基于距离场的功能梯度材料隐式建模方法技术

基于距离场的功能梯度材料隐式建模方法，包括以下具体步骤：1）、几何距离场的创建：对实体原型进行测量，获取表面点云数据，点云数据为位置坐标值；用一包围盒将位置坐标值包围，对包围盒均匀子分，计算包围盒内所有划分网格顶点的点云数据的有符号距离场，用以显示实体的几何模型；2）、材料距离场的创建：根据功能梯度材料设计意图确定其材料特征从而计算材料距离场；3）、功能梯度材料的隐式建模。本发明专利技术创新地将功能梯度材料几何距离场与材料场建模相结合，用距离场这种隐函数的形式完整的表述了几何以及材料信息。由于距离场的自适应特性，适应于任意复杂模型，并可方便的进行布尔操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能梯度材料
，具体涉及一种基于距离场的功能梯度材料隐式建模方法。
技术介绍
功能梯度材料（Functionally Graded Material，FGM）是日本科学家新野正之和平井敏雄为了解决材料在特殊环境下能够正常工作，在1986年首次提出的一种新型功能材料。FGM是由两种或多种材料在微观上融合，形成一种各组分材料的体积分数沿某个方向或多个方向连续变化的复合材料。在融合过程中FGM组分材料自身性质不发生变化，且该材料的物理性质与各种组份材料的体积分数函数有关，并沿材料梯度分布方向连续变化，因此根据其组分材料及其体积分数含量的不同而具有不同的物理性能，可以满足特殊环境的使用要求，通过材料成分控制来改善组织内部各种性能，包括热机械性能、韧性和强度，减少界面应力产生的分层和裂纹和航空产品中的不减少强度情况下的减重（机身和机翼等）。随着FGM应用领域的不断扩展，其建模技术成为其设计分析及制造技术研究中的基础性问题。目前的CAD系统不能表述无清楚材料边界的功能梯度模型，为了解决功能梯度材料的建模问题，已有的功能梯度建模方法主要有下列几种：（1）、体素化建模是单元分解的一种基本形式，它通过体素化将模型分解成多个大小均匀的立方体单元，而体素单元的尺寸小到能将它们视为一个均匀的材料块。从医疗CT（Computerized Tomography）和MRI（Magnetic Resonance Imaging）设备获得的数据通常是该类型数据。体素化建模的特点在于它既与材料分布函数无关，又与零件几何形状无关。通常适用于材料成分分布极端不规则的功能梯度材料，不太适合材料随梯度变化的功能梯度材料。（2）、网格化建模是通过空间分解成一系列的多面体，每个多面体不仅包含几何拓扑信息还包含其顶点材料组分信息。与体素法相比，网格化模型存储有一定缓解，但计算仍比较费时，很难进行重新网格化，并且是基于分析的目的而非几何建模和制造，从而在与CAD数据交换时需要进行一些预处理（包括表面光顺和分层制造的特征识别），但可灵活的显示复杂、高度非匀质的材料分配。（3）、扩展的r集方法来进行非均匀材料物体的建模，并发展了类比于张量积实体及CSG的模型，适用于简单非均匀模型的建模。（4）、参数化建模方法是常规参数化曲线和参数化曲面建模的直接延伸，它需要一系列控制点用形函数（如B样条、Bezier、NURBS）来插补曲线或曲面，与常规参数化建模所不同的是，这里的控制点既包含几何坐标信息还必须包含材料成分信息。这种参数化建模方法，对于任意3D模型空间其参数化负担大，且不方便对模型进行布尔操作。而且必须利用控制点和基函数来显示功能梯度材料模型，在许多情况下，材料分配可能与几何控制点无关，并且必须在能用参数化表示的几何模型下，而不是所有复杂几何都能用参数化曲线或曲面来表示。（5）、特征建模显示材料成分和材料变化信息，该方法只采用点、直线和平面作为特征，而没有考虑任意轮廓特征的功能梯度材料建模。在上述
技术介绍
所列的建模方法中，其实体建模主要采用边界表示法（方法（5））、构造实体几何法（方法（3））和空间单元表示法（方法（1）和（2）），对于材料建模，可采用参数化方法（方法（4）），解析法（方法（3））及材料特征法（方法（5）），这些方法基本都是正向功能梯度材料建模方法。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中的不足之处，提供一种拓扑适应性强、结构简单并便于布尔操作的基于距离场的功能梯度材料隐式建模方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：基于距离场的功能梯度材料隐式建模方法，包括以下具体步骤，1）、几何距离场的创建：对实体原型进行测量，获取表面点云数据，点云数据为位置坐标值；用一包围盒将位置坐标值包围，对包围盒均匀子分，计算包围盒内所有划分网格顶点的点云数据的有符号距离场，用以显示实体的几何模型；2）、材料距离场的创建：根据功能梯度材料设计意图确定其材料特征从而计算材料距离场；3）、功能梯度材料的隐式建模：将几何建模与材料建模统一起来，实现基于距离场的功能梯度材料隐式建模。所述步骤3）中几何建模的方式包括边界表示法、构造实体几何法和空间单元表示法。所述步骤3）中材料建模的方式包括参数化方法、解析法及材料特征法。所述步骤1）中点云数据的获取是通过激光扫描或者三坐标测量机。所述步骤1）中有符号距离场定义为三维空间中任意点到物体几何或外形表面的最短距离。所述步骤2）中的材料特征为点特征、线特征或面特征。所述线特征为任意曲线，面特征为任意曲面。所述步骤1）具体为，对于散乱的点云数据，可采用隐式建模方式，将曲面表示为一标量函数的等值面，任意拓扑结构的物体表面均可以由统一的距离场来描述，为物体表面的几何处理提供了统一的框架，具体为建立一包含点云的三维均匀网格结构，计算每一网格点的场值，场值即距离值，进而抽取零等值面即为模型表面，场模型即为实体模型；有符号距离函数是指空间一点p到点云数据S的有符号距离，距离值的符号取决于p点位于S的哪一侧，对于封闭模型，点p位于模型外部为正，点p位于模型内部符号取负；假定二维凸轮轮廓点云被存储在20×20栅格空间，p点取为栅格顶点(i, j)，p点坐标为（xi,yj），计算400个栅格顶点的有符号距离值，形成20行20列的矩阵；                                   （1）其中p在模型外部sign(p)取为1，p在模型内部sign(p)取为-1；式（1）中距离值的计算比较简单，其关键是符号的判断，对于均匀子分点云数据，将其划分为Nx行Ny列，共（Nx-1）×（Ny-1）个节点，每个节点由四个栅格顶点表示，对于三维模型，每个节点则由八个栅格顶点表示；将包含数据点的标记为0，设为边界节点，不包含数据点的标记为1，然后通过线扫描判断标记为1的节点是内部节点，还是外部节点；如果至少有一个栅格顶点为正且不包含数据点，标记为外部节点；反之，如果至少有一个栅格顶点为负且不包含数据点，标记为内部节点；最终将节点分为三种：外部节点、边界节点和内部节点；给最外面的包围盒的四条边上的栅格顶点赋予正值，即i=1, j=1,2,…,Ny；i=Nx, j=1,2,…,Ny；i=1,2,…,Nx, j=1; i=1,2,…,Nx, j=Ny，外部节点的所有栅格顶点赋予正值，内部节点的所有栅格顶点赋予负值。所述步骤2）具体为，材料分配定义为各栅格点到材料特征的距离函数，所有栅格顶点的距离值组合成材料距离场；常见的材料特征为点特征、线特征和面特征，实际材料设计是任意一种特征或者几种特征的组合；不管是那种材料特征，材料距离场模型是个标量场模型，其值映射为包围模型的栅格点到材料特征的距离值，该距离值为正值，材料的体积配比用材料距离值来表示；功能梯度材料的材料特征与模型表面相匹配，即材料成分沿模型厚度方向线性或非线性梯度变化，其材料分配是几何距离场的函数；对于两种材料构成的功能梯度模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于距离场的功能梯度材料隐式建模方法，包括以下具体步骤，1）、几何距离场的创建：对实体原型进行测量，获取表面点云数据，点云数据为位置坐标值；用一包围盒将位置坐标值包围，对包围盒均匀子分，计算包围盒内所有划分网格顶点的点云数据的有符号距离场，用以显示实体的几何模型；2）、材料距离场的创建：根据功能梯度材料设计意图确定其材料特征从而计算材料距离场；3）、功能梯度材料的隐式建模：将几何建模与材料建模统一起来，实现基于距离场的功能梯度材料隐式建模。

【技术特征摘要】
1.基于距离场的功能梯度材料隐式建模方法，包括以下具体步骤，
1）、几何距离场的创建：对实体原型进行测量，获取表面点云数据，点云数据为位置坐标值；用一包围盒将位置坐标值包围，对包围盒均匀子分，计算包围盒内所有划分网格顶点的点云数据的有符号距离场，用以显示实体的几何模型；
2）、材料距离场的创建：根据功能梯度材料设计意图确定其材料特征从而计算材料距离场；
3）、功能梯度材料的隐式建模：将几何建模与材料建模统一起来，实现基于距离场的功能梯度材料隐式建模。
2.所述步骤3）中几何建模的方式包括边界表示法、构造实体几何法和空间单元表示法。
3.所述步骤3）中材料建模的方式包括参数化方法、解析法及材料特征法。
4.所述步骤1）中点云数据的获取是通过激光扫描或者三坐标测量机。
5.所述步骤1）中有符号距离场定义为三维空间中任意点到物体几何或外形表面的最短距离。
6.所述步骤2）中的材料特征为点特征、线特征或面特征。
7.所述线特征为任意曲线，面特征为任意曲面。
8.所述步骤1）具体为，对于散乱的点云数据，可采用隐式建模方式，将曲面表示为一标量函数的等值面，任意拓扑结构的物体表面均可以由统一的距离场来描述，为物体表面的几何处理提供了统一的框架，具体为建立一包含点云的三维均匀网格结构，计算每一网格点的场值，场值即距离值，进而抽取零等值面即为模型表面，场模型即为实体模型；
有符号距离函数是指空间一点p到点云数据S的有符号距离，距离值的符号取决于p点位于S的哪一侧，对于封闭模型，点p位于模型外部为正，点p位于模型内部符号取负；假定二维凸轮轮廓点云被存储在20×20栅格空间，p点取为栅格顶点(i, j)，p点坐标为（xi,yj），计算400个栅格顶点的有符号距离值，形成20行20列的矩阵；
                                   （1）
其中p在模型外部sign(p)取为1，p在模型内部sign(p)取为-1；
式（1）中距离值的计算比较简单，其关键是符号的判断，对于均匀子分点云数据，将其划分为Nx行Ny列，共（Nx-1）×（Ny-1）个节点，每个节点由四个栅格顶点表示，对于三维模型，每个节点则由八个栅格顶点表示；将包含数据点的标记为0，设为边界节点，不包含数据点的标记为1，然后通过线扫描判断标记为1的节点是内部节点，还是外部节点；如果至少有一个栅格顶点为正且不包含数据点，标记为外部节点；反之，如果至少有一个栅格顶点为负且不包含数据点，标记为内部节点；最终将节点分为三种：外部节点、边界节点和内部节点；给最外面的包围盒的四条边上的栅格顶点赋予正值，即i=1, j=1,2,…,Ny；i=Nx, j=1,2,…,Ny；i=1,2,…,Nx, j=1; i=1,2,…,Nx, j=Ny，外部节点的所有栅格顶点赋予正值，内部节点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周红梅，秦歌，闫亮，张小明，明平美，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41