一种面向3d打印的壳状部件轻量化建模系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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=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。
[0003] 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，重屯、优 化，W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，W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。
[0004] 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、W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】
[0005] 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、W及工程验证的一整套壳状模型轻量化建模系统。
[0006] 本发明的核屯、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。
[0007] -种面向3D打印的壳状部件轻量化建模系统，具体步骤如下：
[0008] (一）模型特征分析及提取
[000引 （1)自动特征提取
[0010] 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Vi的法向投票张量可W表示成
[0011]
[001引其中，表示；角面片，Nt(Vi)表示Vi点相邻S角面片集合，表示S角面片 的法向量，表示权系数。该张量还可表示成
[0013] NT (Vi)=A1616^+A262631+A363631，
[0014] 其中，A2>A3>0)和Gi分别是张量矩阵的特征值和特征向量，i= 1，2, 3。该里ei、62、e3相互垂直，表示该点的S个特征方向，其中最小特征值A3对应的特征 向量63所在直线方向成为特征主方向。通过判断特征值对模型点进行分类（点、线、面）。 该方法对线条类型特征具有较好效果，能提取模型中的线特征。
[0015] (2)其它特征交互提取
[0016] 对于非几何特征的其它重要特征，用户可W根据经验手动进行补充，如支撑特征 等，形成类似结构支架的特征骨架。为下一步模拟提供特征约束。
[0017] (二）基于热扩散的受力模拟和模型厚度优化
[0018] 热扩散是常见的物理现象，它具有光滑、稳定及鲁椿等特性，在众多领域都有着广 泛的应用。在内表面S上，利用热扩散来模拟模型受力分布，进一步，将热扩散得到的热量 场与模型厚度相对应，然后对模型厚度进行优化，得到重量优化模型。
[0019] (1)基于热扩散的受力模拟
[0020] 模型上的热扩散是由热方程来控制的，扩散方程可表示成
[0021]
[002引其中，F是热源点集合（在扩散过程中保持温度不变），片(*)是初始值函数。
[002引离散情况下，点Vi与V/巧的热核可W表示成
[0024]
[00巧]其中，^i和4i分别是模型Laplace算子对应矩阵的特征值和特征向量，n是特 征值的个数。
[0026] 热核的多尺度性隐含着，当时间变量很小的时候，热核可W用局部测地距范围内 核函数很好地逼近。为了提升计算速度，提出使用局部卷积进行热扩散过程的模拟。一点 Vi的局部扩散区域可定义为
[0027] {vj|ht(Vi，Vj) > 5 (t)},
[0028] 其中，5 (t)为扩散阔值。给定初始热量值f。，一次卷积后的热量值可表示为
[0029]
[0030] 其中，
表示成矩阵形式
[00引]Ft=AtF〇，
[003引其中，Ft=[f(V。t),…，f(Vm,t)]T，m为模型点个数，F〇=[f0(Vi),…，f0(Vm)]T，At是稀疏矩阵，它的元素可W表示成
[0033]
[0034] 进一步，热扩散过程可W转化成稀疏矩阵与向量的乘积，即
[0035]
(2)
[0036]其中，t。为局部扩散区域对应的扩散时间，k为乘积次数。由于只需计算一 次，矩阵A,。是稀疏矩阵，热扩散的计算效率得到大大提升。
[0037] 因此，给定一个壳状带厚度壳状模型M，其对应的内表面记为S。公式（1)中F包 括特征点，S的边界点，W及受力工况的最大值点（源点）。给定受力工况，每个工况都通过 公式（2)得到一个热量场，最后，在多个扩散场中取最大值最，得到的满足多种受力工况约 束下的热扩散场。
[0038] (2)模型厚度优化
[0039] 得到内表面S上的热扩散之后，将其与模型M厚度进行对应，然后通过变形M的内 表面得到厚度优化模型巧。具体地，厚度优化过程可分为两个步骤：
[0040] 步骤1;厚度对应。S上热量场最大值对应厚度最大值，热量场最小值对应厚度最 小值，其余位置厚度可W根据热量场值插值获得。
[00川步骤2 ;内表面变形。步骤1得到模型优化厚度后，通过内表面变形的方式，将内 表面向外表面方向移动，使之与外表面间距离等于计算所得模型厚度，即可获得最终的优 化模型巧。
[0042] (S)3D打印及工程受力验证迭代优化
[0043] 对于优化后的模型，有两个主要评价条件；（1)模型重量优化程度；似模型受力 情况是否满足要求。通过3D打印得到实验模型，然后对上述两方面进行工程验证，再根据 试验结果来调整热量场模拟，最终通过迭代的方式得到满足给定受力要求的重量优化模 型。具体地，迭代过程如下：
[0044] 情况1;模型满足受力要求，可W继续优化重量，减少热扩散模拟过程中的卷积次 数化=k-1)，然后再进行3D打印及工程受力验证。
[0045]情况2;模型不满足受力要求，重量优化过度，增加扩散模拟过程中的卷积次数化 =k+1)，然后再进行3D打印及工程受力验证。
[0046] 情况3;模型满足受力要求，且重量不可继续优化（如果继续优化则不满足受力要 求），停止迭代，得到最终重量优化模型。
[0047] 本发明的面向3D打印的壳状部件轻量化建模系统，属于计算机辅助设计、工业设 计制造领域。主要包括模型特征提取，热扩散模拟和厚度优化，W及3D打印和工程验证几 个主要步骤。本发明提出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、W及工程验证的一整套壳状模型轻量化建模系统，真正实现了壳状模型的轻量 化。另外，该发明还使得壳状模型设计优化周期大大缩短，在提高了模型在3D打印制造过 程的速度同时还可W节省打印材料。
【附图说明】
[0048] 图1是壳状结构模型轻量化流程图。
[0049] 图2是应用本发明的壳状结构模型实验结果图。
[0050] 图3是应用本发明的壳状结构模型受力图。
【具体实施方式】
[0051] 本发明实施具体可分为特征提取，热扩散模拟和厚度优化，3D打印及