一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法技术

本发明专利技术涉及一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法，首先对参数域进行四面体或三角面片划分，通过映射关系得到适合AMF格式表示的曲边四面体和三角形单元，然后读取网格节点处对应的材料、颜色等信息，将其按照标准格式写入AMF文件，最后将获取的曲边网格单元和其他信息以XML文档的形式进行组织，完成梯度材料模型和增材制造格式文件之间的传递。

Method for changing data format of gradient material model to material increasing manufacture

The invention relates to a method of gradient material model data format transformation to increase manufacturing materials, the first division of tetrahedron or triangle of parameter domain, for the format of AMF curved tetrahedral and triangular element through the mapping relationship, and then read the grid node corresponding to the material, color and other information, according to the standard format write AMF file, finally gets the curved edge of the grid unit and other information XML document in the form of organization, transfer between gradient material model and increasing material manufacturing format.

【技术实现步骤摘要】
一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法
本专利技术涉及梯度复合材料建模以及增材制造研究领域，即研究梯度复合材料模型向增材制造过程所需的标准格式文件转化问题。
技术介绍
随着工业技术的迅速发展，单一或者均质材料组成的零部件已经难以满足产品的工作性能要求，然而在工程实践中，设计人员希望获得零部件的最佳使用功能，例如：在航空航天领域，零部件往往服役于超高温，超高速，热载荷复杂等环境中，由陶瓷/金属构成功能梯度材料零部件内侧表现出较高的耐热性能，外侧由金属材料组成呈现出较好的机械强度性能以及导热性能，通过两种材料在零部件内部的连续过渡实现热应力缓和等功能。由此衍生出一种特殊的材料类型即：梯度复合材料。然而传统的梯度材料制备工艺(如：气相沉积法，粉末冶金法，激光融覆法等)已经难以适应该类材料在几何形状，材料类型等方面的复杂程度的日益提升。近年来，增材制造技术的不断发展改变了梯度材料难以制备的传统观念，其在精度，效率方面表现出来的独特优势使增材制造技术成为制备梯度材料的重要手段。目前，以图形学为基础的CAD软件均不能表达具有梯度材料分布特征的零部件。围绕梯度材料模型表示，国内外学者提出了多种建模方案，其中一种基于B样条基函数，实现材料和几何相耦合的参数化模型构造方案在建模精度，效率方面成为研究的热点。同时，从2008年开始，全球增材制造标准化工作正式进入快速发展阶段，ASTM国际标准组织发布了增材制造数据格式(AMF)标准，基于XML的AMF标准的开发是为了弥补CAD数据和现代的增材制造技术之间的差距，以目前3D打印机使用的“STL”格式为基础、弥补了其弱点的数据格式，新格式能够记录颜色信息、材料信息及物体内部结构等。一些商业CAD软件系统也添加了AMF格式文件，其中SolidWorks2015可以以增材制造文件格式(AMF)导出零件和装配文件，该格式专门用来描述3D打印对象。但是，目前存在的关键问题是广泛被国内外学者接受和认可的梯度材料模型与新标准(AMF)格式之间存在着壁垒，因此近十年来梯度复合材料建模领域形成的研究成果无法直接应用于增材制造工艺阶段。而解决梯度材料参数化模型与AMF格式文件转变在国外鲜有人研究，国内尚属空白。本专利技术着眼于现有梯度材料模型向AMF数据文件高效率，高精度转变，由于基于样条理论构建的梯度材料参数化模型是通过在样条几何形状控制点中增加材料维度，实现材料、几何之间的有效耦合，其本质仍然是将物理域(几何信息，材料信息)与参数域之间建立了一种映射关系，而AMF格式文件相比于“STL”格式的显著特点是采用了曲边的四面体和曲边三角形单元来描述模型的几何形状，同时在单元节点处携带材料，颜色等其他信息。因此本专利技术的切入点为梯度材料参数模型的参数空间与物理空间之间的映射关系。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法。技术方案一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：基于B样条基函数构造梯度材料参数化模型，获取模型的节点矢量、控制顶点信息，在控制顶点几何维度内添加材料维度，得到模型物理域和参数域之间的映射关系：其中，表示定义在节点矢量上的p阶B样条基函数；n1,n2,n3表示沿着u,v,w方向的控制顶点个数；Fi,j,k是带有材料属性的控制顶点信息，其坐标为(x,y,z,M)，向量M表示材料在零部件内部的分布状态；步骤2：在模型对应的立方体参数域中，连接立方体单元的对角线构建对角面，将立方体参数域分割为4个四面体单元，每个四面体单元映射到梯度材料模型上形成曲边四面体单元；步骤3：将曲边四面体单元的6条边界曲线转化为AMF格式所需的2阶埃尔米特插值曲线，所述的2阶埃尔米特插值曲线表达式：h(s)＝(2s3-3s2+1)v0+(s3-2s2+s)t0+(-2s3+3s2)v1+(s3-s2)t1(2)其中，h表示2阶埃尔米特插值曲线，t0,t1表示曲线端点处切失，v0,v1表示曲线端点，s为埃尔米特插值曲线对应的参数，其与曲边四面体单元的边界曲线的参数值的对应关系有两种情况：第一种情况：原有的立方体单元的边界曲线的参数值和s之间的对应关系：或或第二种情况：增加的对角线的参数值和s之间的对应关系：或或当B样条曲线基函数的阶数p＝2时，该B样条曲线可以无误差地转变为AMF标准格式确立的单元类型；当B样条曲线基函数的阶数p>2时，计算B样条曲线和埃尔米特插值曲线之间的最大距离，若最大距离大于给定精度e，则将距离最大点对应的点作为分割点，将该段高阶曲线使用2段低阶曲线表示，重复上述过程，直到高阶曲线在给定精度范围内由多段低阶曲线进行有效逼近，得到离散网络；步骤4：根据步骤1建立的映射关系，获取步骤3中得到的离散网络节点处的几何坐标、材料信息，将几何坐标、材料信息和步骤3得到的AMF格式的单元信息通过XML文档组织起来，完成梯度材料模型和增材制造格式文件之间的转变。有益效果本专利技术提出的一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法，能够将在梯度材料建模研究领域得到的研究结果和增材制造标准格式文件紧密结合起来，在AMF格式单元的构造过程中创造性的提出分解参数域实现对模型的离散方法，同时考虑了给定精度条件下的网格数目最少的AMF格式单元生成问题，实现了模型的高效率、高精度传递，使目前国内外学者建立的梯度材料模型利于采用“增材制造”工艺的实现制备，具有一定的实用价值。附图说明图1本专利技术实施例中的梯度材料零件参数化模型：(a)几何模型；(b)梯度材料模型图2本专利技术实施例中的AMF标准文件中网格单元模型图3本专利技术实施例中的参数单元分解为四面体单元示意图图4本专利技术实施例中的实体模型网格单元自适应分割示意图图5本专利技术实施例中的符合AMF标准格式的网格模型图图6本专利技术实施例中的符合AMF标准格式的梯度材料XML示意图具体实施方式为了实现梯度材料参数化模型向AMF格式文件高精度，高效率转变问题，本专利技术以梯度材料参数模型的参数空间与物理空间之间的映射关系为切入点，由于模型参数域在为立方体和正方形这类规则区域，因此首先对参数域进行四面体或三角面片划分，通过映射关系得到适合AMF格式表示的曲边四面体和三角形单元，然后读取网格节点处对应的材料、颜色等信息，将其按照标准格式写入AMF文件，最后将获取的曲边网格单元和其他信息以XML文档的形式进行组织，完成梯度材料模型和增材制造格式文件之间的传递。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤1：首先基于B样条基函数构造梯度材料参数化模型，完成模型物理域和参数域之间的映射：其中，表示样条基函数；n1,n2,n3表示沿着u,v,w方向的控制顶点个数；Fi,j,k是带有材料属性的控制顶点信息，其坐标为(x,y,z,M)，向量M表示材料在零部件内部的分布状态；步骤2：在模型对应的立方体(正方形)参数域中，构建对角面(对角线)，从而将参数域分割为四面体(三角形)参数空间，该参数区域映射在实际模型中则为曲边四面体单元(三角形单元)，实现了四面体网格(三角形网格)的生成；步骤3：根据AMF标准对于曲边单元的要求(单元的边为2阶的埃尔米特插值曲线)对步骤2完成的曲边单元进行自适应逼本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：基于B样条基函数构造梯度材料参数化模型，获取模型的节点矢量、控制顶点信息，在控制顶点几何维度内添加材料维度，得到模型物理域和参数域之间的映射关系：

【技术特征摘要】
1.一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：基于B样条基函数构造梯度材料参数化模型，获取模型的节点矢量、控制顶点信息，在控制顶点几何维度内添加材料维度，得到模型物理域和参数域之间的映射关系：其中，表示定义在节点矢量上的p阶B样条基函数；n1,n2,n3表示沿着u,v,w方向的控制顶点个数；Fi,j,k是带有材料属性的控制顶点信息，其坐标为(x,y,z,M)，向量M表示材料在零部件内部的分布状态；步骤2：在模型对应的立方体参数域中，连接立方体单元的对角线构建对角面，将立方体参数域分割为4个四面体单元，每个四面体单元映射到梯度材料模型上形成曲边四面体单元；步骤3：将曲边四面体单元的6条边界曲线转化为AMF格式所需的2阶埃尔米特插值曲线，所述的2阶埃尔米特插值曲线表达式：h(s)＝(2s3-3s2+1)v0+(s3-2s2+s)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜珂，万能，席增飞，段永吉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61