基于三周期极小曲面的结构多维融合方法、装置和介质

本发明涉及轻质多孔材料设计与研发，具体涉及一种基于三周期极小曲面的结构多维融合方法、装置和介质。

背景技术：

1、随着航空航天技术的高速发展，为了成功实现大型飞机、宇宙飞船等飞行器在飞行速度上的不断突破，同时达到减少油耗，降低碳的排放量的目的，降低飞机的结构重量是一种十分推崇的方法。因此，结构轻量化成为科研工作者不断努力追求的重要目标之一。点阵结构的出现极大的推动了结构轻量化进程，然而，随着对杆状点阵结构的研究不断成熟，人们发现直杆状点阵结构存在许多缺陷：直杆状的点阵结构在几何单元连接处是非均匀过渡，存在尖角，因此在受力时极易在连接节点处产生应力集中，导致整体结构较早失效；在增材制造过程中，结构中的直杆由于缺乏支撑容易坍塌而导致结构难以成形。因此3d打印点阵结构被应用于支撑结构，但尚未实现在关键主承力结构上得到应用。

2、鉴于杆状的点阵结构在力学性能和成形工艺上面的不足，学者将点阵结构的基本单元从直杆替换为曲面。三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces，tpms)凭借其优良的曲面特性，获得了许多研究人员的青睐。三周期极小曲面是一种表面平均曲率处处为零的光滑曲面，在一些树叶、动物翅膀内研究人员也发现了类似的结构，内部光滑且贯通的孔洞为工业界的应用提供了理想的解决方案。而且，三周期极小曲面具有明确的数学表达式，对于孔洞的大小、分布可以进行精确的控制，在生成非均匀孔洞的同时，依然能保证曲面的光滑与连续，尽可能减少了应力集中的发生，具有更好的疲劳服役性能。

3、然而，无论改变原结构的结构参数，还是对相对密度进行梯度变化均无法改变三周期极小曲面结构每个构型本身固有的力学特性。采用多种三周期极小曲面结构进行杂交融合可以提供不同结构成分之间的互补效应，扩展结构的力学性能，如轴向模量、剪切刚度和各向异性等，有望为航空航天轻量化提供一种新的胞元。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种基于三周期极小曲面的结构多维融合方法、装置和介质，解决现有技术中单一构型的三周期极小曲面点阵结构性能受到各向异性力学行为限制的问题，采用多结构融合可以充分利用不同结构成分之间的互补效应来调节结构的力学特性，生成一种新的结构基元。

2、为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于三周期极小曲面的结构多维融合方法，包括：

4、获取多种待融合结构体；

5、根据所述待融合结构体的种类及预设融合方式，确定融合激活函数；

6、基于所述融合激活函数，采用预设的三周期极小曲面理论和预设融合方式，对所述多种待融合结构体进行多维融合，得到初始融合模型；

7、对所述初始融合模型进行旋转和平移，得到目标融合模型。

8、在一些实施例中，所述待融合结构体包括primitive结构体、iwp结构体和frd结构体；所述预设融合方式包括一维融合、二维融合和三维融合。

9、在一些实施例中，所述根据所述待融合结构体的种类及预设融合方式，确定融合激活函数，包括：

10、基于所述待融合结构体的种类，当所述预设融合方式为一维融合时，确定所述融合激活函数的表达式为：

11、

12、其中，η1d表示一维激活函数，α为可调节结构体过渡程度的参数，b为控制结构体的融合位置的参数；

13、基于所述待融合结构体的种类，当所述预设融合方式为二维融合时，确定所述融合激活函数的表达式为：

14、

15、其中，η2d表示二维激活函数，α为可调节结构体过渡程度的参数，r表示融合半径；

16、基于所述待融合结构体的种类，当所述预设融合方式为三维融合时，确定所述融合激活函数的表达式为：

17、

18、其中，η3d表示三维激活函数，α为可调节结构体过渡程度的参数，r表示融合半径。

19、在一些实施例中，所述一维融合为所述待融合结构体沿着预设的轴进行线性连接；所述二维融合为所述待融合结构体沿着预设基准面进行融合，所述三维融合为所述待融合结构体沿着中心结构体朝向端点结构体进行融合。

20、在一些实施例中，所述预设的三周期极小曲面理论可表示为：

21、

22、其中，为欧式空间的位置矢量，ak为振幅因子，为晶格矢量，pk为周期波长，为相位偏移。

23、在一些实施例中，在对所述多种待融合结构体进行融合，得到初始融合模型之前，还包括：

24、根据所述待融合结构体的结构特性，确定结构体的三维空间范围。

25、在一些实施例中，所述对所述初始融合模型进行旋转和平移，得到目标融合模型，包括：

26、基于所述初始融合模型的融合效果与预设的理想效果之间存在的位置偏差，对所述初始融合模型进行旋转和平移，得到目标融合模型。

27、第二方面，本发明还提供了一种基于三周期极小曲面的结构多维融合装置，包括：

28、获取多种待融合结构体；

29、根据所述待融合结构体的种类及预设融合方式，确定融合激活函数；

30、基于所述融合激活函数，采用预设的三周期极小曲面理论和预设融合方式，对所述多种待融合结构体进行融合，得到初始融合模型；

31、对所述初始融合模型进行旋转和平移，得到目标融合模型。

32、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；

33、所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

34、所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法中的步骤。

35、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法中的步骤。

36、与现有技术相比，本发明提供的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法、装置和介质，首先获取多种待融合结构体，随后根据待融合结构体的种类及预设融合方式，确定融合激活函数，并且基于融合激活函数，采用预设的三周期极小曲面理论和预设融合方式，对多种待融合结构体进行多维融合，得到初始融合模型，最后对初始融合模型进行旋转和平移，得到目标融合模型。本发明基于三周期极小曲面理论实现了多种结构体的一维到三维空间内融合，并且通过三周期极小曲面结构体在结构连接处具有平滑的过渡，避免了连接处形成集中应力，优化了结构体的轴向模量、剪切刚度和各向异性。

技术特征：

1.一种基于三周期极小曲面的结构多维融合方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法，其特征在于，所述待融合结构体包括primitive结构体、iwp结构体和frd结构体；所述预设融合方式包括一维融合、二维融合和三维融合。

3.根据权利要求2所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法，其特征在于，所述根据所述待融合结构体的种类及预设融合方式，确定融合激活函数，包括：

4.根据权利要求3所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法，其特征在于，所述一维融合为所述待融合结构体沿着预设的轴进行线性连接；所述二维融合为所述待融合结构体沿着预设基准面进行融合，所述三维融合为所述待融合结构体沿着中心结构体朝向端点结构体进行融合。

5.根据权利要求1所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法，其特征在于，所述预设的三周期极小曲面理论可表示为：

6.根据权利要求1所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法，其特征在于，在对所述多种待融合结构体进行融合，得到初始融合模型之前，还包括：

7.根据权利要求1所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法，其特征在于，对所述初始融合模型进行旋转和平移，得到目标融合模型，包括：

8.一种基于三周期极小曲面的结构多维融合装置，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-7所述的基于三周期极小曲面的结构多维融合方法中的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于三周期极小曲面的结构多维融合方法、装置和介质，方法包括：获取多种待融合结构体；根据所述待融合结构体的种类及预设融合方式，确定融合激活函数；基于所述融合激活函数，采用预设的三周期极小曲面理论和预设融合方式，对所述多种待融合结构体进行多维融合，得到初始融合模型；对所述初始融合模型进行旋转和平移，得到目标融合模型。本发明解决了现有技术中单一构型的三周期极小曲面点阵结构性能受到各向异性力学行为限制的问题，采用多结构融合可以充分利用不同结构成分之间的互补效应来调节结构的力学特性，生成一种新的结构基元。

技术研发人员：晏石林,张晓楠,谢翔宇,王成,李永静
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16