CN114970292A - 一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统及方法 - Google Patents

一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统及方法：涉及增材制造技术领域，包括采集仿生产品的CAD设计方案，获取增材制造打印参数，生成增材制造产品结构内部节点，并划分网格，构建有限元结构模型，获取刚度矩阵、质量矩阵、单元节点编号和节点位置信息；生成用于反应仿生产品强度、刚度属性的待识别参数；按单元节点编号由小到大的方式，对待识别参数进行组装，赋予节点位置信息，生成用于优化增材制造的优化参数变量；基于数字孪生模型，依据优化参数变量，构建用于增材制造的仿生产品模型。

Description

一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统及方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体而言，涉及一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统及方法。
背景技术
增材制造（3D打印）作为近年来快速成长的高端数字化制造技术，是先进制造业中最具潜力和最有发展前景的战略方向，是“引领第三次工业技术革命的核心技术之一”。然而，现今的增材制造模式远未达到全程数字化和高度智能化的水平，更未实现工艺过程和产品指标的信息交互与实时反馈。在减材和等材制造主导天下的产业体系中逐渐推广增材及其复合制造的绿色模式，在工业体系中全面推进增材模式的转变仍任重道远。
特别伴随物联网、大数据和人工智能等技术的发展，新一代信息技术与实体制造正加快融合，人们与增材制造物理世界的交互方式正在发生新的变化。数字孪生作为推动未来数字化转型的核心技术，它充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度的仿真过程，在物理世界和数字世界之间建立精准的联系，在虚拟空间中完成对物理实体的映射，从而反映物理实体的全生命周期过程，将是引领增材制造走向产业化的“金钥匙”。众所周知，增材制造过程具有“数字化”的天然属性。从微分式的增材产品设计到积分式的材料累积成型，从定量化的制造参数选择到数字化的工艺路径规划，增材制造过程产生的数据和算法是核心的数字资产。仿生增材制造是基于生物生长成形原理构建增材制造的新理论、新方法和新技术，亦或是依据仿生设计规则，增材制造出类生物复杂结构及其制品的过程。作为仿生制造与增材制造的交叉，仿生学为增材制造提供了全新的设计灵感及方法原理，增材制造则为仿生学赋予了新的内涵，极大延伸了仿生制造的物理空间及实现手段。
采用数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法是实现基于增材制造的数字孪生技术的前期基础与技术保障，因此，急需一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法及系统，满足用于增材制造的数字孪生技术的前期技术需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用与增材制造仿生产品具有高保真度的有限元模型为基础，基于ABAQUS二次开发并结合matlab自编译程序，实现复杂仿生结构单元矩阵的提取与总体矩阵的组装，通过赋予产品结构的单元矩阵可识别参数并结合实时监测的数据反馈信号，实现数字孪生模型的更新与修正。
为了实现上述技术目的，本申请提供了一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统，包括：
数据处理模块，用于根据仿生产品的CAD设计方案，获取增材制造打印参数，生成增材制造产品结构内部节点，并划分网格，构建用于表征仿生产品的有限元结构模型；
信息采集模块，用于提取有限元结构模型的结构单元矩阵及节点信息，其中，结构单元矩阵包括刚度矩阵、质量矩阵，节点信息包括单元节点编号和节点位置信息；
信息处理模块，用于根据刚度矩阵、质量矩阵，生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数；
变量提取模块，用于按单元节点编号由小到大的方式，对待识别参数进行组装，赋予节点位置信息，并利用数据压缩技术，生成用于优化增材制造的优化参数变量；
产品建模模块，用于基于数字孪生模型，依据优化参数变量，构建用于增材制造的仿生产品模型，其中，仿生产品模型用于：对基于节点位置信息的用于增材制造的物理参数根据优化参数变量进行动态更新。
优选地，仿生产品建模系统还包括数据采集模块和信息更新模块；
数据采集模块用于采集物理参数；
信息更新模块用于根据优化参数变量对物理参数进行动态更新，或根据物理参数对优化参数变量进行动态更新。
一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，包括以下步骤：
S1，采集仿生产品的CAD设计方案，获取增材制造打印参数，生成增材制造产品结构内部节点，并划分网格，构建用于表征仿生产品的有限元结构模型；
S2，提取有限元结构模型的结构单元矩阵及节点信息，其中，结构单元矩阵包括刚度矩阵、质量矩阵，节点信息包括单元节点编号和节点位置信息；
S3，根据刚度矩阵、质量矩阵，生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数；
S4，按单元节点编号由小到大的方式，对待识别参数进行组装，赋予节点位置信息，并利用数据压缩技术，生成用于优化增材制造的优化参数变量；
S5，基于数字孪生模型，依据优化参数变量，构建用于增材制造的仿生产品模型，其中，仿生产品模型用于：对基于节点位置信息的用于增材制造的物理参数根据优化参数变量进行动态更新。
优选地，所述S1中，在构建有限元结构模型的过程中，根据增材制造过程的扫描路径、打印层厚由下而上，逐层均匀划分网格。
优选地，所述S3中，在生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数的过程中，根据强度属性、刚度属性生成弹性模量，将弹性模量作为反应仿生产品特性的待识别参数，其中，待识别参数至少包括弹性模量。
优选地，所述S4中，在生成用于优化增材制造的优化参数变量的过程中，构建用于优化优化参数变量的目标函数，通过有限元计算，获取响应及优化所需样本信息，生成优化参数变量。
优选地，所述S5中，在构建仿生产品模型的过程中，基于广义移动渐进理论，完成对优化参数变量的识别，构建仿生产品模型。
优选地，所述S5中，在对物理参数进行动态更新的过程中，采集物理参数对应的节点位置信息，获取节点位置信息对应的待识别参数；
根据待识别参数，调整有限元结构模型，对优化参数变量进行动态更新。
本发明的有益效果：
本发明提供的方法及系统，满足用于增材制造的数字孪生技术的前期技术需求，为增材制造的数字化技术提供了新的技术思路。
附图说明
图1是本发明仿生产品建模方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统，包括：
数据处理模块，用于根据仿生产品的CAD设计方案，获取增材制造打印参数，生成增材制造产品结构内部节点，并划分网格，构建用于表征仿生产品的有限元结构模型；
信息采集模块，用于提取有限元结构模型的结构单元矩阵及节点信息，其中，结构单元矩阵包括刚度矩阵、质量矩阵，节点信息包括单元节点编号和节点位置信息；
信息处理模块，用于根据刚度矩阵、质量矩阵，生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数；
变量提取模块，用于按单元节点编号由小到大的方式，对待识别参数进行组装，赋予节点位置信息，并利用数据压缩技术，生成用于优化增材制造的优化参数变量；
产品建模模块，用于基于数字孪生模型，依据优化参数变量，构建用于增材制造的仿生产品模型，其中，仿生产品模型用于对基于节点位置信息的用于增材制造的物理参数，根据优化参数变量进行动态更新。
优选地，仿生产品建模系统还包括数据采集模块和信息更新模块；
数据采集模块用于采集物理参数；
信息更新模块用于根据优化参数变量对物理参数进行动态更新，或根据物理参数对优化参数变量进行动态更新。
本发明公开了一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，包括以下步骤：
S1，采集仿生产品的CAD设计方案，获取增材制造打印参数，生成增材制造产品结构内部节点，并划分网格，构建用于表征仿生产品的有限元结构模型；
S2，提取有限元结构模型的结构单元矩阵及节点信息，其中，结构单元矩阵包括刚度矩阵、质量矩阵，节点信息包括单元节点编号和节点位置信息；
S3，根据刚度矩阵、质量矩阵，生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数；
S4，按单元节点编号由小到大的方式，对待识别参数进行组装，赋予节点位置信息，并利用数据压缩技术，生成用于优化增材制造的优化参数变量；
S5，基于数字孪生模型，依据优化参数变量，构建用于增材制造的仿生产品模型，其中，仿生产品模型用于：对基于节点位置信息的用于增材制造的物理参数根据优化参数变量进行动态更新。
优选地，所述S1中，在构建有限元结构模型的过程中，在获取增材制造打印参数后，根据增材制造过程的扫描路径、打印层厚由下而上，逐层均匀划分网格。
优选地，所述S3中，在生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数的过程中，通过强度、刚度属性的关系，生成用于同时反应强度、刚度的弹性模量，将弹性模量作为反应仿生产品特性的待识别参数，其中，待识别参数至少包括弹性模量。
优选地，所述S4中，在生成用于优化增材制造的优化参数变量的过程中，通过构建用于优化优化参数变量的目标函数，并进行有限元计算，获得了响应及优化所需样本信息，并生成了优化参数变量。
优选地，所述S5中，在构建仿生产品模型的过程中，基于广义移动渐进理论，完成对优化参数变量的识别，构建仿生产品模型。
优选地，所述S5中，在对物理参数进行动态更新的过程中，采集物理参数对应的节点位置信息，获取节点位置信息对应的待识别参数；
根据待识别参数，调整有限元结构模型，对优化参数变量进行动态更新。
实施例1：
本发明提供了一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，包括：
S1：根据仿生产品CAD设计方案并输入增材制造设备的stl文件建立有限元计算模型，基于增材制造打印参数布置增材制造产品结构内部节点，并划分网格；
S2：利用有限元软件对具有复杂结构仿生产品单元、节点信息进行提取；
S3：仿生产品对应有限元模型的单元矩阵属性参数化设置及重新构建总体刚度矩阵；
S4：物理信息驱动的仿生产品数字模型更新、修正方法设计。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明采用的技术方案主要包括：基于仿生产品CAD几何模型的有限元建模、提取结构单元矩阵及节点信息、设定待识别参数使整体结构的有限元模型参数化、选取目标函数利用优化算法实现仿生产品数字模型更新与修正。技术流程图见图1，具体步骤阐述如下，
步骤1、基于CAD几何模型的有限元建模
首先将CAD设计图导入商业有限元软件ABAQUS，根据增材制造过程的扫描路径、打印层厚由下而上，逐层均匀划分网格，完成有限元模型的建立；
步骤2、提取结构单元矩阵及节点信息
基于ABAQUS软件进行python语言二次开发，并结合matlab程序调用，可实现仿生产品对应有限元结构中包含的多种几何特征单元的刚度、质量矩阵分别进行提取，并连同单元节点编号及节点位置信息的关键数据进行文本输出；
步骤3、设定待识别参数使整体结构的有限元模型参数化
选取x表示能够反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数，如弹性模量E，将其无量纲化的相对改变量作为赋予单元矩阵的待识别参数变量，有：
Xi= (Ei- Ei 0)/ Ei
式中， Ei表示真实仿生产品有限元结构对应第i个单元位置处的弹性模量，Ei 0表示与之对应的初始有限元模型弹性模量，Xi表示第i个单元位置处的待识别参数，为将待识别的参数反应出整体结构的刚度、强度，按节点编号由小至大的方式组装整体刚度矩阵、质量矩阵，并利用数据压缩技术保存并输出文本；
步骤4、选取目标函数利用优化算法实现仿生产品数字模型更新与修正
将步骤3形成的待识别参数作为构建目标函数中的优化变量；产品结构上布设的传感器系统将采集信号输入数字孪生模型；基于广义移动渐进理论，完成对产品结构待定参数的识别，形成数字孪生模型-物理模型更新的动态循环过程。
本发明是根据实施例的方法、设备(系统)、计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

Claims (8)

1.一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统，其特征在于：包括
数据处理模块，用于根据仿生产品的CAD设计方案，获取增材制造打印参数，生成增材制造产品结构内部节点，并划分网格，构建用于表征仿生产品的有限元结构模型；
信息采集模块，用于提取有限元结构模型的结构单元矩阵及节点信息，其中，结构单元矩阵包括刚度矩阵、质量矩阵，节点信息包括单元节点编号和节点位置信息；
信息处理模块，用于根据刚度矩阵、质量矩阵，生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数；
变量提取模块，用于按单元节点编号由小到大的方式，对待识别参数进行组装，赋予节点位置信息，并利用数据压缩技术，生成用于优化增材制造的优化参数变量；
产品建模模块，用于基于数字孪生模型，依据优化参数变量，构建用于增材制造的仿生产品模型，其中，仿生产品模型用于：对基于节点位置信息的用于增材制造的物理参数根据优化参数变量进行动态更新。
2.根据权利要求1所述的一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模系统，其特征在于：还包括数据采集模块和信息更新模块；
数据采集模块用于采集物理参数；
信息更新模块用于根据优化参数变量对物理参数进行动态更新，或根据物理参数对优化参数变量进行动态更新。
3.一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，采集仿生产品的CAD设计方案，获取增材制造打印参数，生成增材制造产品结构内部节点，并划分网格，构建用于表征仿生产品的有限元结构模型；
S2，提取有限元结构模型的结构单元矩阵及节点信息，其中，结构单元矩阵包括刚度矩阵、质量矩阵，节点信息包括单元节点编号和节点位置信息；
S3，根据刚度矩阵、质量矩阵，生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数；
S4，按单元节点编号由小到大的方式，对待识别参数进行组装，赋予节点位置信息，并利用数据压缩技术，生成用于优化增材制造的优化参数变量；
S5，基于数字孪生模型，依据优化参数变量，构建用于增材制造的仿生产品模型，其中，仿生产品模型用于：对基于节点位置信息的用于增材制造的物理参数根据优化参数变量进行动态更新。
4.根据权利要求3所述的一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，其特征在于：所述S1中，在构建有限元结构模型的过程中，根据增材制造过程的扫描路径、打印层厚由下而上，逐层均匀划分网格。
5.根据权利要求3所述的一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，其特征在于：所述S3中，在生成用于反应任意复杂结构仿生产品强度、刚度属性的待识别参数的过程中，根据强度属性、刚度属性生成弹性模量，将弹性模量作为反应仿生产品特性的待识别参数。
6.根据权利要求3所述的一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，其特征在于：所述S4中，在生成用于优化增材制造的优化参数变量的过程中，构建用于优化优化参数变量的目标函数，通过有限元计算，获取响应及优化所需样本信息，生成优化参数变量。
7.根据权利要求3所述的一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，其特征在于：所述S5中，在构建仿生产品模型的过程中，基于广义移动渐进理论，完成对优化参数变量的识别，构建仿生产品模型。
8.根据权利要求3所述的一种数字孪生驱动增材制造的仿生产品建模方法，其特征在于：所述S5中，在对物理参数进行动态更新的过程中，采集物理参数对应的节点位置信息，获取节点位置信息对应的待识别参数；
根据待识别参数，调整有限元结构模型，对优化参数变量进行动态更新。
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