CN110610040B - 一种多相材料梯度点阵结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种多相材料梯度点阵结构设计方法，包括对网格模型进行表面体素化和内部体素化处理；根据划分的单元结合载荷、材料及边界条件对模型进行有限元分析；将体素单元进行分类并建立每个体素体几何信息与多相材料信息的CAD模型；构建不同密度不同材料的点阵单胞；从点阵单元库中选择合适点阵结构类型建立多相材料信息与力学、隔热和吸声学的映射关系；对多相材料点阵结构采用链表数据结构进行表示；生成多相材质点阵梯度源，以梯度函数生成所需的多相材料梯度点阵结构。本发明利用多相材料拓扑优化单元建立了3D单元与2D像素的关系，通过单元间的多级合并从而极大地降低计算资源，控制过程简易及效率高的优点。

Description

一种多相材料梯度点阵结构设计方法
技术领域
本发明属于3D打印产品设计技术领域，具体涉及一种面向3D打印成形的多相材料梯度点阵结构设计方法。
背景技术
增材制造俗称3D打印技术，特别是金属3D打印技术在航空、航天等军工领域具有广泛的应用价值及前景。随着3D打印技术和CAD建模技术的快速发展，点阵结构以优异的比强度、比刚度、吸声隔热等性能受到广泛关注，已应用到3D打印技术领域。由于传统计算机辅助设计的点阵结构模型均为单一材料，不能描述模型内部材料等属性信息，难以适应几何信息与多相材料信息的复杂产品模型表示的发展需求。因此，探索一种基于体素面向3D打印的多相材料梯度点阵结构设计方法对于提高产品综合性能具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种多相材料梯度点阵结构设计方法，以解决如何提高打印产品的力学、隔热和吸声等综合性能的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种多相材料梯度点阵结构设计方法，该设计方法具体包括如下步骤：
S1、对网格模型进行表面体素化和内部体素化处理；
S2、根据划分的单元结合载荷、材料及边界条件对模型进行有限元分析；
S3、根据有限元分析结果将体素单元进行分类并建立每个体素体几何信息与多相材料信息的CAD模型；
S4、根据多相材料有限元力学、隔热和吸声要求，构建不同密度不同材料的点阵单胞；
S5、从点阵单元库中选择合适点阵结构类型建立多相材料信息与力学、隔热和吸声学的映射关系；
S6、对多相材料点阵结构采用链表数据结构进行表示；
S7、根据点、线、面梯度源规则生成多相材质点阵梯度源，以梯度函数生成所需的多相材料梯度点阵结构。
(三)有益效果
本发明提出的多相材料梯度点阵结构设计方法，包括对网格模型进行表面体素化和内部体素化处理；根据划分的单元结合载荷、材料及边界条件对模型进行有限元分析；将体素单元进行分类并建立每个体素体几何信息与多相材料信息的CAD模型；构建不同密度不同材料的点阵单胞；从点阵单元库中选择合适点阵结构类型建立多相材料信息与力学、隔热和吸声学的映射关系；对多相材料点阵结构采用链表数据结构进行表示；生成多相材质点阵梯度源，以梯度函数生成所需的多相材料梯度点阵结构。
本发明的优点在于：第一，根据体素单元可以快速获得各种类型的点阵及其坐标信息和材料信息，在提高产品成形性能的前提下，极大地降低了传统采用阵列方法获得的几何坐标信息和拓扑信息的求解运算量和复杂度，有利于提高点阵结构生成效率；第二，本发明根据点阵杆中心距离函数获得点阵结构梯度信息，并建立了点阵单元与材料信息的映射关系，为多材质的选取提供了理论依据，有利于提高产品力学性能；第三，本发明是基于材料信息进行多相材料点阵结构成形工艺产品操作简单，易于控制，在满足力学性能的前提，可以有效减少产品的内应力及变形，提高产品的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例多相材料梯度点阵结构设计方法流程图；
图2为本发明实施例中的网格模型体素化示意图；
图3为本发明实施例中的体素模型点阵化示意图；
图4为本发明实施例中的映射函数示意图；
图5为本发明实施例中的多相梯度点阵结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种多相材料梯度点阵结构设计方法，流程如图1，该方法具体包括如下步骤：
S1、对网格模型进行表面体素化和内部体素化处理，如图2所示；
S2、根据划分的单元结合载荷、材料及边界条件对模型进行有限元分析；
S3、根据有限元分析结果将体素单元进行分类并建立每个体素体几何信息(x,y,z)与多相材料信息(M,C)的CAD模型；
S4、根据多相材料有限元力学、隔热和吸声等要求，构建不同密度不同材料的点阵单胞，如图3所示；
S5、从点阵单元库中选择合适点阵结构类型建立多相材料信息与力学、隔热和吸声学的映射关系，如图4所示；
S6、对多相材料点阵结构采用链表数据结构进行表示；
S7、根据点、线、面梯度源等规则生成多相材质点阵梯度源，以梯度函数生成所需的多相材料梯度点阵结构，如图5所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多相材料梯度点阵结构设计方法，其特征在于，所述设计方法具体包括如下步骤：
S1、对网格模型进行表面体素化和内部体素化处理；
S2、根据划分的单元结合载荷、材料及边界条件对模型进行有限元分析；
S3、根据有限元分析结果将体素单元进行分类并建立每个体素体几何信息与多相材料信息的CAD模型；
S4、根据多相材料有限元力学、隔热和吸声要求，构建不同密度不同材料的点阵单胞；
S5、从点阵单元库中选择合适点阵结构类型建立多相材料信息与力学、隔热和吸声学的映射关系；
S6、对多相材料点阵结构采用链表数据结构进行表示；
S7、根据点、线、面梯度源规则生成多相材质点阵梯度源，以梯度函数生成所需的多相材料梯度点阵结构。
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