基于网格模型内部结构可控装配方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于网格模型内部结构可控装配方法。其操作步骤为：首先对网格模型对象内部空间进行划分，确定目标装配区域、建立单元中心坐标索引。然后根据设计要求，采用隐函数表达的参数化结构作为单元设计结构，填充装配区域，通过优化局部区域的参数，构建局部到整体满足设计目标的单元装配结构。最后，从参数化表达的单元整体装配结构中提取等势面将其直接转化为带有内部结构的网格体模型结构。通过建立网格模型结构的参数验证结果表明：采用本方法能构建孔隙率、连通性和梯度可控的复杂结构，生成宏观可控、平滑过渡的多孔隙结构，适用于轻质结构以及3D打印模型的前处理。
【专利说明】基于网格模型内部结构可控装配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于网格模型内部结构可控装配方法，特别涉及一种基于三角网 格模型生成满足特定要求的内部结构的可控装配方法。
【背景技术】
[0002] 随着3D打印等增量工艺的发展，对模型体结构要求具有轻质化、高比表面积、高 强度的性能。在模型体内部按照特定规则构造的孔隙结构具有较大的比表面积和较高的 强度重量比。随着制造技术的提高，模型体内部多孔结构设计在很多领域都具有广泛的应 用。在轻量化设计中，模型体内部的多孔结构能够减轻构建自身重量，降低材料消耗，使其 设计结构轻质化；同时，三角网格模型内部孔隙结构的合理排布能够形成可控的质量分布， 使3D打印生成的模型能够按照预设的形态放置。在组织工程中，设计满足生物学功能的多 孔支架，能够加强代谢产物的交换，为细胞的附着、分化提供条件，为新形成的组织预留足 够的空间。
[0003] 针对不同的设计目标，对网格模型内部设计宏观可控、平滑过渡的多孔结构是模 型体结构自组织装配的重要研究内容之一。宏观可控性能够帮助设计者改变模型的几何和 物理特性，优化模型内部的力学支撑性能，控制模型内部的质量分布，减少材料消耗，广泛 应用于设计医用组织支架的内部结构，以及3D打印模型的前处理。
[0004] 多孔结构在构造设计单元结构时需要控制的参数较多，对于生成模型的控制较为 复杂，使得生成的模型具有不确定性。同时，由于受到当前三维软件环境的限制，从体结构 转换为三角网格表达的多孔隙模型时计算量大，在运用布尔运算构建孔隙过程中不可避免 的会遇到大量的布尔运算错误。孔隙缺乏多样性，现有的大部分装配方法通常由同一单元 模型与体模型反复的进行布尔运算而得到孔隙结构，其构建的孔隙结构特征及机械性能缺 乏多样性。对于孔隙的控制，在孔隙装配过程中缺乏有效的自我反馈、自我修正机制，需要 等模型内部孔隙整体结构构建好之后在结构进行评估，提高了建模成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于网格模型内部结构可控装 配方法，构建方法更为便捷，所得到的内部模型体结构在宏观上能够控制填充结构的密度 分布，而且能够直接生成平滑过渡的孔隙结构，有效避免通过布尔运算生成孔隙贯通结构 时产生大量的几何错误，能够通过局部自组织规则控制整体装配，构建整体满足目标孔隙 率要求的梯度排布多孔隙结构。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的构思是：首先对输入的网格模型对象进行空间划分； 然后根据设计要求，利用隐函数表达的参数化模型进行单元设计；选择满足目标结构要求 的设计单元进行局部到整体的单元装配，并通过优化局部区域的性能实现整体设计目标； 最后，从参数化表达的体结构模型中提取等势面将其直接转化为网格体模型进行表面重 建；对装配优化后的网格模型结构进行参数验证。
[0007] -.对输入的网格模型对象进行空间划分 空间划分的目的是实现三角网格模型的体素化，以此确定设计单元装配的空间区域和 位置，并建立单元中心点索引。具体方法为首先确定模型坐标系，构建三角网格模型的包容 盒。然后利用八叉树划分包容盒空间，并根据节点中是否包含三角网格标记边界节点。在临 近边界节点的周围选取内部节点种子，迭代的遍历内部种子节点的六邻域标记全部内部节 点，进而将节点中未被标记的节点全部标记为外部节点；在空间划分的基础上，根据所选装 配单元的尺寸在各个八叉树节点中进行采样。最终在模型内部生成相应尺寸的装配空间， 并生成和保存各个空间节点的中心坐标索引。
[0008] 二.利用隐函数表达的参数化模型进行单元设计 单元设计对多孔结构的整体性能起着重要作用，隐曲面函数表达的造型具有表面易于 控制的优点，能够相互连接形成平滑过渡网格曲面结构，适合作为单元设计的基本模型。根 据目标结构的要求，在设计中尽可能选择控制参数少，逼近精度高的势函数作为元球的原 始体来构建设计单元，结合目标结构要求及隐曲面造型的特点，采用四次多项式作为单元 的势函数构造等势场，单元势函数的定义见公式（1):
【权利要求】
1. 一种基于网格模型内部结构可控装配方法，其特征在于操作步骤如下：1)空间划 分：输入网格模型，对输入的网格模型对象进行空间划分；2)单元设计：利用隐函数表达的 参数化模型进行单元设计；3)单元装配：选择满足目标结构要求的设计单元进行局部到整 体的单元装配；4)表面重建：对整体单元装配后的单元参数模型进行表面重建；5)参数验 证：对装配优化后的网格模型结构进行参数验证。
2. 根据权利要求1所述的基于网格模型内部结构可控装配方法，其特征在于：所述步 骤1)空间划分：输入网格模型，对输入网格模型对象进行空间划分：采用八叉树对输入的 网格模型进行单元空间划分，确定单元间距、包容盒和单元中心点位置，目的是建立单元中 心点索引，确定划分空间，为体结构的单元装配提供容器。
3. 根据权利要求1所述的基于网格模型内部结构可控装配方法，其特征在于：所述步 骤2)单元设计：利用隐函数表达的参数化模型进行单元设计：以四次多项式作为单元的势 函数构造等势场，单元势函数的定义见公式（1):
公式（1)表示单元势函数模型，其中，巧表示空间中一点幻到第i个元球球心 的距离，A为第i'个元球的半径，//W为第i个元球的势函数，采用该单元势 函数构建单元结构的模型表达需确定以下参数：中心点坐标^单元半径大小r，网格表面 密度I其中，中心坐标〇用来确定单元位置，半径r改变孔隙区域，表面密度々用来控制表 面网格密度，根据空间划分大小及目标结构要求进行单元选择。
4. 根据权利要求1所述的基于网格模型内部结构可控装配方法，其特征在于：所述步 骤3)单元装配：选择满足目标结构要求的设计单元进行局部到整体的单元装配：采用局部 到整体的填充策略，按照预定的装配规则选择局部满足目标要求的设计单元进行填充，在 装配过程中包含单元填充和结构优化，单元填充过程根据对空间划分中得到的单元中心点 索引进行遍历，从设计单元库中选择合适的单元结构填充到相应的节点，结构优化即重新 遍历单元填充过程中生成的参数化模型，采用预定义评价规则对设计单元形成的局部结构 进行校验，如果满足设计要求，则继续遍历装配，否则改变参数，对目标单元进行整体遍历， 构建空间整体单元装配结构。
5. 根据权利要求1所述的基于网格模型内部结构可控装配方法，其特征在于：所述步 骤4)表面重建：对整体单元装配后的单元参数模型进行表面重建：对单元参数整体单元装 配结构进行表面重建，重建装配负模型，装配负模型表面重建时首先分别构造第i个单元 参数模型的势函数//r人遍历提取划分空间单元等势面，将单元势函数融合成一个复杂的 势函数//W公式（2):
其中，提取的等势面即表示遍历提取i至/7个空间单元势函数中所有三维点集7? 中阈值为r时构成的等势面，其表示如公式（3):
6.根据权利要求1所述的基于网格模型内部结构可控装配方法，其特征在于：所述步 骤5)参数验证：对装配优化后的网格模型结构进行参数验证：验证设计的可控装配方法能 够实现设计满目标孔隙率要求的内部模型体结构及对不同孔隙率大小的控制。
【文档编号】G06F17/50GK104268931SQ201410459861
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】郭明, 姚远, 单卫波 申请人:上海大学