本发明专利技术属于点阵结构设计相关技术领域，其公开了一种梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法及设备，含以下步骤：(1)采用双参数可调控高阶连续插值函数对微结构单胞的可移动变宽度梯度边界连续插值，以获得两个单胞之间的光滑过渡块，进而采用光滑过渡块替换原过渡区的结构；(2)对水平集函数进行加密，再将结构模型离散为三角网格模型；(3)计算得到梯度点阵结构的过渡区的最大应力；(4)调控两个参数t<subgt;e</subgt;及t<subgt;a</subgt;，遍历两个参数的取值范围中的其他数值；(5)计算得到结构综合受力，建立相邻三角面片法向量的平均值与参数t<subgt;e</subgt;和t<subgt;a</subgt;的逆映射关系；(6)选定双参数t<subgt;e</subgt;和t<subgt;a</subgt;，结束。本发明专利技术通过双参数调节实现了梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于点阵结构设计相关，更具体地，涉及一种梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法及设备。
技术介绍
1、梯度点阵结构是一种材料性能渐变的非均质结构，一般由构型相同，尺寸参数沿梯度方向渐变的单胞排列而成。梯度点阵结构具有相对密度小、比强/刚度高、吸能减震等优异性能，可以根据实际载荷和边界条件灵活地调整材料布局，从而获得最佳性能。梯度点阵结构广泛应用于航空航天、车辆船舶、生物医疗等领域，如航空器的散热结构、车辆防撞吸能结构、骨植入物结构等。
2、由于构成梯度点阵结构的微结构单胞尺寸沿梯度方向变化，导致空间位置相邻的单胞之间存在几何连续性较差，而单胞几何边界的低连续性将导致梯度点阵结构出现局部应力集中、成型性能缺陷等问题。因此，有必要在梯度点阵结构的设计阶段考虑连续性问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法及设备，其考虑了微结构在宏观结构中的综合受力情况和由结构边界插值引起的设计误差，通过双参数调节实现了梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，该方法包括以下步骤：
3、(1)采用双参数可调控高阶连续插值函数对微结构单胞的可移动变宽度梯度边界连续插值，以获得两个单胞之间的光滑过渡块，进而采用所述光滑过渡块替换原过渡区的结构；其中，双参数可调控高阶连续插值函数的表达式为：
4、
5、式中te为区间宽度控制参数，ta为区间起始控制参数，te选取区间设定为[0,20],ta选取区间设定为[-te,te]；
6、(2)对所述过渡块替换后得到的结构模型对应的水平集函数进行加密，再将所述结构模型离散为三角网格模型；
7、(3)基于三角网格模型计算两个微结构单胞连接边界处连接线两侧相邻两个三角面片的法向量角度，同时对三种工况下的当前梯度点阵结构进行有限元仿真，以得到梯度点阵结构的过渡区的最大应力；
8、(4)调控双参数可调控高阶连续插值函数的两个参数te及ta，遍历两个参数的取值范围中的其他数值，以得到离散三角网格模型相邻三角面片法向量的平均值及三种工况下的梯度点阵结构的过渡区域的最大应力值；
9、(5)引入权重因子，并基于得到的所有离散三角网格模型相邻三角面片法向量的平均值及对应的梯度点阵结构的过渡区域的最大应力值计算得到结构综合受力；同时基于得到的所有离散三角网格模型相邻三角面片法向量的平均值及对应的参数te和ta，进而建立离散三角网格模型相邻三角面片法向量的平均值与参数te和ta的逆映射关系；
10、(6)基于待设计梯度点阵结构的材料及其对应的综合应力来选定双参数te和ta，继而得到所述梯度点阵结构。
11、进一步地，综合应力确定向量积的大小，由向量积逆映射到对应的双参数te和ta。
12、进一步地，采用隐式水平集函数构建待设计梯度点阵结构的所述微结构单胞，所述隐式水平集函数的表达式为：
13、
14、式中，φ(x)为水平集函数，t是微结构构型控制参数，φ(x)＞t的区域代表微结构中的实体区域，φ(x)＜t的区域代表微结构中的空洞区域，是微结构实体区域与空洞区域的边界。
15、进一步地，双参数可调控高阶连续插值函数是基于beta growth函数及微结构单胞构建的。
16、进一步地，所述光滑过渡块对应的公式为：
17、φ＝μ(x)φ1(x1)+(1-μ(x))φ2(x2)
18、式中，和为相邻的两个单胞的水平集标量场。
19、进一步地，加密所采用的公式为：
20、
21、px(x-xi)＝a0x+a1x(x-xi)+a2x(x-xi)2+a3x(x-xi)3
22、py(y-yj)＝a0y+a1y(y-yj)+a2y(y-yj)2+a3y(y-yj)3
23、pz(z-zk)＝a0z+a1z(z-zk)+a2z(z-zk)2+a3z(z-zk)3
24、其中为插值加密的细网格点，px,py,pz分别为x,y,z三个方向上的权重系数。
25、进一步地，提取相邻单胞连接线两侧的三角面片，进而计算在单胞连接线上有共用边的两侧三角面片的法向量的内积用于表征微结构过渡是否光滑。
26、进一步地，提取梯度结构的边界线，检测有一条边在该边界线上的三角面片，提取连接线上的三角面片；对边界线两侧公用同一条边线的三角面片进行两两匹配，获取三角面片的法向量，进而进行两两相乘，对结果求均值，对应的公式为：
27、d＝n1·n2＝(x1,y1,z1)·(x2,y2,z3)＝x1x2+y1y2+z1z2
28、计算每对向量积的平均值：
29、
30、式中，n1为边界线左侧三角面片法向量；n2为边界线右侧三角面片法向量；(x1,y1,z1)为边界线左侧三角面片法向量坐标；(x2,y2,z2)为边界线右侧三角面片法向量坐标；n为结构边界线上的三角面片总数；di为结构边界线上第i对三角面片法向量内积。
31、进一步地，三种工况分别为压缩工况、剪切工况及扭转工况；边界条件分别为：①压缩工况：结构左端固定，右端面向右移动结构宽度a％的距离；②剪切工况：结构左端固定，右端面向下移动结构高度b％的距离；③扭转工况：结构左端固定，右端面向旋转γ°。
32、本专利技术还提供了一种梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模设备，所述设备包括存储器及处理器，所述存储器储存有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如上所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法。
33、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法及设备主要具有以下
34、有益效果：
35、1.本专利技术考虑了微结构在宏观结构中的综合受力情况和由结构边界插值引起的设计误差，通过双参数调节实现了梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模。
36、2.采用双参数可调控高阶连续插值函数对微结构单胞的可移动变宽度梯度边界连续插值，以获得两个单胞之间的光滑过渡块，进而采用所述光滑过渡块替换原过渡区的结构，实现了高阶连续的梯度微结构建模，提高了所设计的梯度点阵结构的连续性。
37、3.本专利技术通过引入权重因子，综合考虑梯度微结构在三种工况下的受力情况，使本方法适用于不同工况下梯度微结构的设计，具有广泛的适用性。
38、4.本专利技术将相邻微结构连界处三角面片空间位置关系作为一个几何判据，更简单直接的判断出梯度微结构连接平滑程度。
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【技术保护点】
1.一种梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：综合应力确定向量积的大小，由向量积逆映射到对应的双参数te和ta。
3.如权利要求1所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：采用隐式水平集函数构建待设计梯度点阵结构的所述微结构单胞，所述隐式水平集函数的表达式为：
4.如权利要求1所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：双参数可调控高阶连续插值函数是基于Beta growth函数及微结构单胞构建的。
5.如权利要求1所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：所述光滑过渡块对应的公式为：
6.如权利要求5所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：加密所采用的公式为：
7.如权利要求5所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：提取相邻单胞连接线两侧的三角面片，进而计算在单胞连接线上有共用边的两侧三角面片的法向量的内积用于表征微结构过渡是否光滑。
8.如权利要求7所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：提取梯度结构的边界线，检测有一条边在该边界线上的三角面片，提取连接线上的三角面片；对边界线两侧公用同一条边线的三角面片进行两两匹配，获取三角面片的法向量，进而进行两两相乘，对结果求均值，对应的公式为：
9.如权利要求1-8任一项所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：三种工况分别为压缩工况、剪切工况及扭转工况；边界条件分别为：①压缩工况：结构左端固定，右端面向右移动结构宽度a％的距离；②剪切工况：结构左端固定，右端面向下移动结构高度b％的距离；③扭转工况：结构左端固定，右端面向旋转γ°。
10.一种梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模设备，其特征在于：所述设备包括存储器及处理器，所述存储器储存有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行权利要求1-9任一项所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法。
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【技术特征摘要】
1.一种梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：综合应力确定向量积的大小，由向量积逆映射到对应的双参数te和ta。
3.如权利要求1所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：采用隐式水平集函数构建待设计梯度点阵结构的所述微结构单胞，所述隐式水平集函数的表达式为：
4.如权利要求1所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：双参数可调控高阶连续插值函数是基于beta growth函数及微结构单胞构建的。
5.如权利要求1所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：所述光滑过渡块对应的公式为：
6.如权利要求5所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：加密所采用的公式为：
7.如权利要求5所述的梯度点阵结构几何边界高阶连续性建模方法，其特征在于：提取相邻单胞连接线两侧的三角面片，进...
【专利技术属性】
技术研发人员：李好，赵康，舒正涛，周颖，高亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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