一种对随机镂空结构产品数据格式的规则定义方法与流程

本发明涉及计算机辅助建模和产品结构设计技术领域，特别是指一种对随机镂空结构产品数据格式的规则定义方法。

背景技术：

自然界许多物质都具有复杂的内部结构，如木头、海绵、珊瑚、骨头等就是具有复杂镂空结构的物质。镂空结构因其轻量化、强度高、能量吸收性好等优点受到了学术界和工业部门的广泛关注。虽然目前镂空结构的设计和制造方法很多，但大多建立在传统制造方法基础上，随着增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术的发展，更大设计自由度的镂空结构可以被制造出来。

随着计算机辅助设计(CAD)技术的发展和广泛应用，产品数据交换格式和标准化技术也随之发展起来。与传统的CAD建模方法一样，当前现有的各种3D 模型数据格式如DXF、STL、OBJ、STP等都只包含实体表面的几何信息，尚无一种有效的产品数据格式能够准确地描述随机镂空结构产品的内部信息。

产品数据格式是整个计算机辅助建模与制造技术的基础，因此，如何定义随机镂空结构产品的数据格式，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提出一种对随机镂空结构产品数据格式的规则定义方法，解决了现有技术中3D模型数据格式无法对随机镂空结构产品的内部信息进行准确描述的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种对随机镂空结构产品数据格式的规则定义方法，其方法步骤如下：

(1)定义随机镂空结构模型的边界条件

将随机镂空结构模型的内外空间区域用符号距离函数进行表示：

在空间中一个有限区域上确定一个点V到所述随机镂空结构模型内外空间区域边界的距离d(v)，并对这个距离d(v)的符号进行定义：当点V在所述随机镂空结构模型内外空间区域边界的内部时为负，当点V在所述随机镂空结构模型内外空间区域边界的外部时为正，当点V位于所述随机镂空结构模型内外空间区域边界上时为零，这样符号距离函数通过如下公式定义了随机镂空结构模型内外空间区域边界的内部和外部，从而确定随机镂空结构模型的边界：

(2)定义随机镂空结构模型的内部特征

A、根据需求定义所述随机镂空结构模型各个孔洞中心的三维坐标；

B、以所述各个孔洞中心的三维坐标作为站点生成三维Voronoi图；

C、对和所述随机镂空结构模型相交的三维Voronoi图多边形Vi执行布尔交操作，减去位于所述随机镂空结构模型外部的部分，获得Voronoi图单元Vti；

D、定义各个三维Voronoi图单元Vti的缩放系数pi，根据pi对所述随机镂空结构模型进行缩放，获得多孔结构Vpi；

E、以Vpi的顶点作为nurbs曲线控制点生成曲线Ci；

F、以Ci作为边界生成曲面Si；

(3)根据步骤(1)定义的所述随机镂空结构模型边界对三维Voronoi图执行布尔差操作，完成随机镂空结构产品数据格式的规则定义。

本发明的有益效果为：

本发明所述定义方法灵活，可以准确表述随机镂空结构的内部信息。当无法获得随机镂空结构的图像数据时，可以通过随机的方式定义多孔结构；而当通过图像扫描获取产品信息时，可以通过控制节点分布与缩放系数得到跟已有结构基本吻合的模型。

本发明所述定义方法简单，不需要定义随机镂空结构模型的精确面片信息，只需存储随机镂空结构的边界及孔洞中心和缩放信息，节省了产品数据存储空间。与其他数据格式如STP、STL相比，可以根据需要调节孔洞中心和缩放信息，对多孔结构进行二次编辑。

通过本发明所述定义方法可以获得随机镂空结构产品的三维模型，将其转换为面片模型后，可通过3D打印技术直接将随机镂空结构制造出来。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种随机镂空结构的产品数据格式；

图2为图1定义的随机镂空结构模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示的一种随机镂空结构的产品数据格式定义方法如下：

(1)定义随机镂空结构的表面模型，图1中sdf标签定义了产品的边界为一个圆环，其内径为4，外径为10。lambda定义了一个匿名函数，该函数在一个半径为10的圆与一个半径为4的圆之间执行布尔差操作，从而定义了一个边界为圆环结构的产品模型。lambda算子的基本形式为lambda x：body。这里可以把x看成一个函数的输入参数，body看成这个函数的返回值。不过与普通编程语言中的函数不同的是，x可以为一个普通的值变量，也可以为一个函数，还可以是一个类型，所以可以在数据格式中使用lambda算子。复杂的产品边界可以通过圆、矩形、球体或立方体等基本单元的布尔操作组合而成。

(2)sites标签定义了随机镂空结构的孔洞中心，图中只显示了前10个孔洞的中心坐标信息。

(3)scales标签定义了每个随机镂空结构的缩放系数，取值范围为0到1 之间。图1中各随机镂空结构的缩放系数在0.6与0.9之间随机分布。通过这些中心点可以构建出Voronoi图，对每个Voronoi图单元去除边界外部的部分后，结合缩放系数可以确定多孔单元的基本框架，再将多边形或多面体转换为nurbs 曲面就可获得各种形态的多孔结构，如图2所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。