对用于增材制造的多维度胞元结构进行建模和设计的方法及设备技术

本申请公开了一种对具有空间可变梯度分布的微结构的共形胞元结构进行建模、构造和设计的方法，其中所述微结构具有完全几何连续性。该方法的基本流程包括：定义全局结构域，为微结构生成全局网格；使用水平集函数定义作为基础胞元的单位结构，所述水平集函数可将梁、桁架、壳、和一般实体的建模考虑在内；使用等参数变换将所述基础胞元变换并映射到所述全局网格的每个单元上，所述等参数变换可根据对材料分布和/或机械特性的一组需求生成共形胞元结构；以及应用全局切割函数以实现胞元的梯度分布并保证所述结构的任何两个相邻胞元之间的几何连续性。该方法在允许胞元具有复杂的几何形状和特征并在空间中呈现可变梯度分布的同时，能够保持所述结构的胞元之间满足指定要求的几何连接性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对用于增材制造的多维度胞元结构进行建模和设计的方法及设备专利技术人：迈克尔·王煜和王毅强相关申请的交叉引用本申请要求对2017年9月27日提交的名称为“对用于增材制造的三维胞元结构进行建模和设计的方法”的美国第62/606,512号临时申请的优先权。该临时申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。
本公开一般地涉及结构设计和增材制造。例如，提供了一种对共形胞元结构进行建模和设计的技术，其中所述共形胞元结构由空间可变梯度分布且连续连接的微结构组成以用于增材制造。
技术介绍
胞元多孔结构通常被定义为由低尺度微结构组成的三维(3-D)结构，其几何特征能跨越从几十纳米到亚毫米的若干量级。与实体材料相比，胞元结构具有优异的机械性能，同时具有相对较低的质量、良好的能量吸收特性以及良好的隔热和隔音性能，在航空航天、汽车和医疗行业具有巨大的应用前景。胞元结构的机械特性不仅由其材料决定，还在很大程度上由其低尺度胞元的几何形状和布局模式决定。因此，一种用于创建具有新颖形状和分布模式的胞元结构的系统设计策略已引发了工程师和设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：/n通过包括处理器的系统获得用于构建基础微结构胞元的水平集函数，所述基础微结构胞元依附于所定义的几何模型，其中，所述水平集函数便于将所述基础微结构胞元映射到离散的实体对象网格；/n基于所述水平集函数和所述基础微结构胞元，通过所述系统生成基础胞元；/n通过所述系统将实体对象域离散为包含网格结构的相应共形网格；/n通过所述系统对所述基础胞元应用变换，以将所述基础胞元的等参数变换应用于相应共形网格中，从而得到经变换的基础胞元；/n通过所述系统对所述经变换的基础胞元应用全局切割函数，以在相应共形网格内的所述经变换的基础胞元的重复实例之间生成连续几何连接；/n通过所述系统确定所述经变...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170927 US 62/606,5121.一种方法，包括：
通过包括处理器的系统获得用于构建基础微结构胞元的水平集函数，所述基础微结构胞元依附于所定义的几何模型，其中，所述水平集函数便于将所述基础微结构胞元映射到离散的实体对象网格；
基于所述水平集函数和所述基础微结构胞元，通过所述系统生成基础胞元；
通过所述系统将实体对象域离散为包含网格结构的相应共形网格；
通过所述系统对所述基础胞元应用变换，以将所述基础胞元的等参数变换应用于相应共形网格中，从而得到经变换的基础胞元；
通过所述系统对所述经变换的基础胞元应用全局切割函数，以在相应共形网格内的所述经变换的基础胞元的重复实例之间生成连续几何连接；
通过所述系统确定所述经变换的基础胞元的水平集函数表达式，所述水平集函数表达式包括表示一组经变换的基础胞元的胞元结构和相应共形网格的网格结构的结构数据；以及
通过所述系统促进增材制造装置使用所述结构数据来产生空间可变梯度分布的胞元结构。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间可变梯度分布的胞元结构是梁、桁架、壳或一般实体中的至少一者。


3.根据权利要求1所述的方法，其中所述经变换的基础胞元是第一次经变换的基础胞元，并且其中所述应用还包括在应用所述全局切割函数之前通过所述系统对所述经变换的基础胞元应用胞元整形函数。


4.根据权利要求1所述的方法，其中通过相应共形网格的网格节点上的切割高度定义所述全局切割函数，并且通过切割高度进行插值，以便在相应共形网格的每个网格单元内局部建立所述水平集函数。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述水平集函数是三重周期函数，并且其中所述基础微结构胞元由作为周期性曲面模型的三重周期解析函数表征。


6.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础微结构胞元被定义为单位胞元并且以隐式场表达式表征，并且其中所述基础微结构胞元是可复制的并且被定义为在所述单位胞元内的所述三重周期水平集函数的零水平集。


7.根据权利要求1所述的方法，其中应用所述基础胞元的等参数变换还包括：
组合使用笛卡尔坐标系和自然坐标系，其中使用所述笛卡尔坐标系表征所述胞元结构，并且使用所述自然坐标系在标准立方体内表征所述基础微结构胞元。


8.根据权利要求1所述的方法，其中所述水平集函数是单值标量函数。


9.根据权利要求1所述的方法，其中将所述实体对象域离散化包括：利用均匀网格将所述实体对象域离散化，其中所述水平集函数被指定为符号距离函数，其中计算所述均匀网格的节点处的函数值，并且其中基于所述网格节点的计算结果使用三线性插值生成所述均匀网格的每个网格单元内的连续近似值。


10.根据权利要求1所述的方法，其中将所述实体对象域离散化包括：利用均匀网格将所述实体对象域离散化，其中所述水平集函数被指定为符号距离函数，其中计算所述均匀网格的节点处的函数值，并且其中基于所述网格节点的计算结果使用双线性插值生成所述均匀网格的每个网格单元内的连续近似值。


11.根据权利要求1所述的方法，其中利用具有单位长度为l的均匀网格将所述实体对象域离散化，所述水平集函数被指定为符号距离函数，计算网格节点处的函数值，并且通过高阶三线性插值生成每个网格单元内的连续近似值...

【专利技术属性】
技术研发人员：王煜，王毅强，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81