有限元格式的兰维结点出标和单元信息，最后将三维结点坐标和单元信息导入有限元计算分析软件进行计算，形成符合计算要求的三维空间三角形网格。
步骤六：形成三维有限元网格，仅针对钢桁架杆件横断面为空心薄壁形状的桁架，可将其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。
以四个三角形(在钢桁架角点处会有更多的三角形)外表面为例，研究其生成内表面点的方法。四个三角形的外法线(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DL。D与DL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DL)：
x′＝x-DL×ax；
y′＝y-DL×ay；
z′＝z-DL×az。
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。
打印STL格式与数值计算有限元网格融合方法如下。
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。
对于钢结构桁架要进行有限元力学计算分析，就要先将钢结构桁架的STL 数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式。
有限元数据格式如下。
(1)结点坐标
(2)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打印构件的空壳模型)，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。
步骤三中，坐标为直角坐标系统，边界条件：钢桁架底部四个角固定，即：底部四个角x＝0、y＝0、z＝0。
计算工况：
a)钢桁架在自重荷载下变形及应力状况。
b)钢桁架在自重荷载、顶部承受总合力为10N的荷载(平均分布于钢桁架顶部)下变形及应力状况。
钢桁架三维有限元计算结果。
钢桁架在自重荷载作用下有限元计算。
钢桁架在自重荷载及顶部荷载作用下有限元计算。
本发明的有益效果：本发明基于STL所有网格点是连续分布节点的特性，提出了分段切割，清除奇异点方法，调整打印数据适合有限元计算的单元的需要。计算实例表明该方法为3D打印数据与有限元计算单元网格融合提供了一条可用的捷径。本发明基于STL格式，融合与转化为数值计算网格，可以迅速进行数值计算，在测算与快速评估工程应力应变，变形分布与规律的过程中，提出了高效率的图形网格转换方法，具有较强的实用性与普遍性。
附图说明
图1是钢桁架实体图。
图2是钢桁架模型在高度方向切片图。
图3是钢桁架有限元模型图。
图4是桁架自重X向位移云图。
图5是桁架自重Y向位移云图。
图6是桁架自重Z向位移云图。
图7是桁架自重大主应力(σ1)云图。
图8是桁架自重小主应力(σ3)云图
图9桁架加载实体网格图。
图10是桁架加载X向位移云图
图11桁架加载Y向位移云图。
图12是桁架加载Z向位移云图。
图13是桁架加载大主应力(σ1)云图。
图14是桁架加载小主应力(σ3)云图。
图15是钢桁架3D打印外表面三角形网格图。
图16是三角形网格形成过程流程图。
图17是形成三角形内表面示意图。
具体实施方式
数据采集例如三维激光扫描方法，全景摄影方法，对视几何拍摄方法，无人机倾斜式摄影方法，室内全景摄影方法，它们都可以很容易得到结构的点云数据，据此得到的逆向数字模型，可自动转化为STL，或OBJ格式的文件，也就是包络整个工程的Polygon Soap，通过单体法分离，各个结构件可以进行三维单体打印。本实施例基于STL格式，融合与转化为数值计算网格，可以迅速进行数值计算，在测算与快速评估工程应力应变，变形分布与规律的过程中，提出了高效率的图形网格转换方法如下。
1 3D打印STL与有限元数值计算网格融合方法(钢结构部分)。
1.1钢桁架3D打印。
笋溪河特大桥的三维钢桁架某一跨间的实体图，如图1所示。该钢桁架是一对称结构，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2所示，为某一高度切片图形。
钢桁架模型尺寸400mm×254mm×86mm，每0.20mm切一层，共430层。形成3D打印机打印文件“钢桁架.gcode”，通过3D打印机打印。
1.2钢桁架三维有限元建模及奇异点修正。
单跨钢桁架杆件较少，STL文件相对艺术花瓶文件小的多，约1500行，通过程序“ZHSTL程序”将钢桁架的STL文件转换为有限元数据文件格式，形成具有一定厚度的三角形单元。结点数1918个，单元数2264个。相对于艺术花瓶的结点数和单元数少的多，由于桁架的杆件主要由平面组成，平面的数量较少，从而形成的三角形网格就很少。但同时也带来了不少问题，例如有许多网格的三角形非常细长，产生很尖或很钝的角，也有一定扭曲的或奇异的三角形单元，需要经过一定的处理清除奇异点。
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3所示。
材料为PLA，其力学参数如表1所示。
坐标为直角坐标系统，如图3中所示。
边界条件：钢桁架底部四个角固定，即：底部四个角x＝0、y＝0、z＝0。
计算工况：
a)钢桁架在自重荷载下变形及应力状况。
b)钢桁架在自重荷载、顶部承受总合力为10N的荷载(平均分布于钢桁架顶部)下变形及应力状况。
1.3钢桁架三维有限元计算结果。
1.3.1钢桁架在自重荷载作用下有限元计算结果。
图4、图5、图6为钢桁架自重荷载作用下X、Y、Z向位移云图。
图7为钢桁架自重荷载作用下大主应力(σ1)云图。
图8为钢桁架自重荷载作用下小主应力(σ3)云图。
1.3.2钢桁架在自重荷载及顶部荷载作用下有限元计算结果。
钢桁架在自重荷载和顶部荷载作用下的有限元网格图见图9。
钢桁架在自重荷载、顶部承受总合力为10N荷载(平均分布于钢桁架顶部) 下变形及应力状况如下：
图10、图11、图12为钢桁架自重荷载及顶部荷载作用下X、Y、Z向位移云图。
图13为钢桁架自重荷载及顶部荷载作用下大主应力(σ1)云图。
图14为钢桁架自重荷载及顶部荷载作用下小主应力(σ3)云图。
2钢结构桁架3D打印模型与数值计算统一网格技术。
2.1打印STL格式与数值计算有限元网格融合方法。
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。
对于钢结构桁架要进行有限元力学计算分析，就要先将钢结构桁架的STL 数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式。
有限元数据格式如下：
(1)结点坐标
(2)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打印构件的空壳模型)，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。
2.2生成有限元模型网格原理。
2.2.1形成外表面三维三角形平面网格。
应用开发程序，将STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式，它由一系列空间三角形平面表示。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维空间三角形网格(一系列用空间三角平面表示的曲面)，称为外表面三角形网格如图15所示。其形成过程如图16所示。
2.2.2形成三维有限元网格。
仅针对钢桁架杆件横断面为空心薄壁形状的桁架，可将其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17所示。
以四个三角形(在钢桁架角点处会有更多的三角形)外表面为例，研究其生成内表面点的方法。四个三角形的外法线(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DL。D与DL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DL)：
x′＝x-DL×ax；
y′＝y-DL×ay；
z′＝z-DL×az。
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。
本发明提出的数字图形介质理论当中，已经扩充并更新了数据采集的一些新技术，例如三维激光扫描方法，全景摄影方法，对视几何拍摄方法，无人机倾斜式摄影方法，室内全景摄影方法，它们都可以很容易得到结构的点云数据，据此得到的逆向数字模型，可自动转化为STL，或OBJ格式的文件，也就是包络整个工程的Polygon Soap，通过单体法分离，各个结构件可以进行三维单体打印。本发明基于STL格式，融合与转化为数值计算网格，可以迅速进行数值计算，在测算与快速评估工程应力应变，变形分布与规律的过程中，提出了高效率的图形网格转换方法，具有较强的实用性与普遍性。随着研究的继续深入，可以预计，该种方法一定会有更多的应用和提高。
Claims (7)
1.一种钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将钢桁架实体模型输出为STL格式的文件，经过切片软件，将模型在高度方向切片，形成3D打印机打印文件“钢桁架.gcode”，通过3D打印机打印；
步骤二：钢桁架三维有限元建模及奇异点修正：通过程序“ZHSTL程序”将钢桁架的STL文件转换为有限元数据文件格式，形成具有一定厚度的三角形单元；
步骤三：将有限元数据导入ADINA大型结构分析软件中，形成计算模型；
步骤四：将打印STL格式与数值计算有限元网格融合，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；
步骤五：形成外表面三维三角形平面网格，应用开发程序，将STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式，它由一系列空间三角形平面表示；对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维空间三角形网格，称为外表面三角形网格；
步骤六：形成三维有限元网格，仅针对钢桁架杆件横断面为空心薄壁形状的桁架，将其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。
2.根据权利要求1所示的钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，其特征在于，形成符合计算要求的三维空间三角形网格的方法如下：
首先输入实体STL数据，形成坐标结点与空间三角形顶点信息，再根据数据精度给出判断结点坐标是否同一结点的范围阈值EPS，然后扫描所有的结点坐标，判断两点是否小于EPS，同时删除童叠的结点并记录其结点号，再修改三维三角形的顶点信息，根据各三角形平面单元的法线方向，求出各结点处相连接单元的合成法线方向，沿各结点处合成法线的负方向形成新的结点，新结点个数与原结点个效相等，且一一对应，然后根据原三维平面三角形信息与新的结点信息，得到三维实体单元信息，再输出有限元格式的兰维结点出标和单元信息，最后将三维结点坐标和单元信息导入有限元计算分析软件进行计算，形成符合计算要求的三维空间三角形网格。
3.根据权利要求1所示的钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，其特征在于，以四个三角形外表面时，研究其生成内表面点的方法如下：
四个三角形的外法线(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DL。D与DL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DL)：
x′＝x-DL×ax；
y′＝y-DL×ay；
z′＝z-DL×az；
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，得到体单元信息。
4.根据权利要求1所示的钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，其特征在于，打印STL格式与数值计算有限元网格融合方法如下：
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；
对于钢结构桁架要进行有限元力学计算分析时，先将钢结构桁架的STL数据格式转换为用有限元方法表示的数据格式。
5.根据权利要求4所示的钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，其特征在于，有限元数据格式如下：
(1)结点坐标：
(2)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打印构件的空壳模型)，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。
6.根据权利要求1所示的钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，其特征在于，步骤三中，坐标为直角坐标系统，边界条件：钢桁架底部四个角固定，即：底部四个角x＝0、y＝0、z＝0；
计算工况：
a)钢桁架在自重荷载下变形及应力状况；
b)钢桁架在自重荷载、顶部承受总合力为10N的荷载下变形及应力状况。
7.根据权利要求6所示的钢结构体系3D打印数据与有限元网格的融合方法，其特征在于，包括对钢桁架三维有限元计算结果，钢桁架在自重荷载作用下有限元计算结果，或者钢桁架在自重荷载及顶部荷载作用下有限元计算结果。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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