[发明专利]一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法

说明书

本发明公开了一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法，具有如下步骤：S1、利用有限元网格化技术对给定几何模型进行网格化离散，形成网格模型；S2、选定点阵单胞模型；S3、在所述网格模型的每一个网格内利用所述网格模型的网格节点信息和所述网格模型的网格单元边信息填充选定的点阵单胞模型，完成点阵结构组装。与传统的点阵集成技术相比，本发明大大改善了点阵单胞模型填充过程中对于复杂几何模型的适应性，避免了复杂几何边界处出现的单胞破碎、变形等问题。除此之外本发明具有很好的参数控制特性，能够很容易地实现参数化驱动的点阵结构的单胞形式、疏密分布等的调节。因此本发明具有良好且广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于轻量化结构设计领域，具体涉及一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法。

背景技术

点阵结构是一种新型的多孔材料，可视为由许多杆件在空间中按照一定规律堆叠而成的材料化结构。由于其具有质量轻、材料利用率高的特点，点阵结构在航空航天等轻量化要求高的工程领域有非常重要的应用前景。由于其结构复杂，传统工艺往往难以直接制造。增材制造技术作为一种新兴制造技术，具备制造复杂构型的能力，为点阵结构的快速制备提供了可能。随着增材制造技术的发展，点阵结构的构造变得越来越重要。CheahC.M等人发表Development of a tissue engineering scaffold structure library for rapidprototyping的基本建模思想是首先建立基本特征模型库，通过参数化更改基本特征模型的结构参数、空间约束条件、逻辑组合关系来构造多孔结构。现今大多数商用建模软件就是根据这种思想对点阵结构进行实体建模的。这种建模思想的最大问题在于无法实现基本模型对于几何结构的自适应，当几何模型不规则时，固定尺寸的基本特征模型将无法恰好将几何模型填充完整，在结构边界会出现破损单胞。

Wang等在Cost-effective printing of 3D objects with skin-framestructures提供了一种含蒙皮的类点阵结构构造方法，将问题抽象为在物理和几何的条件约束下的桁架结构(数目)的优化问题。由于该方法抛弃了单胞构造，因此该方法解决了点阵填充过程中对于几何结构的自适应问题，能够构造出完美适应几何边界的类点阵结构。但是也由于其结构无单胞，其结构的承载性能大大下降，该方法只适用于工艺美术品类结构的构造，能够实现材料的节约。

基于上述问题，工程实际中应用的点阵结构需要在满足承载要求的同时又满足结构对于复杂几何特征的适应性。有限元技术已有几十年的发展历史，各种网格剖分算法层出不穷，完美的解决了复杂几何结构的离散化问题。因此将有限元网格引入到点阵结构构造当中能够完美的解决上述问题，适应工程需要。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法。本发明借助有限元网格技术中的离散化思想对给定几何模型进行网格化离散，然后基于每一个离散的网格构建点阵单胞模型从而完成点阵结构组装.

本发明采用的技术手段如下：

一种面向增材制造基于有限元网格的点阵结构构造方法，具有如下步骤：

S1、利用有限元网格化技术对给定几何模型进行网格化离散，形成网格模型；

S2、选定点阵单胞模型；

S3、在所述网格模型的每一个网格内利用所述网格模型的网格节点信息和所述网格模型的网格单元边信息填充选定的点阵单胞模型，完成点阵结构组装。

所述步骤S1的具体步骤如下：

S11、利用有限元网格化技术对给定几何模型进行网格化离散；