CN110705093A - 一种轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法，包括建立点阵晶胞单元结构模型和点阵连杆柱体结构数据轻量化处理。本发明简易高效，适用于各类参数化建模软件；对点阵晶胞单元的数据轻量化处理方法能够实现晶胞单元数据量降低50％以上，处理后的晶胞单元转换为SLM技术的标准格式后，可以实现快速阵列和布尔运算，极大地提高模型处理效率，有效降低模型内存数据，大大提高运算处理时间，降低点阵结构应用过程中对计算机运算能力的要求。此外，通过对点阵连杆汇集处承力点进行结构优化，能够有效提高点阵结构的承载能力。

Description

一种轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法。

背景技术

超轻质点阵结构作为一种含有多孔有序微结构的新型先进结构材料，具有轻质、高比强度、比刚度、多功能等特性，被认为是航空、航天领域中最有应用前景的新一代轻质结构功能一体化材料。轻质点阵结构具有更高的孔隙率和良好的力学性能，同时具备可设计性，更容易实现多功能一体化设计。但在制备工艺上，原有的冲压成型+融模铸造方法制造的点阵结构，晶胞单元尺寸较大，且工艺复杂，连接强度低，无法满足现有飞航产品的需求，所以应用甚少。

选区激光熔化成形技术(SLM)可实现对于轻质点阵结构的快速制造，不会因为复杂的几何形状导致时间和成本的额外增加，这种技术解决了轻质三维点阵结构在工程应用中的制造工艺性限制难题。但是点阵结构的特殊结构形式导致参数化建模过程中会产生庞大的数据量，对计算机的处理能力提出严苛的要求，在SLM成形工艺设计过程中，对模型处理、点阵嵌入、分层切片、格式转换等前处理环节带来很大困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法，以解决如何提高模型处理效率，降低模型内存数据的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法，该方法包括如下步骤：

S1、建立点阵晶胞单元结构模型，具体包括：

S1-1、通过在设计空间内插入曲线的方式，完成菱形十二面体晶胞单元的基本结构设计，形成点阵结构体及晶胞单元结构线框架；

S1-2、在晶胞单元结构线框架中进行管道拉伸操作，对各管道进行布尔求和，形成晶胞单元主体结构；

S1-3、对晶胞单元连杆连接处进行强化结构设计，在连杆连接和晶胞单元节点处插入等径球体，对主体结构和节点球体布尔求和，完成晶胞单元结构建立；

S1-4、利用晶胞单元结构外轮廓包覆单元正方体对已建立的晶胞单元结构进行切分处理，将正方体六个平面分别对晶胞单元切分，以便于实现晶胞单元的后续阵列；

S2、点阵连杆柱体结构数据轻量化处理，具体包括：

S2-1、对晶胞单元结构内的连杆进行面片化处理，将原柱体类结构优化为片体结构；

S2-2、对作为晶胞单元连杆连接承力点的球体特征进行面片化处理，除去原晶胞单元节点中的球体结构，将节点处球体连接进行倒斜角或斜面处理，并对整体结构面片进行表面光顺滑处理。

进一步地，在步骤S1-1中，晶胞单元的最大外形包覆尺寸为10mm×10mm×10mm的单元正方体。

进一步地，在步骤S1-2中，管道内径设置为0mm，管道外径设置为1mm。

进一步地，在步骤S1-3中，球体半径设置为1mm。

进一步地，在步骤S2-1中，将柱体结构处理为十二面柱体。

(三)有益效果

本发明提出的轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法，包括建立点阵晶胞单元结构模型和点阵连杆柱体结构数据轻量化处理。本发明简易高效，适用于各类参数化建模软件；对点阵晶胞单元的数据轻量化处理方法能够实现晶胞单元数据量降低50％以上，处理后的晶胞单元转换为SLM技术的标准格式后，可以实现快速阵列和布尔运算，极大地提高模型处理效率，有效降低模型内存数据，大大提高运算处理时间，降低点阵结构应用过程中对计算机运算能力的要求。此外，通过对点阵连杆汇集处承力点进行结构优化，能够有效提高点阵结构的承载能力。

附图说明

图1为本实施例中菱形十二面体的晶胞单元结构线框架示意图：(a)～(c)为不同角度示意图；

图2为本实施例中菱形十二面体的晶胞单元结构示意图：(a)为局部放大图，(b)和(c)为整体不同角度示意图；

图3为本实施例中进行阵列及布尔运算的晶胞单元结构示意图：(a)为局部放大图，(b)和(c)为整体不同角度示意图；

图4为本实施例中数据轻量化处理后的晶胞单元结构示意图：(a)为局部放大图，(b)为整体示意图；

图5为本实施例中晶胞单元结构经轻量化处理前(a)与处理后(b)的内存对比。

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。

本实施例提出一种具有菱形十二面体结构的轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法，该方法具体包括如下步骤：

S1、建立点阵晶胞单元结构模型，具体包括：

S1-1、采用UG参数化建模软件进行模型设计，通过在设计空间内插入曲线的方式，完成菱形十二面体晶胞单元的基本结构设计，晶胞单元的最大外形包覆尺寸为10mm×10mm×10mm的单元正方体，以便于实现后续晶胞单元阵列，形成点阵结构体。该菱形十二面体的晶胞单元结构线框架，如图1所示。

S1-2、在晶胞单元结构线框架中进行管道拉伸操作，对各管道进行布尔求和，形成晶胞单元主体结构，管道内径设置为0mm，管道外径根据使用要求进行设置，本实施例设置为1mm。

S1-3、对晶胞单元连杆连接处进行强化结构设计，通常为在连杆连接和晶胞单元节点处插入等径球体，本实施例中球体半径设置为1mm，对主体结构和节点球体布尔求和，完成晶胞单元结构建立，晶胞单元结构如图2所示。

S1-4、利用晶胞单元结构外轮廓包覆的10mm×10mm×10mm单元正方体对已建立的晶胞单元结构进行切分处理，将正方体六个平面分别对晶胞单元切分，以便于实现晶胞单元的后续阵列，处理后的晶胞单元结构模型如图3所示。

S2、点阵连杆柱体结构数据轻量化处理

在建立好的晶胞单元结构模型中，主体结构均为柱体、球体连接和布尔求和，因晶胞单元结构内连杆、球体等特征在参数化建模环境中数据量庞大，本实施例中晶胞单元在转换成SLM工艺模型处理所需的STL格式后仍占用3.52MB数据内存，在实际应用中需要根据模型特点对晶胞单元阵列求和，数据量巨大，难以高效完成阵列和实际应用。因此，需要对晶胞单元结构进行数据轻量化处理，具体包括：

S2-1、对晶胞单元结构内的连杆进行面片化处理，将原柱体类结构优化为片体结构，本实施例中将柱体结构处理为十二面柱体。

S2-2、对晶胞单元连杆连接承力点(即球体特征)进行面片化处理，除去原晶胞单元节点中的球体结构，将节点处球体连接进行倒斜角或斜面处理，并对整体结构面片进行表面光顺滑处理。对连杆长度、晶胞单元承力连接点根据SLM成形工艺性进行设置，轻量化处理后的晶胞单元结构，如图4所示。

经轻量化处理后的晶胞单元整体外形尺寸不变，完成STL格式转换后只需占用1.08MB数据内存，数据量降低70％。数据轻量化处理前后的内存对比如图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 (5)

1.一种轻质点阵结构参数化建模及数据轻量化处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、建立点阵晶胞单元结构模型，具体包括：

S1-1、通过在设计空间内插入曲线的方式，完成菱形十二面体晶胞单元的基本结构设计，形成点阵结构体及晶胞单元结构线框架；

S1-2、在晶胞单元结构线框架中进行管道拉伸操作，对各管道进行布尔求和，形成晶胞单元主体结构；

S1-3、对晶胞单元连杆连接处进行强化结构设计，在连杆连接和晶胞单元节点处插入等径球体，对主体结构和节点球体布尔求和，完成晶胞单元结构建立；

S1-4、利用晶胞单元结构外轮廓包覆单元正方体对已建立的晶胞单元结构进行切分处理，将正方体六个平面分别对晶胞单元切分，以便于实现晶胞单元的后续阵列；

S2、点阵连杆柱体结构数据轻量化处理，具体包括：

S2-1、对晶胞单元结构内的连杆进行面片化处理，将原柱体类结构优化为片体结构；

S2-2、对作为晶胞单元连杆连接承力点的球体特征进行面片化处理，除去原晶胞单元节点中的球体结构，将节点处球体连接进行倒斜角或斜面处理，并对整体结构面片进行表面光顺滑处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1-1中，所述晶胞单元的最大外形包覆尺寸为10mm×10mm×10mm的单元正方体。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1-2中，管道内径设置为0mm，管道外径设置为1mm。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1-3中，所述球体半径设置为1mm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2-1中，将柱体结构处理为十二面柱体。

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