【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机辅助设计领域，涉及一种参数化设计系统和方法，用于在薄壳结构上实现多样性雕刻。本系统采用隐式方法对薄壳结构进行规则、非规则和个性化图案的雕刻设计。同时，对雕刻图案的属性进行高效优化，从而在实现薄壳结构多样化和轻量化设计的同时保证结构的力学性能。
技术介绍
1、薄壳结构是一种纤薄而优雅的形状，能够高效地承受各种载荷，在我们的生活环境中广泛存在，例如家具、建筑、医疗辅助装置等。它们不仅提供视觉上的艺术美感，还能够以较低的材料消耗实现丰富的功能需求。近年来，雕刻作为一种流行的薄壳结构设计方法备受关注。现代计算机图形技术的发展推动了该领域的蓬勃发展，出现了多种例如基于纹理合成、镶嵌和重复图案排列等的方法和系统。雕刻设计的核心问题在于如何在减少薄壳材料的同时保证结构的力学性能。zhang等人提出的“thermal-comfort design ofpersonalized casts”和rao等人提出的“consistently fitting orthopedic casts”等现有方法依赖于模型的多边形网格等显式表示，而经过雕刻设计后的薄壳结构具有复杂的拓扑和几何特征，使得采用显式表示面临较大的挑战性。此外，传统的有限元方法在对复杂结构进行力学反馈分析方面耗时较长，导致系统的设计周期延长，不利于实际的制造和生产。为解决上述问题，本专利技术基于隐式原理，采用函数表示的规则、非规则和个性化定制图案模型，并利用无网格的分析和优化方法实现高效、易于扩展和高自由度的薄壳结构雕刻参数化设计。
技术实现
1、本专利技术要解决的技术问题是如何用函数方法对薄壳结构进行隐式表示，分析和优化，以实现高效的薄壳结构雕刻设计。本专利技术基于计算机辅助设计等技术，对壳体结构和雕刻模板图案进行完全的函数表示，通过无网格分析和优化方法，最终实现高效、易于扩展且设计自由度高的薄壳结构参数化设计方案。本专利技术的目的是提供一种基于隐式原理的高效薄壳结构参数化设计系统。
2、本专利技术的技术方案：
3、一种用于薄壳结构多样性雕刻的参数化设计系统，包含薄壳结构、雕刻模板的隐式设计模块、雕刻薄壳结构的仿真分析模块以及雕刻设计参数的自动优化模块。
4、(1)隐式设计模块
5、隐式设计模块主要用于完成薄壳结构的函数表示、用户指定雕刻图案模板以及雕刻设计；
6、对于输入的待雕刻薄壳结构，用定义在三维空间坐标上的有向距离场函数(sdf)来隐式表示待雕刻薄壳结构，即函数值大于0的区域为薄壳结构内部，函数值等于0的区域为薄壳结构边界，函数值小于0的区域为薄壳结构的外部；然后，用户指定所需要的雕刻图案模板，本参数化设计系统支持规则、非规则和个性化定制的三种模板，分别用基本函数、样条函数和径向基插值函数(rbf)来表示；同时，本参数化设计系统支持通过修改函数参数调节雕刻图案模板的摆放位置、摆放朝向和尺寸大小，以适应不同的用户设计需求；最后，本参数化设计系统通过薄壳结构和雕刻图案模板的函数表示之间的计算，输出雕刻结构的隐式函数表示，通过提取该函数的等值面获取最终用于下游cad和cae应用的显式结构表示；
7、(2)仿真分析模块
8、仿真分析模块主要用于完成对隐式设计模块所得到的雕刻薄壳结构进行高效的力学仿真分析，获取薄壳结构雕刻后的应力和应变能分布；
9、用户指定施加在薄壳结构上的边界条件和力学载荷，仿真分析模块利用数值计算方法模拟雕刻薄壳结构在实际环境中的力学响应；本参数化设计系统采用均匀离散单元对雕刻薄壳结构所在区域进行空间剖分，基于隐式设计模块得到的雕刻薄壳结构函数表示，本参数化设计系统快速得到每个离散单元对应的材料属性即为弹性模量和泊松比；然后，通过定义在离散单元上的形函数，拟合雕刻薄壳结构在相应力学条件下的应力和应变状态，从而得到整个雕刻薄壳结构的力学性能评估；通过这些计算结果，用户预测雕刻薄壳结构在实际应用中的安全性和耐久性；此外，仿真分析模块的数值仿真结果可以反馈给自动优化模块，指导雕刻图案模板的参数设计优化；
10、(3)自动优化模块
11、自动优化模块主要根据用户的目标需要，在仿真分析模块得到的力学响应结果驱动下，对雕刻图案模板的可设计参数进行自动优化，以达到更好的力学性能和更高的材料利用效率；
12、雕刻图案模板的函数参数可调节图案模板的位置、朝向和大小，对最终雕刻薄壳结构的力学效果有很大的影响；本参数化设计系统根据用户的力学需求建立相应的优化问题，包括目标函数和约束条件；然后，根据仿真分析模块得到的反馈，计算目标函数和约束条件关于可设计参数的梯度；最后，利用基于梯度方法的优化求解器(mma)对雕刻图案模板的参数进行迭代优化求解，得到满足用户需求的雕刻设计结果。
13、本专利技术的有益效果：本系统通过以上三种模块的紧密协作，实现了从设计到分析再到优化的一体化自动化流程，最终生成结构强度高、材料利用率优、美观度符合要求的薄壳结构雕刻设计。本系统完全基于隐式函数表示，在设计、分析和优化过程中都体现出了独特的优势。具体的，隐式设计模块用函数隐式表示薄壳结构和雕刻图案，允许用户定义复杂多样，灵活可变的几何形状，通过简单的函数参数修改就可以改变最终的雕刻设计结果。基于隐式函数的仿真分析模块可以在不需要重新网格剖分的情况下，快速对经过参数调整的雕刻设计结构进行仿真分析，从而提高自动优化模块中的迭代优化效率，使得整个设计流程更加高效灵活。通过本系统所提出的创新技术，本系统不仅可以提升薄壳结构设计的多样性、质量和效率，还有利于节约设计周期和制造成本，推动创成设计的发展。
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1.一种用于薄壳结构多样性雕刻的参数化设计系统，其特征在于，该参数化设计系统包含薄壳结构、雕刻模板的隐式设计模块、雕刻薄壳结构的仿真分析模块以及雕刻设计参数的自动优化模块；
2.一种用于薄壳结构多样性雕刻的参数化设计方法，其特征在于，步骤如下：
【技术特征摘要】
1.一种用于薄壳结构多样性雕刻的参数化设计系统，其特征在于，该参数化设计系统包含薄壳结构、雕刻模板的隐式设计模块、雕刻薄壳结构的...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡江北，王胜法，雷娜，罗钟铉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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