CN116127638A - 一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法 - Google Patents

一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，包括：在三维制图软件中设计熔模铸件的几何模型，导出三角面网格格式的STL文件，计算所有节点的法向量；用型壳的三角面网格代替实际型壳，计算出型壳所有节点主曲率极大值并获取对应的型壳厚度，构建曲率和厚度之间的函数关系；将函数关系应用到新的铸件上，计算铸件表面点云法向量，并确定型壳所有节点在法向量方向偏移距离T后的节点坐标，获得型壳外表面的点云；将铸件的网格节点作为型壳内表面，结合型壳外表面的点云，采用delaunay三角剖分方法获得熔模铸件的三维实体网格。本发明能够更加准确地进行铸件成形过程温度场和应力场模拟。

Description

一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法
技术领域
本发明涉及熔模铸造技术领域，具体地，涉及一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法。
背景技术
熔模铸造工艺是制造高温合金热端零部件如机匣、叶片的主要技术，型壳制备是其流程中重要的一个工序，在这类铸件铸造生产过程中，型壳的厚度并不是均匀的，其影响了型壳的力学性能，传热过程的热通量。熔模铸造数值模拟能很好的指导铸件浇注系统设计、型壳与合金之间的力学行为、铸件对环境的散热过程。而如何对型壳实体进行准确的三维数字模型构建是困难的，设计成一致的壁厚则带来一定的误差。一个较好的方法是利用三维扫描技术对型壳实体进行重构，但是这个过程是非常复杂，需要对每一个新的铸件设计进行型壳扫描，无法很好的推广和泛化。目前，虽然ProCAST软件中具有生成型壳网格的功能，并且可以设置不同厚度和不同层数，但是其具体算法和准确性并没有说明。熔模铸件型壳在不同的结构处具有不同的曲率，根据曲率推导出当前位置的型壳生成厚度，可以快速，高效的建立更接近实际的型壳三维模型。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法。
型壳制备的过程包括沾浆、淋砂、干燥、硬化的一层层重复过程，在这个过程中型壳的厚度不断变厚，但是由于曲率的影响，在凹面中会沾上更多的浆料和石英砂，在凸面中则更少。这导致生成的型壳中，如浇注系统连接处的凹面厚度大于平均厚度，而凸面直角边处的型壳厚度小于平均厚度。实际的型壳厚度与曲率存在一定的关系，构建型壳厚度与曲率的函数关系有助于更准确的铸件温度场、应力场模拟计算，从而提高铸件质量。
根据本发明的一个方面，提供一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，该方法包括：
在三维制图软件中设计熔模铸件的几何模型，导出三角面网格格式的STL文件，计算所有节点的法向量；
用型壳的面网格代替实际型壳实体，计算出型壳所有节点主曲率极大值并获取对应的型壳厚度，构建曲率和厚度之间的函数关系；
将所述函数关系应用到新的铸件上，计算铸件表面点云法向量，并确定型壳所有节点在法向量方向偏移距离T后的节点坐标，获得型壳外表面的点云；
将铸件的网格节点作为型壳内表面，结合型壳外表面的点云，采用delaunay三角剖分方法获得熔模铸件的三维实体网格。
进一步地，所述用型壳的面网格代替实际型壳实体，包括：根据三角面网格格式的STL文件，在ProCAST软件中生成型壳，提取出型壳的三角面网格代替实际型壳。
进一步地，所述用型壳的面网格代替实际型壳实体，包括：利用三维扫描仪测量获得型壳内外表面的点云，并划分面网格。
进一步地，所述计算出型壳所有节点主曲率极大值并获取对应的型壳厚度，其中：主曲率极大值的计算公式为k＝y”/[(1+(y')^2)^(3/2)]，其中，k为主曲率极大值，y'、y"分别为函数y对x的一阶和二阶导数。
进一步地，所述计算出型壳所有节点主曲率极大值并获取对应的型壳厚度，其中：型壳厚度计算按以下步骤进行：
提取出铸件表面的STL文件和型壳整体的STL文件；
根据所述铸件表面的STL文件和所述型壳整体的STL文件，采用最近邻算法计算所用型壳节点到铸件表面最近点的距离；
将所述距离投影到对应点的法向量上，即为该点的型壳厚度。
进一步地，所述构建曲率和厚度之间的函数关系，其中：主曲率极大值和厚度之间的函数关系为：T＝21.64k^2-9.435k+5.78。
进一步地，所述确定型壳所有节点在法向量方向偏移距离T后的节点坐标，其中：型壳节点坐标偏移的计算公式为：
Figure BDA0004043943640000021
进一步地，所述在三维制图软件中设计熔模铸件的几何模型，其中：所述几何模型用于曲率和厚度函数的拟合，所述几何模型包括不同曲率的凹面和凸面，曲率用高斯曲率或平均曲率做函数拟合。
进一步地，所述型壳三维实体网格按照实际工艺分多层逐步生成。
与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
本发明提供的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，考虑了熔模铸造制壳的特点，结合实际数据和数学机理构建更接近真实的数字化型壳实体，相比于现有技术中熔模铸造型壳设置为均一厚度，本发明能更加准确地进行铸件成形过程温度场和应力场模拟。而且，本发明通过构建型壳厚度和曲率之间函数关系，可以快速生成铸件型壳的三维数字模型。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例中铸件的曲率计算结果分布示意图；
图3为本发明一实施例中铸件的厚度计算结果分布示意图；
图4为本发明一实施例中提取1000个曲率点的厚度和曲率分布散点图以及函数曲线拟合示意图，其中，横坐标为曲率，纵坐标为厚度；
图5为本发明一实施例种新铸件曲率分布示意图；
图6为本发明一实施例种新铸件型壳外表面的示意图，色标为厚度分布。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，参照图1，该方法包括：
S1，在三维制图软件中设计熔模铸件的几何模型，导出三角面网格格式的STL文件，计算所有节点的法向量；该步骤中设计的熔模铸件具有不同曲率，以方便后续拟合函数关系；
S2，用型壳的面网格(即三角面网格格式的STL文件)代替实际型壳实体，计算出型壳所有节点主曲率极大值并获取对应的型壳厚度，构建曲率和厚度之间的函数关系；具体的，主曲率极大值的计算公式为k＝y”/[(1+(y')^2)^(3/2)]，其中，k为主曲率极大值，x、y为点的坐标，y'、y"分别为函数y对x的一阶和二阶导数；
S3，将函数关系应用到新的铸件上，紧邻铸件的是型壳内表面，然后生成一定厚度，即将内表面上所有节点向外偏移一定距离，就可以得到外表面的节点，因此，计算铸件表面点云法向量，并确定型壳所有节点在法向量方向偏移距离T后的节点坐标，获得型壳外表面的点云；
S4，由于铸件和型壳紧邻着一个表面，将铸件的网格节点(即三角面网格格式的STL文件)作为型壳内表面，结合型壳外表面的点云，采用delaunay三角剖分方法获得熔模铸件的三维实体网格。
在一些实施方式中，在步骤S1中，根据精度需求，在三维制图软件中设计带有完整浇注系统的3D几何模型，将铸件的3D几何模型划分成三角面网格，导出三角面网格格式的STL文件，在MATLAB点云处理工具箱函数“vertexNormal”计算所有节点的法向量n。
在一些实施方式中，在步骤S2中，根据三角面网格格式的STL文件，在ProCAST软件中生成型壳，提取出型壳的三角面网格代替实际型壳，可以代替的更好方法是，型壳的面网格利用三维扫描仪测量获得型壳内外表面的点云，并划分面网格。
在一些实施方式中，型壳厚度计算按以下步骤进行：提取出铸件表面的STL文件和型壳整体的STL文件；根据铸件表面的STL文件和型壳整体的STL文件，采用最近邻算法计算所用型壳节点到铸件表面最近点的距离；将距离投影到对应点的法向量上，即为该点的型壳厚度。构建型壳厚度(T)与曲率的函数function(k)：T＝F(k)，主曲率极大值和厚度之间的函数关系为：T＝21.64k^2-9.435k+5.78。
在一些实施方式中，在步骤S3中，将面网格节点在法向量位置偏移距离T，得到型壳外表面节点坐标，型壳节点坐标偏移的计算公式为：
Figure BDA0004043943640000041
在一些实施方式中，在步骤S4中，提取型壳内外表面的点云，具体地，将铸件的网格节点作为型壳内表面，结合计算得到的型壳外表面的点云，采用delaunay三角剖分方法获得熔模铸件的三维实体网格。
上述实施例中，在三维制图软件中设计熔模铸件的几何模型，其中：几何模型包括不同曲率的凹面和凸面，不一定是某一特殊结构，曲率可以用高斯曲率或平均曲率做函数拟合。
上述实施例中，型壳三维实体网格可以一次生成，也可以按照实际工艺分多层逐步生成，每一层生成方式与上述一致，如令T为原数值的一半，再将生成外表面点云当作内表面，重复生成步骤S1-S4，生成完整型壳，以便于设置不同层的热物性。
在一优选实施例中，参照图1，基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，包括：
S1，在三维制图软件中构建带浇注系统的铸件几何模型，导出三角面网格格式的STL文件，在matlab中计算所有节点的主曲率极大值k，计算所有节点的法向量n。
具体的，铸件为环套环结构并带有浇注系统，其几何模型如图2所示，内表面则为铸件几何外型，节点计算曲率公式为k＝y”/[(1+(y')^2)^(3/2)]，其中y',y"分别为函数y对x的一阶和二阶导数(函数形式)。曲率计算的数值分布如图2所示。节点法向量在MATLAB点云处理工具箱函数“vertexNormal”计算。
S2，在procast软件中生成型壳，提取出型壳的三角面网格，计算出曲率和对应点的型壳厚度，根据曲率的范围线性插值，等曲率间隔提取出1000个点，拟合曲率和型壳厚度之间的函数关系，T＝21.64k^2-9.435k+5.78，其中凹面曲率为负，凸面为正。
本实施例选择商业软件中的生成的型壳代替实际扫描点云进行曲率和厚度的函数拟合。具体为，在procast软件“mesh模块“中选择“shell“生成型壳，设置默认的一致厚度为6mm，导出铸件型壳的三角面网格STL文件，计算出曲率和对应点的型壳厚度，结果如图3所示。型壳厚度计算按以下步骤进行：
(1)提取出铸件表面的STL文件(包括点云)，型壳整体的STL文件；
(2)采用最近邻算法计算所用型壳节点到铸件表面最近点的距离；
(3)将步骤(2)计算的距离投影到对应点的法向量上，即为该点的型壳厚度。
根据曲率的范围线性插值，在曲率范围[-0.210.22]之间等曲率间隔提取出1000个点，拟合曲率和型壳厚度之间的函数关系。提取出的点的分布和拟合的曲线如图4所示。函数关系如下：
T＝21.64k^2-9.435k+5.78
S3，将曲率和厚度的函数应用到新的铸件上，该铸件为u型的特征件如图5所示，并且绘制了曲率值分布，由于在步骤S2的函数拟合中，大部分曲率绝对值在0.2以下，当曲率小于负0.2时，厚度设置为8m，计算铸件表面点云法向量，确定型壳所有节点A(x,y,z)在法向量方向偏移距离T后的节点坐标A'(x,y,z)，获得型壳外表面的点云。型壳节点坐标偏移的计算公式为：
Figure BDA0004043943640000051
S4，将铸件的网格节点作为型壳内表面，结合计算的外表面点云，在matlab中进行delaunay三角剖分方法获得熔模铸件的三维实体，其几何模型如图6所示。
上述实施例提供的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，构建型壳厚度和曲率之间函数关系，可以快速生成铸件型壳的三维数字模型，从而更准确地进行熔模铸造数值模拟。现有技术中熔模铸造型壳通常设置为均一厚度，本发明实施例中的方法考虑了熔模铸造制壳的特点，结合实际数据和数学机理，构建更接近真实的数字化型壳实体，能更加准确的进行型壳温度场和应力场模拟。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (9)

1.一种基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，包括：
在三维制图软件中设计熔模铸件的几何模型，导出三角面网格格式的STL文件，计算所有节点的法向量；
用型壳的面网格代替实际型壳实体，计算出型壳所有节点主曲率极大值并获取对应的型壳厚度，构建曲率和厚度之间的函数关系；
将所述函数关系应用到新的铸件上，计算铸件表面点云法向量，并确定型壳所有节点在法向量方向偏移距离T后的节点坐标，获得型壳外表面的点云；
将铸件的网格节点作为型壳内表面，结合型壳外表面的点云，采用delaunay三角剖分方法获得熔模铸件的三维实体网格。
2.根据权利要求1所述的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，所述用型壳的面网格代替实际型壳实体，包括：根据三角面网格格式的STL文件，在ProCAST软件中生成型壳，提取出型壳的三角面网格代替实际型壳。
3.根据权利要求1所述的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，所述用型壳的面网格代替实际型壳实体，包括：利用三维扫描仪测量获得型壳内外表面的点云，并划分面网格。
4.根据权利要求1所述的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，所述计算出型壳所有节点主曲率极大值并获取对应的型壳厚度，其中：主曲率极大值的计算公式为k＝y”/[(1+(y')^2)^(3/2)]，其中，k为主曲率极大值，y'、y"分别为函数y对x的一阶和二阶导数。
5.根据权利要求1所述的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，所述计算出型壳所有节点主曲率极大值并获取对应的型壳厚度，其中：型壳厚度计算按以下步骤进行：
提取出铸件表面的STL文件和型壳整体的STL文件；
根据所述铸件表面的STL文件和所述型壳整体的STL文件，采用最近邻算法计算所用型壳节点到铸件表面最近点的距离；
将所述距离投影到对应点的法向量上，即为该点的型壳厚度。
6.根据权利要求1所述的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，所述构建曲率和厚度之间的函数关系，其中：主曲率极大值和厚度之间的函数关系为：T＝21.64k^2-9.435k+5.78。
7.根据权利要求1所述的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，所述确定型壳所有节点在法向量方向偏移距离T后的节点坐标，其中：型壳节点坐标偏移的计算公式为：
Figure FDA0004043943630000021
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，所述在三维制图软件中设计熔模铸件的几何模型，其中：所述几何模型用于曲率和厚度函数的拟合，所述几何模型包括不同曲率的凹面和凸面，曲率用高斯曲率或平均曲率做函数拟合。
9.根据权利要求1-7任一项所述的基于曲率法的熔模铸件型壳三维实体网格生成方法，其特征在于，所述型壳三维实体网格按照实际工艺分多层逐步生成。
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