一种面向三维制造技术的快速应力分析方法技术

本发明专利技术涉及一种面向三维制造技术的快速应力分析方法，主要包括以下步骤：对输入网格模型的预处理；Boundary mode近似参数函数曲面系数的预计算；参数化stiffness矩阵的预计算；在用户进行编辑时即时更新应力求解系统的运算数据并实时估算应力分布情况；编辑完成后提供应力分布情况的准确计算。发明专利技术有益的效果是：本发明专利技术通过将网格模型的编辑和快速应力估算技术相结合，采用参数化、逼近和解空间降维等方法，发明专利技术了一种可以实时预览编辑操作对模型应力分布所造成的影响的技术，为模型设计过程提供直观的辅助，缩短了三维模型打印技术的设计和制造周期。

【技术实现步骤摘要】
一种面向三维制造技术的快速应力分析方法
本专利技术涉及3D打印制造领域，尤其是一种面向三维制造技术的快速应力分析方法。
技术介绍
3D打印是当下热门的研究领域，其研究工作主要集中在打印结果的物理形变(BICKEL,B.,BACHER,M.,OTADUY,M.A.,LEE,H.R.,PFISTER,H.,GROSS,M.,ANDMATUSIK,W.2010.Designandfabricationofmaterialswithdesireddeformationbehavior.ACMTrans.Graph.29,4(July),63:1–63:10；SKOURAS,M.,THOMASZEWSKI,B.,COROS,S.,BICKEL,B.,ANDGROSS,M.2013.Computationaldesignofactuateddeformablecharacters.ACMTrans.Graph.32,4(July),82:1–82:10.),打印结果的关节结构(CAL`I，J.,CALIAN,D.A.,AMATI,C.,KLEINBERGER,R.,STEED,A.,KAUTZ,J.,ANDWEYRICH,T.2012.3d-printingofnon-assembly,articulatedmodels.ACMTrans.Graph.31,6(Nov.),130:1–130:8；B..ACHER,M.,BICKEL,B.,JAMES,D.L.,ANDPFISTER,H.2012.Fabricatingarticulatedcharactersfromskinnedmeshes.ACMTrans.Graph.31,4(July),47:1–47:9)，打印结果的机械活动性(ZHU,L.,XU,W.,SNYDER,J.,LIU,Y.,WANG,G.,ANDGUO,B.2012.Motion-guidedmechanicaltoymodeling.ACMTrans.Graph.31,6(Nov.),127:1–127:10；COROS,S.,THOMASZEWSKI,B.,NORIS,G.,SUEDA,S.,FORBERG,M.,SUMNER,R.W.,MATUSIK,W.,ANDBICKEL,B.2013.Computationaldesignofmechanicalcharacters.ACMTrans.Graph.32,4(July),83:1–83:12；CEYLAN,D.,LI,W.,MITRA,N.J.,AGRAWALA,M.,ANDPAULY,M.2013.Designingandfabricatingmechanicalautomatafrommocapsequences.ACMTrans.Graph.32,6(Nov.),186:1–186:11.)，以及打印结果的外观(DONG,Y.,WANG,J.,PELLACINI,F.,TONG,X.,ANDGUO,B.2010.Fabricatingspatially-varyingsubsurfacescattering.ACMTrans.Graph.29,4(July),62:1–62:10；LAN,Y.,DONG,Y.,PELLACINI,F.,ANDTONG,X.2013.Bi-scaleappearancefabrication.ACMTrans.Graph.32,4(July),145:1–145:12；CHEN,D.,LEVIN,D.I.W.,DIDYK,P.,SITTHI-AMORN,P.,ANDMATUSIK,W.2013.Spec2fab:Areducer-tunermodelfortranslatingspecificationsto3dprints.ACMTrans.Graph.32,4(July),135:1–135:10)。制造相关设计的研究重点是简化制造过程,(LIU,Y.,POTTMANN,H.,WALLNER,J.,YANG,Y.-L.,ANDWANG,W.2006.Geometricmodelingwithconicalmeshesanddevelopablesurfaces.ACMTrans.Graph.25,3(July),681–689；LIU,Y.,XU,W.,WANG,J.,ZHU,L.,GUO,B.,CHEN,F.,ANDWANG,G.2011.Generalplanarquadrilateralmeshdesignusingconjugatedirectionfield.ACMTrans.Graph.30,6(Dec.),140:1–140:10)开发了平面四边形网格算法以减少建筑结构表面建造的开销。(MCCRAE,J.,SINGH,K.,ANDMITRA,N.J.2011.Slices:Ashape-proxybasedonplanarsections.ACMTrans.Graph.30,6(Dec.),168:1–168:12.；HILDEBRAND,K.,BICKEL,B.,ANDALEXA,M.2012.Crdbrd:Shapefabricationbyslidingplanarslices.Comp.Graph.Forum31,2pt3(May),583–592)开发了将3D形状转变为平面切片图形的算法。(LAU,M.,OHGAWARA,A.,MITANI,J.,ANDIGARASHI,T.2011.Converting3dfurnituremodelstofabricatablepartsandconnectors.ACMTrans.Graph.30,4(July),85:1–85:6)开发了将3D家具模型按照制造手段的约束而分拆成部分的方法。(MORI,Y.,ANDIGARASHI,T.2007.Plushie:Aninteractivedesignsystemforplushtoys.ACMTrans.Graph.26,3(July))和(UMETANI,N.,KAUFMAN,D.M.,IGARASHI,T.,ANDGRINSPUN,E.2011.Sensitivecoutureforinteractivegarmentmodelingandediting.ACMTrans.Graph.30,4(July),90:1–90:12)分别在玩具制造和服装设计上将快速物理模拟技术集成到设计系统中，使用户可以预测所设计物品的物理属性。(UMETANI,N.,IGARASHI,T.,ANDMITRA,N.J.2012.Guidedexplorationofphysicallyvalidshapesforfurnituredesign.ACMTrans.Graph.31,4(July),86:1–86:11)在家具设计系统中集成了物体受力薄弱点分析的技术。区域划分有限元算法：(TOSELLI,A.,ANDWIDLUND,O.2004.DomainDecompositionMethods.Springer)根据分而治之的思想，将区域划分用在偏微分方法的求解上。(MANDEL,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向三维制造技术的快速应力分析方法，包括以下步骤：1)对输入网格模型的预处理；2)Boundary mode近似参数函数曲面系数的预计算；3)参数化stiffness矩阵的预计算；4)在用户进行编辑时即时更新应力求解系统的运算数据并实时估算应力分布情况；5)编辑完成后提供应力分布情况的准确计算。

【技术特征摘要】
1.一种面向三维制造技术的快速应力分析方法，包括以下步骤：1)对输入网格模型的预处理：所需的输入是一个四面体网格模型，系统从输入的网格模型中自动或人工地抽取出模型的骨骼结构，然后基于所抽取得到的骨骼结构，将网格模型划分为区域，并计算可形变区域顶点的混合权重；2)边界变形模式近似参数函数曲面系数的预计算,包含以下步骤:2.1)对于每一个网格域，在X轴、Y轴、Z轴三个方向的缩放参数sx,sy,sz上进行采样，形成一组采样点；2.2)对于每一个网格域，在各个采样点构建stiffness矩阵，然后分别计算采样点处的边界变形模式；2.3)以sx,sy,sz三个缩放参数作为坐标轴，将边界变形模式矩阵的每一个元素的值视为一个高维曲面，采用最小二乘方法，用一个参数曲面函数逼近这个高维曲面，保存每个元素得到的曲面的系数；2.4)当需要估算某组缩放参数所对应的边界变形模式时，将这组缩放参数带入到边界变形模式每一项的曲面函数中，即得到边界变形模式的逼近值；3)参数化stiffness矩阵的预计算，包含以下步骤：3.1)将stiffness矩阵的每一项分别表示成多项式形式，多项式的参数为网格域的缩放参数以及材料的物理参数；3.2)遍历四面体网格的拓扑关系，为矩阵的每一项的多项式系数分配内存空间；3.3)遍历四面体网格的顶点坐标，预计算矩阵每一项的多项式系数；3.4)当网格因为用户的编辑进行缩放或者其物理参数发生改变时，将编辑后的缩放系数和物理参数当作多项式参数带入3.2)和3.3)中预计算得到的多项式，即可得到stiffness矩阵；4)在用户进行编辑时即时更新应力求解系统的运算数据并实时估算应力分布情况，包含以下步骤：4.1)编辑操作；...

【专利技术属性】
技术研发人员：许威威，谢越，杨垠，周昆，
申请(专利权)人：杭州师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33