[发明专利]一种多胞TPMS多孔结构的实体有限元建模方法及系统

说明书

本发明提供一种多胞TPMS多孔结构的实体有限元建模方法及系统，包括以下步骤：对于欲建立的多胞TPMS多孔结构，选定梯度特征胞体组，利用软件建立各单胞网格模型；拟合各单胞曲面，转换单胞实体，各单胞实体按照原区间位置进行排列；依据单胞实体自身的曲面间是否呈现面面投射关系，对不同特征类单胞实体间的连接界面划分面单元；对单胞实体的其他端界面划分面单元；划分单胞实体的体单元，得到梯度特征胞体组的混合体单元模型；按区间位置复制传递梯度特征胞体组的混合体单元模型，合并体单元节点，得到欲建立的多胞TPMS多孔结构实体的有限元混合体单元模型。本发明尤其适用于梯度跨度大、胞体特征差异明显的TPMS多孔结构。

技术领域

本发明属于计算机辅助设计、仿真计算技术领域，尤其涉及一种多胞TPMS多孔结构的实体有限元建模方法及系统。

背景技术

三周期最小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)是近十年来开始兴起的一种贯通的复杂曲面结构，可通过数学软件快速设计和修改参数得到特征分布不同、结构多变的多胞TPMS支架结构，具有广泛的应用前景。同时，随着3D打印技术的日渐成熟，TPMS支架结构因具有自支撑性、无尖锐拐角积聚和高比表面积等显著优点，在承压吸能、自催化领域的应用研究也引起了高度的重视。通常在增材制造前需要进行结构设计的仿真分析和优化，故对高效的结构建模和高质量网格划分方法提出了迫切的需求。

现有的对于梯度TPMS支架的有限元建模方法仍有许多不足，如利用Matlab程序建立梯度TPMS支架结构并划分六面体单元，但多孔形态失真严重且单元分布不规则，易导致仿真结果畸变，且由于TPMS支架结构的多重曲面特征导致计算量大，对计算机性能要求较高。另外一类思路是利用三维建模工具先建立TPMS支架结构，再利用有限元工具划分单元。如利用Rhino及GH插件进行参数化建模，但对于复杂多重曲面，为保证精确度和结构的完整性，三角网格数量巨大，且STL格式文件无法做几何修改，若要得到可以进行几何修改的IGES/STP等常见实体格式，直接转换为实体曲面往往因为计算量巨大导致计算机内存崩溃。若通过缩减三角网格数再进行转换，大概率导致三角面片丢失、结构破碎，从而阻碍了进一步建立高质量的有限元模型。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种多胞TPMS多孔结构的实体有限元建模方法及系统，该方法是一种有限元混合单元划分方法，本发明分区间建立梯度特征胞体组的各单胞网格模型，转换成各单胞实体，再划分面单元和体单元，有利于进一步建立高质量的有限元模型；并且给出一种针对TPMS多孔结构的混合体单元划分方法，将两类特征胞体分别划分为六面体体单元和二阶四面体体单元，计算收敛效果更好，该有限元划分方法尤其适用于梯度跨度大、胞体特征差异明显的TPMS多孔结构。

本发明通过以下方案实现：一种多胞TPMS多孔结构的实体有限元建模方法，包括以下步骤：

步骤S1：对于欲建立的多胞TPMS多孔结构，选定梯度特征胞体组，利用软件建立各单胞网格模型，以网格格式文件导出；

步骤S2：将所述网格格式文件导入有限元建模软件拟合各单胞曲面，将各单胞曲面转换单胞实体，各单胞实体按照原区间位置进行排列；

步骤S3：依据单胞实体自身的曲面间是否呈现面面投射关系，如呈现面面投射关系则记为特征1类单胞实体，否则记为特征2类单胞实体；

步骤S4：对不同特征类单胞实体间的连接界面划分面单元，1类单胞实体的连接界面处理为四边形面单元，2类单胞实体的连接界面处理为二阶三角形面单元；

步骤S5：对单胞实体的其他端界面划分面单元，其他端界面是指同一单胞实体除了在梯度胞体组内的连接界面以外的其他端面，平行的端界面划分为完全对应的面单元分布；

步骤S6：划分单胞实体的体单元，对1类单胞实体生成六面体体单元，对2类单胞实体生成二阶四面体体单元，合并体单元节点，得到梯度特征胞体组的混合体单元模型；