一种基于隐式B样条的多孔结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于隐式B样条的多孔结构设计方法。输入真实多孔结构的多孔结构离散距离场文件，包含离散距离场中沿三个方向上的格栅数量以及每个格栅的位置距离场值；选取三变量隐式B样条函数对离散距离场中的各个格栅的位置距离场值进行迭代拟合处理，获得连续距离分布场；根据用户输入的多孔结构的结构类型，结合连续距离分布场处理获得空间中的多孔结构；以ITDF文件格式存储多孔结构。本发明专利技术方法使得多孔结构的内部光滑性、可控性得到保证，可有效调控多孔结构孔隙率和形状，能大幅度降低存储空间。度降低存储空间。度降低存储空间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于隐式B样条的多孔结构设计方法


[0001]本专利技术涉及了一种计算机辅助设计方法，尤其涉及了一种基于隐式B样条的多孔结构设计方法。

技术介绍

[0002]多孔结构广泛存在于各种组织体内部，如生物膜、蝴蝶鳞翅、骨组织中。多孔结构由于高内部连通性、轻质、高比表面积被广泛应用于各个领域。在航空航天领域中，由于多孔结构强度高、质量低，蜂窝结构常用于机翼设计；在化学化工领域，由于多孔结构高比表面积，可以增加催化剂与化学材料的接触面积，应用于催化剂的载体；在骨组织工程中，多孔结构高的比表面积为细胞的附着生长提供了广泛空间，并且内部连通的孔洞有助于营养物质的交换与废物的代谢，被广泛应用于骨支架设计。
[0003]由于多孔结构内部复杂的孔洞形状、复杂的结构分布以及较小的孔径，如何有效的设计并且制造多孔结构是当下研究的一个热点问题，也诞生了许多多孔结构的表示方式。传统的CAD多孔结构单元如BCC(body
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centered cubic)单元(参见Maskery I，Hussey A，Panesar A，et al.An investigation into reinforced and functionally graded lattice structures[J].Journal of Cellular Plastics，2017，53(2):151
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165.)和FCC(face
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centered cubic)单元(参见Ahmadi S M，Campoli G，Yavari S A，et al.Mechanical behavior of regular open
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cell porous biomaterials made of diamond lattice unit cells[J].Journal of the mechanical behavior of biomedical materials，2014，34:106
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115.)，其主要特点是由简单的几何形状表示，由于其出色的机械性能，已经被广泛应用于各个工程领域；Voronoi多孔单元是将三维空间离散为Voronoi单元后，将顶点视为多孔结构的连接结点，将边视为多孔结构的杆，从而获得的多孔结构单元，其获得了良好的机械性能和生物性能，在骨组织工程中得到广泛应用(参见Mart
í
nez J，Hornus S，Song H，et al.Polyhedral Voronoi diagrams for additive manufacturing[J].ACM Transactions on Graphics(TOG)，2018，37(4):1
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15.)；近期，三向周期极小曲面(TPMS)单元是当下的研究热点，TPMS是由隐式函数表示的周期曲面，在三个方向上可以无限延展到全空间。许多研究表明，在如海胆生物膜、蝴蝶鳞翅等生物结构中，TPMS单元广泛存在。由于基于隐式表示的特点，TPMS单元有着高度的可控性，并且由于TPMS单元的仿生特性，其获得了良好的生物性能与机械性能，因此被广泛应用于各个工程领域。(参见Melchels F P W，Bertoldi K，Gabbrielli R，et al.Mathematically defined tissue engineering scaffold architectures prepared by stereolithography[J].Biomaterials，2010，31(27):6909
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6916.)
[0004]由于生物组织是一个极其复杂的结构，用简单的多孔单元表示复杂的多孔结构产生了表述能力不足的问题。由于多孔结构设计中机械性能与生物性能之间存在着取舍的关系，增强结构的机械性能往往会带来生物性能的下降。而简单的多孔结构单元在这样的取舍中，难以像自然界中复杂多孔结构一样，保持生物性能与机械性能的良好平衡。
[0005]因此如何设计可以表述复杂形状的多孔结构并且对其进行调控是一个棘手的问题。同时，对于复杂的多孔结构单元，如果采用传统的STL文件进行表示，需要极多的三角面片表示多孔结构复杂的几何表面，会带来很大的内存消耗。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于隐式B样条的多孔结构设计方法，解决了极多的三角面片设计多孔结构复杂的几何表面带来很大存储时内存消耗以及难以通过数量众多的三角面片对多孔结构进行调控的问题。
[0007]本专利技术采用的技术方案：
[0008]1)输入真实多孔结构的多孔结构离散距离场文件，包含以下信息：离散距离场中沿三个方向上的格栅数量以及每个格栅的位置距离场值；
[0009]2)选取三变量隐式B样条函数对离散距离场中的各个格栅的位置距离场值进行迭代拟合处理，获得迭代拟合后的连续距离分布场C(u，v，w)；
[0010]3)根据用户输入的多孔结构的结构类型，结合连续距离分布场C(u，v，w)处理获得空间中的多孔结构；
[0011]其中，等值面阈值场t0(u，v，w)、t1(u，v，w)、t2(u，v，w)均由三变量B样条函数表示获得。
[0012]4)以ITDF文件格式存储多孔结构，进一步利用上述多孔结构进行进一步编辑后输入到3D打印机进行生产制造。
[0013]所述的多孔结构离散距离场文件是由真实多孔结构扫描成点云后转换获得。
[0014]所述的多孔结构为骨组织工程的多孔骨支架、化学反应的多孔催化剂载体、用于材料轻质化的类蜂巢结构等内部含有丰富孔洞的结构。
[0015]所述的真实多孔结构通常为骨头组织、沸石、海绵等。
[0016]所述的离散距离场分为多个格栅，每个格栅中心具有一个位置距离场值；所述的位置距离场值随着距离多孔结构实体部分的远近而变化，越接近多孔结构实体部分则位置距离场值越大/越小，所述的实体部分是指多孔结构中不包含空隙的材料部分。
[0017]所述的离散距离场为代表多孔结构形状的离散场，具体表现为空间中距离多孔结构实体部分的位置距离场值。
[0018]所述步骤2)中，选取三变量隐式B样条函数对离散的距离场数据点进行拟合具体表现为：
[0019]所述的离散距离场建立在三维欧式空间中，离散距离场D表示为D＝{x
α，β，γ
|1≤α≤w，1≤β≤h，1≤γ≤d}，α，β，γ分别表示三维欧式空间中三个方向上的格栅索引，w，h，d分别表示三维欧式空间中三个方向上的格栅总数；离散距离场D的各个格栅为三维欧式空间的单位立方体内均匀分布，第一象限内的单位立方体的角点和三维欧式空间的原点重合，单位立方体的三边落在三维欧式空间的坐标轴上。针对空间中的每个格栅中心位置(u
α
，v
β
，w
γ
)处设置和三变量隐式B样条函数足够接近，建立以下目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于隐式B样条的多孔结构设计方法，其特征在于，方法包括以下几个步骤：1)输入真实多孔结构的多孔结构离散距离场文件，包含：离散距离场中沿三个方向上的格栅数量以及每个格栅的位置距离场值；2)选取三变量隐式B样条函数对离散距离场中的各个格栅的位置距离场值进行迭代拟合处理，获得连续距离分布场C(u，v，w)；3)根据用户输入的多孔结构的结构类型，结合连续距离分布场C(u，v，w)处理获得空间中的多孔结构；4)以ITDF文件格式存储多孔结构。2.根据权利要求1所述的基于隐式B样条的多孔结构设计方法，其特征在于：所述的多孔结构为骨组织工程的多孔骨支架、化学反应的多孔催化剂载体、用于材料轻质化的类蜂巢结构等内部含有孔洞的结构。3.根据权利要求1所述的基于隐式B样条的多孔结构设计方法，其特征在于：所述的离散距离场分为多个格栅，每个格栅中心具有一个位置距离场值；所述的位置距离场值随着距离多孔结构实体部分的远近而变化，越接近多孔结构实体部分则位置距离场值越大/越小，所述的实体部分是指多孔结构中不包含空隙的材料部分。4.根据权利要求1所述的基于隐式B样条的多孔结构设计方法，其特征在于：所述步骤2)中，选取三变量隐式B样条函数对离散的距离场数据点进行拟合具体表现为：所述的离散距离场建立在三维欧式空间中，离散距离场D表示为D＝{x
α，β，γ
|1≤α≤w，1≤β≤h，1≤γ≤d}，α，β，γ分别表示三维欧式空间中三个方向上的格栅索引，w，h，d分别表示三维欧式空间中三个方向上的格栅总数；离散距离场D的各个格栅为三维欧式空间的内均匀分布，针对空间中的每个格栅中心位置(u
α
，v
β
，w
γ
)处设置和三变量隐式B样条函数足够接近，建立以下目标函数：近，建立以下目标函数：近，建立以下目标函数：其中，C(u
α
，v
β
，w
γ
)表示格栅中心位置(u
α
，v
β
，w
γ
)处的连续距离分布场的值，x
α，β，γ
表示格栅中心位置(u
α
，v
β
，w
γ
)处的位置距离场值，i，j，k分别表示控制系数在三个方向上的坐标序数，c
ijk
为三变量隐式B样条函数的第(i，j，k)个控制系数，n
u
，n
v
，n
w
为三变量隐式B样条函数在三个方向上的控制点数目，B
i，j，k
(u
α
，v
β
，w
γ
)是三变量隐式B样条函数的第(i，j，k)个基函数在位置(u
α
，v
β
，w
γ
)处的值，L代表总体拟合误差；u
α
，v
β
，w
γ
分别表示格栅中心位置在三个方向上的坐标，C(u，v，w)表示将空间位置(u，v，w)带入到三变量隐式B样条函数后计算得到的值；以目标函数最小为目标，通过对上述目标函数进行迭代拟合求解获得各个控制系数c
ijk
，从而确定出连续距离分布场C(u，v，w)。5.根据权利要求1所述的基于隐式B样条的多孔结构设计方法，其特征在于：所述步骤
3)中，若表示多孔结构为体类型，根据用户输入的预期数据设置第一等值面阈值场t1(u，v，w)和第二等值面阈值场t2(u，v，w)，进而以t1(u，v，w)≤C(u，v，w)≤t2(u，v，w)为条件，求解所有满足该条件的位置(u，v，w)所构成的区域，获得空间中实体的多孔结构；所述步骤3)中，若表示多孔结构为面类型，根据用户输入的预期数据设置等值面阈值场t0(u，w，v)，进而以C(u，v，w)＝t0(u，w，v)为条件求解所有满足该条件的位置(u，v，w)所构成的区域，获得空间中曲面的多孔结构。6.根据权利要求5所述的基于隐式B样条的多孔结构设计方法，其特征在于：所述步骤3)中，按照以下方式获得第一等值面阈值场t1(u，v，w)：所述的第一等值面阈值场建立在三维欧式空间中，为了获取第一等值面阈值场，用户需要输入离散的第一等值面阈值场，离散的第一等值面阈值场建立在三维欧式空间中，离散的第一等值面阈值场表示为散的第一等值面阈值场表示为α1，β1，γ1分别表示三维欧式空间中三个方向上的格栅索引，w1，h1，d1分别表示三维欧式空间中三个方向上的格栅总数，表示在第(α1，β1，γ1)个格栅位置处用户预期的第一等值面阈值场值；离散的第一等值面阈值场的各个格栅在三维欧式空间的内均匀分布，针对三维欧式空间中的每个格栅中心位置处设置和三变量B样条函数足够接近，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺宏伟，高德朋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：