面向增材制造的鏤空結(jié)構(gòu)復(fù)合組體CAD建模方法研究.pdf

1、隨著航空、機(jī)電、生物與醫(yī)療技術(shù)的迅速發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)哂锌蛊?、防爆、輕質(zhì)化等特殊性能的鏤空結(jié)構(gòu)提出了需求，鏤空結(jié)構(gòu)在物理與機(jī)械性能指標(biāo)上具有更強(qiáng)的可擴(kuò)展性，高速發(fā)展的3D打印技術(shù)（增材制造）則為鏤空結(jié)構(gòu)復(fù)合組體的制造提供了有利的工具。雖然當(dāng)前增材制造技術(shù)在理論上能夠?qū)⒕哂腥魏蝺?nèi)部形態(tài)的產(chǎn)品制造出來，但在實(shí)踐中但仍缺乏相應(yīng)的建模方法與工具，特別是針對(duì)鏤空結(jié)構(gòu)，由于其組成單元與內(nèi)部組分的雙重不規(guī)則性，還沒有相應(yīng)的CAD（Computer

2、Aided Design）建模方法。本文從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性出發(fā)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，研究了鏤空結(jié)構(gòu)復(fù)合組體的CAD建模方法，具體內(nèi)容有以下三個(gè)方面:
　　1)鏤空結(jié)構(gòu)可以通過參數(shù)可調(diào)的元結(jié)構(gòu)組合而成，針對(duì)鏤空結(jié)構(gòu)組成單元的不規(guī)則性，利用Voronoi圖提出了鏤空結(jié)構(gòu)的元結(jié)構(gòu)建模方法。為了消除Voronoi元結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，分別采用Nurbs(Non-Uniform Rational B-Spline)曲線與網(wǎng)格細(xì)分算法對(duì)二維和三

3、維元結(jié)構(gòu)進(jìn)行光滑處理。給出了鏤空結(jié)構(gòu)的一種規(guī)則定義方法VoroSDF，以表述鏤空結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不規(guī)則組分信息。與STP(STandard for the Exchange of Product)、STL(Standard Tessellation Language)等產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式不同的是VoroSDF不需要精確定義產(chǎn)品的面片數(shù)據(jù)，只需存儲(chǔ)鏤空結(jié)構(gòu)的邊界、孔洞中心、縮放及組合信息，節(jié)省了產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，并能根據(jù)需要調(diào)節(jié)孔洞中心和縮放信息來對(duì)

4、鏤空結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次編輯，從而獲得具有不同形態(tài)的鏤空結(jié)構(gòu)復(fù)合組體。
　　將VoroSDF定義的三維實(shí)體轉(zhuǎn)換為面片模型后，即可直接通過3D打印技術(shù)將鏤空結(jié)構(gòu)制造出來;
　　2)針對(duì)現(xiàn)有CAD建模方法和建模工具不能構(gòu)建出那些具有非周期元胞結(jié)構(gòu)的問題，基于鏤空結(jié)構(gòu)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湎嗨菩裕瑢oronoi元結(jié)構(gòu)映射為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，利用圖布局算法確定元結(jié)構(gòu)在模型內(nèi)部的分布信息，提出了一種鏤空結(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模方法CNCAD（Comple

5、x Networks-based CAD），該方法可以調(diào)整復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的演化參數(shù)，孔洞個(gè)數(shù)與孔隙率等參數(shù)來建立具有不同內(nèi)部形態(tài)的鏤空結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。與之前采用隨機(jī)化方法構(gòu)建鏤空結(jié)構(gòu)相比，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化模型提供了一種控制節(jié)點(diǎn)分布的有效方法。
　　通過CNCAD方法，結(jié)合現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法可以設(shè)計(jì)出具有特定功能的產(chǎn)品。以鏤空結(jié)構(gòu)的孔個(gè)數(shù)與孔隙率為設(shè)計(jì)變量，結(jié)合混合自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了不同孔隙率的復(fù)合組體。利用CNCAD方法對(duì)

6、防爆輪胎、鯊魚肋條結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)等自然界已經(jīng)存在或通過人工制備出的鏤空結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模型進(jìn)行設(shè)計(jì)建模并制備出了試件，驗(yàn)證了該方法的有效性;
　　3)針對(duì)FDM（Fused Deposition Modeling）工藝制造鏤空結(jié)構(gòu)時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)被封閉在孔洞內(nèi)部導(dǎo)致模型打印完成后無法去除支撐的問題，研究提出了(KDP，KD tree-based Partition method)模型分割打印方法，該方法以VoroSDF所定義的Voronoi