[发明专利]一种面向3D打印的壳状部件轻量化建模系统

说明书

技术领域

本发明适用于具有壳状结构的部件模型轻量化，属于计算机辅助设计、工业设计制造领域，特别是适用于汽车轻量化设计与制造领域。

背景技术

随着制造业的蓬勃发展，节能、环保成为该产业发展中的一项关键研究课题，其中轻量化设计就是其重点研究方向。另一方面，3D打印被称为第三次工业革命的重要标志，是目前国内外的研究热点，其在个性化、多样化等方面的优势，给很多领域(尤其是制造业)带来了新活力，在航空航天、生物医学、汽车制造业等领域发挥其独特的作用，给相关行业带来新的发展机遇。研究面向3D打印的壳状模型轻量化是突破传统制造局限的重要方式，也是亟需解决的问题。

在轻量化设计方面，国内外很多研究者开展了相关研究工作，但是大部分方法关注在研究结构优化方面，且多是针对冲压成型模型的研究。而类似于汽车外壳的壳状结构模型的优化也是轻量化中的一个不可或缺的环节，但该方面的成果至今尚未见报道。在3D打印方面，关于打印模型的结构优化近年来也引起研究者注意，如研究结构支撑，重心优化，以及实体模型内部优化等，分别从打印过程稳定性，打印实物稳定性，以及打印成本优化角度给出了解决方案。然而，在壳状模型优化方面的研究则较少。

鉴于上述原因，本发明利用3D打印在个性化方面的优势，提出了一种基于热扩散的壳状模型轻量化方法，并建立具有数值模型模拟、3D打印、以及工程验证的一整套壳状模型轻量化建模系统。具体地，在给定特征约束和受力工况(外力)条件下，通过热扩散对受力分布进行模拟，并将模拟数值与模型厚度进行对应，得到初步优化模型。然后，通过3D打印得到实体实验模型，并对实验模型进行工程受力验证。进一步，根据工程验证情况，通过扩散参数调整热扩散程度，使得优化模型的厚度更加逼近实际受力要求。最终，通过上述循环迭代过程，得到满足受力要求的重量优化模型。实验效果显示，该方法能够在满足实际受力情况下减重达30％，同时大大缩短了壳状模型研发周期，具有有效性和高效性。

发明内容

本发明提出一种基于热扩散的壳状模型轻量化方法，建立具有数值模型模拟、3D打印、以及工程验证的一整套壳状模型轻量化建模系统。

本发明的核心是在给定特征约束和受力工况(外力)条件下，通过热扩散对模型受力分布进行模拟，并将模拟数值与模型厚度进行对应，得到初步优化模型。然后，通过3D打印得到实体实验模型，并对实验模型进行工程受力验证。进一步，根据工程验证情况，通过扩散参数调整热扩散程度，使得优化模型的厚度更加逼近实际受力要求。最终，通过上述循环迭代过程，得到满足受力要求的重量优化模型。

一种面向3D打印的壳状部件轻量化建模系统，具体步骤如下：

(一)模型特征分析及提取

(1)自动特征提取

对于模型几何信息特征，利用改进的基于张量投票的方法对模型几何特征进行分析和提取,该方法能够提取壳状模型的重要几何特征，主要包括棱角及线条等特征。具体地，网格点v_i的法向投票张量可以表示成

NT(vi)=Σtj∈Nt(vi)μjntjntjT,]]>

其中，t_j表示三角面片，N_t(v_i)表示v_i点相邻三角面片集合，表示三角面片t_j的法向量，μ_j表示权系数。该张量还可表示成