[发明专利]对用于增材制造的多维度胞元结构进行建模和设计的方法及设备

说明书

本申请公开了一种对具有空间可变梯度分布的微结构的共形胞元结构进行建模、构造和设计的方法，其中所述微结构具有完全几何连续性。该方法的基本流程包括：定义全局结构域，为微结构生成全局网格；使用水平集函数定义作为基础胞元的单位结构，所述水平集函数可将梁、桁架、壳、和一般实体的建模考虑在内；使用等参数变换将所述基础胞元变换并映射到所述全局网格的每个单元上，所述等参数变换可根据对材料分布和/或机械特性的一组需求生成共形胞元结构；以及应用全局切割函数以实现胞元的梯度分布并保证所述结构的任何两个相邻胞元之间的几何连续性。该方法在允许胞元具有复杂的几何形状和特征并在空间中呈现可变梯度分布的同时，能够保持所述结构的胞元之间满足指定要求的几何连接性。

发明人：迈克尔·王煜和王毅强

相关申请的交叉引用

本申请要求对2017年9月27日提交的名称为“对用于增材制造的三维胞元结构进行建模和设计的方法”的美国第62/606,512号临时申请的优先权。该临时申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。

技术领域

本公开一般地涉及结构设计和增材制造。例如，提供了一种对共形胞元结构进行建模和设计的技术，其中所述共形胞元结构由空间可变梯度分布且连续连接的微结构组成以用于增材制造。

背景技术

胞元多孔结构通常被定义为由低尺度微结构组成的三维(3-D)结构，其几何特征能跨越从几十纳米到亚毫米的若干量级。与实体材料相比，胞元结构具有优异的机械性能，同时具有相对较低的质量、良好的能量吸收特性以及良好的隔热和隔音性能，在航空航天、汽车和医疗行业具有巨大的应用前景。

胞元结构的机械特性不仅由其材料决定，还在很大程度上由其低尺度胞元的几何形状和布局模式决定。因此，一种用于创建具有新颖形状和分布模式的胞元结构的系统设计策略已引发了工程师和设计师的兴趣，随着近期增材制造技术的快速普及，其向工程师和设计师提供了极大的自由度以创建具有高几何复杂性的创新胞元多孔结构。

在计算机辅助设计中，胞元结构通常可以通过用指定胞元替换实体对象的特定区域来进行构建。就此而言，应当调节微结构胞元以符合对象的几何形状，从而提高对象的机械性能。

与周期性重复的胞元结构相比，具有空间可变微结构胞元的胞元结构由于其改进的机械性能已经受到越来越多的关注。尤其是，该类胞元包含相似但不同的几何特征形状和尺寸的微结构，因此被称为可变或梯度分布的胞元结构。

传统的方法通常通过显式参数化技术，即通过显式参数表达基于桁架/梁或类似壳体的特征，并通过表征微结构全局变化的函数控制这些特征，以实现微结构胞元的变化。然而，这些传统方法的表达能力在表现一般微结构的特征变化上具有严重的局限性。因此，现有的方法和设备在机械特性和结构特性以及所实现的结构设计功能方面只能提供有限的收益。

上述背景资料仅仅是为了提供关于生成共形胞元结构的一些问题的上下文信息的概述，并不是旨在穷尽。在审阅以下详细描述的一个或多个非限制实施例时，附加的上下文可能变得明显。

发明内容

以下发明内容是本文中所公开各实施例的一般概述，并不打算对所公开的实施例进行穷尽或限制。通过结合附图和权利要求考虑下面的详细描述，可以更好地理解实施例。

本文公开了根据指定的或要求的空间分布对具有几何完全连接的微结构的共形胞元结构进行建模和设计的实施例，其中的微结构具有可变结构特性。使用本文描述的一个或多个实施例，可以对可变梯度分布的微结构胞元的共形胞元结构进行建模、构造和优化，尤其适用于增材制造。