CN112926241B - 构造轻量化晶格结构单元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种构造轻量化晶格结构单元的方法，包括步骤：S1.构建晶格结构单元的轻量化模型而生成轻量化的晶格结构单元；S2.确定所述晶格结构单元的密度特征参数；S3.判断所述密度特征参数的值是否小于设定的阈值，若是，则进入步骤S4，若否，则测算所述晶格结构单元的密度，得到已知密度的晶格结构单元；S4.在小于所述阈值的范围内，调整所述密度特征参数的值使得晶格结构单元的密度达到预设的目标密度，得到所述目标密度的晶格结构单元。本发明的一种构造轻量化晶格结构单元的方法，构造过程简单可靠，适应性强，能够灵活地制作出不同密度的晶格结构。

Description

构造轻量化晶格结构单元的方法
技术领域
本发明涉及晶格领域，具体涉及一种构造轻量化晶格结构单元的方法。
背景技术
传统制造工艺难以实现复杂构型的晶格结构的制造，使得相关研究一度进入瓶颈期，而增材制造技术的成熟推进了轻量化设计领域的研究和发展。增材制造方法不仅可以帮助设计人员快速生产出新的设计结构，且生产出的部件强度远超常规的铸造件，与锻造件强度相似或更优。此外增材制造工艺直接以CAD数据作为基础，不需要模具、降低了成本，让部件以更快的速度投入使用，最多可节省75％的时间，实现快速响应、快速制造。
但目前，面向增材制造的结合晶格结构的轻量化设计方法过程较为复杂，构造过程容易出错，也无法有效地制作出不同密度的晶格结构。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供构造轻量化晶格结构单元的方法，构造过程简单可靠，适应性强，能够灵活地制作出不同密度的晶格结构。
本发明的构造轻量化晶格结构单元的方法，包括如下步骤：
S1.构建晶格结构单元的轻量化模型而生成轻量化的晶格结构单元；
S2.确定所述晶格结构单元的密度特征参数；
S3.判断所述密度特征参数的值是否小于设定的阈值，若是，则进入步骤S4，若否，则测算所述晶格结构单元的密度，得到已知密度的晶格结构单元；
S4.在小于所述阈值的范围内，调整所述密度特征参数的值使得晶格结构单元的密度达到预设的目标密度，得到所述目标密度的晶格结构单元。
进一步，步骤S1中，若所述晶格结构单元为桁架点阵晶格单元，根据如下步骤构建桁架点阵晶格单元的轻量化模型：
a.以所述桁架点阵晶格单元的中心点为原点，构建三维空间直角坐标系；
b.确定桁架点阵晶格单元中各顶点在三维空间直角坐标系中的坐标信息；其中，顶点Ni的坐标信息为(idi，xi，yi，zi)，idi为顶点i的序号，xi为顶点i的x轴坐标，yi为顶点i的y轴坐标，zi为顶点i的z轴坐标；
c.确定桁架点阵晶格单元中各顶点之间的连接关系；其中，顶点Ni与顶点Nj之间的连接关系为(idij，idi，idj)，idij为连接序号，idj为顶点j的序号，i以及j均为标记符号；
d.以各顶点的坐标信息以及各顶点之间的连接关系为建模参数进行建模处理，得到桁架点阵晶格单元的轻量化模型；
若所述晶格结构单元为隐式曲面晶格单元，根据如下步骤构建隐式曲面晶格单元的轻量化模型：
S11.以所述隐式曲面晶格单元的中心点为原点，构建三维空间直角坐标系,并确定所述隐式曲面晶格单元的曲面空间函数F；所述曲面空间函数F为：
F＝f1(x,y,z)，其中，x、y以及z分别为所述曲面空间函数F在所述三维空间直角坐标系中的x轴坐标值、y轴坐标值以及z轴坐标值，f1为x、y以及z的运算法则表达式；
S12.分别确定所述曲面空间函数F中x、y以及z对应的定义域；
S13.生成所述曲面空间函数F的对象文件；
S14.对所述曲面空间函数的对象文件进行建模处理，得到隐式曲面晶格单元的轻量化模型。
进一步，步骤S2中，若所述晶格结构单元为桁架点阵晶格单元，则将桁架点阵晶格单元的桁架截面圆直径作为密度特征参数；
若所述晶格结构单元为隐式曲面晶格单元，则将隐式曲面晶格单元的曲面层厚作为密度特征参数。
进一步，还包括，步骤S5.对确定了密度的晶格结构单元进行强度测试处理，得到强度测试结果。
进一步，所述步骤S5，具体包括：
S51.确定所述晶格结构单元的强度测试函数f；所述强度测试函数f为：f＝(A-D)/[1+(X/C)B]+D；其中，A、B、C以及D均为系数，X为所述晶格结构单元的密度；
S52.判断所述晶格结构单元的相对杨氏模量的值是否小于所述强度测试函数f的值，若是，则所述晶格结构单元的强度不满足设定标准，若否，则所述晶格结构单元的强度满足设定标准；其中，所述相对杨氏模量为所述晶格结构单元的最大杨氏模量与致密结构的杨氏模量的比值。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种构造轻量化晶格结构单元的方法，通过对不同的晶格结构单元进行轻量化模型设计，从而得到轻量化的晶格结构单元，适应性强，构造过程简单可靠；通过目的性地调整晶格结构单元的密度特征参数，能够灵活地制作出不同密度的晶格结构单元。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的桁架点阵晶格单元结构示意图；
图3为本发明的隐式曲面晶格单元结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图1所示：
本发明的构造轻量化晶格结构单元的方法，包括如下步骤：
S1.构建晶格结构单元的轻量化模型而生成轻量化的晶格结构单元；
S2.确定所述晶格结构单元的密度特征参数；
S3.判断所述密度特征参数的值是否小于设定的阈值，若是，则进入步骤S4，若否，则测算所述晶格结构单元的密度，得到已知密度的晶格结构单元；
S4.在小于所述阈值的范围内，调整所述密度特征参数的值使得晶格结构单元的密度达到预设的目标密度，得到所述目标密度的晶格结构单元。
本实施例中，步骤S1中，若所述晶格结构单元为桁架点阵晶格单元，则以图2中Octet-truss桁架点阵晶格单元为例，根据如下步骤构建Octet-truss桁架点阵晶格单元的轻量化模型：
a.以所述桁架点阵晶格单元的中心点为原点，构建三维空间直角坐标系；其中，所述三维空间直角坐标系的坐标平面根据实际情况进行设置；
b.确定桁架点阵晶格单元中各顶点在三维空间直角坐标系中的坐标信息；其中，顶点Ni的坐标信息为(idi，xi，yi，zi)，idi为顶点i的序号，xi为顶点i的x轴坐标，yi为顶点i的y轴坐标，zi为顶点i的z轴坐标；顶点的坐标信息如表1所示：
表1
顶点序号 x轴坐标 y轴坐标 z轴坐标
0 0.49999964237213135 -0.49999698996543884 0.9999995231628418
1 1.4999996423721313 0.50000303983688354 0.9999995231628418
2 1.4999996423721313 -0.49999698996543884 0.9999995231628418
3 0.49999964237213135 0.50000303983688354 0.9999995231628418
4 1.4999996423721313 0.50000303983688354 -4.76837158203125e-07
… … … …
c.确定桁架点阵晶格单元中各顶点之间的连接关系；其中，顶点Ni与顶点Nj之间的连接关系为(idij，idi，idj)，idij为连接序号，idj为顶点j的序号，i以及j均为标记符号；两顶点之间的连接关系如表2所示：
表2
Figure BDA0002930428040000041
Figure BDA0002930428040000051
d.以各顶点的坐标信息以及各顶点之间的连接关系为建模参数进行建模处理，得到桁架点阵晶格单元的轻量化模型；其中，将表1以及表2中数据均整理成xml标签形式，例如，表1中的第一条数据对应的xml标签形式为：<node id＝"0"x＝"0.49999964237213135"y＝"-0.49999698996543884"z＝"0.9999995231628418"/>；表2中的第一条数据对应的xml标签形式为：<beam id＝"0"n1＝"0"n2＝"1"/>；然后将表1以及表2分别对应的xml标签形式数据均保存为txt格式的文档，并将所述txt格式的文档录入到nTopology-element软件，通过所述nTopology-element软件的解析，生成桁架点阵晶格单元的轻量化模型。
若所述晶格结构单元为隐式曲面晶格单元，则以图3中Sheet-Diamond隐式曲面晶格单元为例，根据如下步骤构建Sheet-Diamond隐式曲面晶格单元的轻量化模型：
S11.以所述隐式曲面晶格单元的中心点为原点，构建三维空间直角坐标系,并确定所述隐式曲面晶格单元的曲面空间函数F；所述曲面空间函数F为：
F＝sin(x)*sin(y)*sin(z)+sin(x)*cos(y)*cos(z)+cos(x)*sin(y)*cos(z)+cos(x)*cos(y)*sin(z)，其中，x、y以及z分别为所述曲面空间函数在所述三维空间直角坐标系中的x轴坐标值、y轴坐标值以及z轴坐标值；所述三维空间直角坐标系的坐标平面根据实际情况进行设置；
S12.分别确定所述曲面空间函数F中x、y以及z对应的定义域；其中，所述x、y以及z对应的定义域均为[-3,3]；
S13.将上述确定好定义域的曲面空间函数F录入到mathmob软件，则可以生成所述曲面空间函数F的对象文件，所述对象文件为obj格式；
S14.将所述曲面空间函数的对象文件录入到nTopology-element软件中，通过所述nTopology-element软件的解析，生成隐式曲面晶格单元的轻量化模型。
需要说明的是，所述nTopology-element软件以及mathmob软件均采用现有的处理软件，在此不再赘述。
本实施例中，步骤S2中，若所述晶格结构单元为桁架点阵晶格单元，则将桁架点阵晶格单元的桁架截面圆直径作为密度特征参数；其中，所述桁架截面圆是指桁架晶格结构单元的横截面形状为圆形；
若所述晶格结构单元为隐式曲面晶格单元，则将隐式曲面晶格单元的曲面层厚作为密度特征参数。
本实施例中，在步骤S3与S4中，若所述晶格结构单元为桁架点阵晶格单元，则判断桁架点阵晶格单元的桁架截面圆直径是否小于桁架点阵晶格单元空间边长的1/5，若是，则桁架点阵晶格单元的密度会随桁架点阵晶格单元的直径的增长而增长，如图2所示，以Octet-truss桁架点阵晶格单元为例，在1cm*1cm*1cm的单元当中，当桁架截面圆直径为0.08cm时，其截面积为0.00503cm2，而密度为10.993％；当桁架截面圆直径为0.1cm时，其截面积为0.00785cm2，而密度为16.59％，也即是所述桁架点阵晶格单元的密度与所述桁架截面圆直径成正比，在小于桁架点阵晶格单元空间边长的1/5的范围内，调整所述桁架截面圆直径的大小，可以使得桁架点阵晶格单元的密度达到预设的目标密度；若否，也即是当桁架截面圆直径过大而出现相邻桁架相交时，此时密度不再与桁架截面圆直径成正比关系，则通过实际测算得到所述桁架点阵晶格单元的密度。
若所述晶格结构单元为隐式曲面晶格单元，则判断隐式曲面晶格单元的曲面层厚是否小于隐式曲面晶格单元空间边长的1/5，若是，则隐式曲面晶格单元的密度会随隐式曲面晶格单元的曲面层厚的增长而增长，如图3所示，以Sheet-Diamond隐式曲面晶格单元为例，在1cm*1cm*1cm的单元当中，当曲面层厚为0.05cm时，密度为11.446％；当曲面层厚为0.08cm时，密度为18.98％，也即是所述隐式曲面晶格单元的密度与所述曲面层厚成正比，在小于隐式曲面晶格单元空间边长的1/5的范围内，调整所述曲面层厚的大小，可以使得隐式曲面晶格单元的密度达到预设的目标密度；若否，也即是当曲面层厚过大而出现相邻曲面互相搭接与重合时，此时密度不再与曲面层厚成正比关系，则通过实际测算得到所述隐式曲面晶格单元的密度。
也即是，晶格结构单元的密度由密度特征参数决定，通过建立所述密度与所述密度特征参数之间的对应关系来简化晶格结构单元的密度设计过程，从而根据设计需求生成一系列具有不同密度值的单元晶格结构。
本实施例中，还包括，步骤S5.对确定了密度的晶格结构单元进行强度测试处理，得到强度测试结果。从而可以得到经过轻量化处理后的晶格结构单元的强度，进而筛选出符合一定强度标准的晶格结构单元。
本实施例中，所述步骤S5，具体包括：
S51.确定所述晶格结构单元的强度测试函数f；所述强度测试函数f为：f＝(A-D)/[1+(X/C)B]+D；其中，A、B、C以及D均为系数，X为所述晶格结构单元的密度；所述系数A、B、C以及D根据制作晶格结构单元所使用的材料的不同而不同，而不同的材料在进行不同的晶格设计时，会有不同的材料性能；
S52.判断所述晶格结构单元的相对杨氏模量的值是否小于所述强度测试函数f的值，若是，则所述晶格结构单元的强度不满足设定标准，若否，则所述晶格结构单元的强度满足设定标准；其中，所述相对杨氏模量为所述晶格结构单元的最大杨氏模量与致密结构的杨氏模量的比值。
在所述晶格结构单元的密度为5％～40％区间内，压力测试速率为1mm/min，测试环境温度在26摄氏度条件下，对具有所述晶格结构的试验样品进行测试，得到试验样品的最大杨氏模量，并将该试验样品的最大杨氏模量作为所述晶格结构单元的最大杨氏模量。
需要说明的是，所述晶格结构单元的密度为所述晶格结构单元的实际体积与所述晶格结构单元对应的立方体体积的比值；比如，所述晶格结构单元对应的立方体体积为2*2*2(cm3)，那么所述晶格结构单元的实际体积为在2*2*2(cm3)立方体的基础上做出的镂空结构所形成的体积V(cm3)，那么所述晶格结构单元的密度为V/(2*2*2)；所述致密结构为所述晶格结构单元对应的立方体。
一般地，减重结构在杨氏模量、抗拉强度、抗扭强度以及最大应力等机械性能上与致密结构相比，均会大幅下降，但在利用晶格结构进行轻量化设计后，能够最大程度地利用结构质量，实现轻量化后的强度最大。其中，抗拉强度、抗扭强度以及最大应力等机械性能均可以通过对具有相应晶格结构的试样样品进行试验测试得到，所述试验测试均采用现有的测试技术。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种构造轻量化晶格结构单元的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.构建晶格结构单元的轻量化模型而生成轻量化的晶格结构单元；
若所述晶格结构单元为隐式曲面晶格单元，根据如下步骤构建隐式曲面晶格单元的轻量化模型：
S11.以所述隐式曲面晶格单元的中心点为原点，构建三维空间直角坐标系,并确定所述隐式曲面晶格单元的曲面空间函数F；所述曲面空间函数F为：
F＝f1(x,y,z)，其中，x、y以及z分别为所述曲面空间函数F在所述三维空间直角坐标系中的x轴坐标值、y轴坐标值以及z轴坐标值，f1为x、y以及z的运算法则表达式；
S12.分别确定所述曲面空间函数F中x、y以及z对应的定义域；
S13.生成所述曲面空间函数F的对象文件；
S14.对所述曲面空间函数的对象文件进行建模处理，得到隐式曲面晶格单元的轻量化模型；
S2.确定所述晶格结构单元的密度特征参数；
S3.判断所述密度特征参数的值是否小于设定的阈值，若是，则进入步骤S4，若否，则测算所述晶格结构单元的密度，得到已知密度的晶格结构单元；
S4.在小于所述阈值的范围内，调整所述密度特征参数的值使得晶格结构单元的密度达到预设的目标密度，得到所述目标密度的晶格结构单元。
2.根据权利要求1所述的构造轻量化晶格结构单元的方法，其特征在于：步骤S1中，若所述晶格结构单元为桁架点阵晶格单元，根据如下步骤构建桁架点阵晶格单元的轻量化模型：
a.以所述桁架点阵晶格单元的中心点为原点，构建三维空间直角坐标系；
b.确定桁架点阵晶格单元中各顶点在三维空间直角坐标系中的坐标信息；其中，顶点Ni的坐标信息为(idi,xi,yi,zi)，idi为顶点i的序号，xi为顶点i的x轴坐标，yi为顶点i的y轴坐标，zi为顶点i的z轴坐标；
c.确定桁架点阵晶格单元中各顶点之间的连接关系；其中，顶点Ni与顶点Nj之间的连接关系为(idij,idi,idj)，idij为连接序号，idj为顶点j的序号，i以及j均为标记符号；
d.以各顶点的坐标信息以及各顶点之间的连接关系为建模参数进行建模处理，得到桁架点阵晶格单元的轻量化模型。
3.根据权利要求1所述的构造轻量化晶格结构单元的方法，其特征在于：步骤S2中，若所述晶格结构单元为桁架点阵晶格单元，则将桁架点阵晶格单元的桁架截面圆直径作为密度特征参数；
若所述晶格结构单元为隐式曲面晶格单元，则将隐式曲面晶格单元的曲面层厚作为密度特征参数。
4.根据权利要求1所述的构造轻量化晶格结构单元的方法，其特征在于：还包括，步骤S5.对确定了密度的晶格结构单元进行强度测试处理，得到强度测试结果。
5.根据权利要求4所述的构造轻量化晶格结构单元的方法，其特征在于：所述步骤S5，具体包括：
S51.确定所述晶格结构单元的强度测试函数f；所述强度测试函数f为：f＝(A-D)/[1+(X/C)B]+D；其中，A、B、C以及D均为系数，X为所述晶格结构单元的密度；
S52.判断所述晶格结构单元的相对杨氏模量的值是否小于所述强度测试函数f的值，若是，则所述晶格结构单元的强度不满足设定标准，若否，则所述晶格结构单元的强度满足设定标准；其中，所述相对杨氏模量为所述晶格结构单元的最大杨氏模量与致密结构的杨氏模量的比值。
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SLM lattice structures: Properties, performance, applications and challenges;Tobias Maconachie 等;《Materials and Design》;20190819;1-18 *
基于周期性晶格的 3D 打印模型轻量化方法;肖文磊 等;《图学学报》;20201208;第42卷(第2期);263-270 *
多级仿生建模及优化技术;喻长江 等;《中国机械工程》;20190507;第30卷(第9期);1111-1118 *

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