本发明实施例涉及材料设计技术领域，尤其涉及一种基于unity3d的多孔材料的设计方法和装置。
背景技术：
随着材料设计及制作方式的不断发展，人们对材料的结构、性能和制作效率有了越来越多的要求。增材制造(3d打印)应运而生，它的原理是将三维的实体的数字模型(cad文件)离散化成切片模型，再将切片模型转化为打印头的行走轨迹，通过打印头将材料不断添加到打印件上去，这样材料就按照打印轨迹不断的被添加，逐层打印，形成最终的实体打印件。与传统制造业的“减材制造技术”不同，3d打印遵从的是加法原则，可以直接将计算机中的设计转化为模型，直接制造零件或产品，不再需要传统的刀具、夹具和机床；同时直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品，极大的简化了生产的流程，降低了材料的生产成本，缩短了产品的设计与开发周期。使得生产任意复杂结构零部件的生产成为可能，也是实现材料微观组织结构和性能的可设计的重要技术手段。采用3d打印制作材料以部件的三维结构设计为基础的。
现有的材料的内部结构设计是人工设计或采取简单单元体阵列的设计，通过内部结构设计可以在不改变部件外形的情况下可以最大化提升部件的力学性能，不需要改变部件外形来实现部件的应力分布均匀，然而内部结构设计的高度定制化使得设计耗时长而且过程繁琐效率低下。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种基于unity3d的多孔材料的设计方法和装置，可以缩短部件内部结构设计的流程和时间，提高效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于unity3d的多孔材料的设计方法，包括：
基于unity3d建立部件的三维模型；
对所述三维模型进行区域划分，确定各个区域内填充的球的种类和特性；
对所述各个区域进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟的实时结果对所述各个区域进行实时填充；
对填充后三维模型的结构进行测试验证，若验证没通过，则根据验证结果进行调整，直到验证通过。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于unity3d的多孔材料的设计装置，该装置包括：
建模单元，用于基于unity3d建立部件的三维模型；
区域划分单元，用于对所述三维模型进行区域划分，确定各个区域内填充的球的种类和特性；
填充单元，用于对所述各个区域进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟的实时结果对所述各个区域进行实时填充；
验证单元，用于对填充后三维模型的结构进行测试验证，若验证没通过，则根据验证结果进行调整，直到验证通过。
本发明实施例基于unity3d建立部件的三维模型，并对所述三维模型进行区域划分，确定各个区域内填充的球的种类和特性，对所述各个区域进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟的实时结果对所述各个区域进行实时填充，对填充后三维模型的结构进行测试验证，若验证没通过，则根据验证结果进行调整，直到验证通过。由于unity3d相比传统3d建模软件或内部结构设计软件有更好的物理模拟能力且不需要结构的整体细节参数可以基于真实世界进行结构模拟，可以缩短部件内部结构设计的流程和时间，提高效率。
附图说明
图1为本发明实施例一中的基于unity3d的多孔材料的设计方法的流程图；
图2为本发明实施例二中的基于unity3d的多孔材料的设计方法的流程图；
图3为本发明实施例二中的填充进行中的部件三维模型图；
图4为本发明实施例二中的部件三维模型的最终结构图；
图5为本发明实施例三中的多孔材料的设计方法的整体流程图；
图6为本发明实施例四中的基于unity3d的多孔材料的设计装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一中的基于unity3d的多孔材料的设计方法的流程图，本实施例可适用于多孔材料的设计情况，该方法可以由基于unity3d的多孔材料的设计装置来执行，具体包括如下步骤：
步骤110、基于unity3d建立部件的三维模型。
其中，unity3d是一款跨平台的综合型创作工具，也称3d跨平台游戏引擎，可以用于创建三维电子游戏、建筑可视化和三维动画等类型的互动内容，unity3d整合了nvidiaphysx物理引擎，并在其基础上封装了很多物理组件，如碰撞体和连接体等，还封装了directx和opengl图形渲染库，并附带一些常用的渲染组件和着色器脚本。基于unity3d强大的物理模拟能力和基于真实世界的结构设计能力，本实施例基于unity3d引擎进行部件结构的设计。
具体的，可以基于unity3d中的快速空间建模软件进行部件的三维模型的建立，所述部件可以为用户指定的具有一定要求的部件，例如需要承重的长方体等。
步骤120、对所述三维模型进行区域划分，确定各个区域内填充的球的种类和特性。
其中，所述区域划分可以为将步骤110中建立的三维模型根据一定的条件划分为不同形状的若干个区域，所述区域的数量和形状优选是根据部件的要求进行确定。
所述区域为中空的，需要进行材料的填充，在本实施例中，由于球具有优良的力学性能，数学表达精简，并且其结构的特殊性使其可以将应力集中处的极高应力通过球与球间的接触分散，因此优选的填充结构为球，所述球的种类包括球、由球衍生出的球壳、表面含孔洞的球壳和球的拓扑结构中的至少一种，且以球面几何为基本特征的几何体等具有球的特殊性能的结构也可以作为球的一种进行填充。其中，各个区域的填充的球的大小优选为一个区域内球的半径是一致的，不同区域的球的半径可以一致也可以不一致。但是，需要说明的是若部件的要求比较复杂，一个区域内填充同一个半径的球对结构的表达有一定误差时，一个区域内也可以根据需要填充不同半径的球。
所述球的特性包括球的建模特性和物理特性，所述建模特性包括但不限于球的半径、厚度、表面孔洞的大小、表面孔洞的数量和表面孔洞的位置分布等建模过程中需要确认的球的特性，所述物理特性包括但不限于球的强度、刚度、密度和质量等。
具体的，根据部件的要求对步骤110中建立的部件的三维模型进行区域的划分，并且确定各个区域内填充的球的种类和特性。
步骤130、对所述各个区域进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟的实时结果对所述各个区域进行实时填充。
其中，所述碰撞模拟可以基于unity3d的nvidiaphysx物理引擎进行，根据unity算法模拟所述各个区域的围壁与球以及球之间的碰撞。所述碰撞模拟的实时结果为利用碰撞反馈出的球的空间位置。
具体的，对所述各个区域基于unity3d可以进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟反馈出的球的实时空间位置进行实时填充，即每个球得到其空间位置后即可以进行填充，不必等到所有的球的位置确认后再进行填充。
步骤140、对填充后三维模型的结构进行测试验证，若验证没通过，则根据验证结果进行调整，直到验证通过。
其中，所述填充后的三维模型为根据部件的要求基于unity3d设计出的部件的最终结构。
具体的，将填充后的三维模型的参数(如球的种类、特征、分布区域以及三维坐标等)导出，可以将导出的参数导入三维建模软件(如nx插件)进行模型的重构，并可以在专业的物理工程软件(如ansys、nastran、comsol、catia等)上对所述重构的模型进行仿真分析和测试验证，若根据部件的要求该模型不满足载荷分布和模态等设计要求，则验证没通过，根据验证结果可以在所述物理工程软件上对该模型进行调整，直到验证通过。
本实施例基于unity3d建立部件的三维模型，并对所述三维模型进行区域划分，确定各个区域内填充的球的种类和特性，对所述各个区域进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟的实时结果对所述各个区域进行实时填充，对填充后三维模型的结构进行测试验证，若验证没通过，则根据验证结果进行调整，直到验证通过。由于unity3d相比传统3d建模软件或内部结构设计软件有更好的物理模拟能力且不需要结构的整体细节参数可以基于真实世界进行结构模拟，可以缩短部件内部结构设计的流程和时间，提高效率。
实施例二
图2为本发明实施例二中的基于unity3d的多孔材料的设计方法的流程图。本实施例在上述实施例的基础上，进一步优化了上述基于unity3d的多孔材料的设计方法。相应的，本实施例的方法具体包括：
步骤210、基于unity3d建立部件的三维模型。
步骤220、确定所述三维模型的外围壁，及所述外围壁的特性
其中，所述三维模型的外围壁可以为基于步骤210建立的部件的三维模型确定的外围的薄壁，所述外围壁的特性包括但不限于厚度、强度、刚度、密度和质量等物理特性。
具体的，确定所述三维模型的外围壁，及所述外围壁的特性，其中，所述外围壁的特性可以根据部件的要求进行设置。
步骤230、根据应力、应力分布、振动模态和温度梯度中的至少一个进行区域划分，并确定各个区域内填充的球的种类和特性。
其中，所述应力为物体由于外因(受力、湿度和温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置；应力分布为物体在加载的情况下其表面和内部各点所受的应力大小和方向；振动模态的概念为：模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型；温度梯度是描述温度在特定的区域环境内最迅速的变化会向何方向，以及是何种速率的物理量。
在本实施例中，可以根据部件在应力、应力分布、振动模态和温度梯度等方面的要求进行所述三维模型的区域划分，可以根据其中一个进行划分，也可以根据多个结合进行划分。
具体的，根据应力、应力分布、振动模态和温度梯度中的至少一个进行区域划分，并确定各个区域内填充的球的种类和特性，其中，所述球的种类包括球、由球衍生出的球壳、表面含孔洞的球壳和球的拓扑结构中的至少一种，且以球面几何为基本特征的几何体等具有球的特殊性能的结构也可以作为球的一种进行填充，所述球的特性包括球的建模特性和物理特性，所述建模特性包括但不限于球的半径、厚度、表面孔洞的大小、表面孔洞的数量和表面孔洞的位置分布等建模过程中需要确认的球的特性，所述物理特性包括但不限于球的强度、刚度、密度和质量等。
步骤240、根据unity算法模拟所述各个区域的围壁与球以及球之间的碰撞，使每个球有沿特定方向的动量，其中，所述每个球的特定方向为根据应力、应力分布、振动模态和温度梯度中的至少一个确定的。
具体的，基于unity3d将各个区域的围壁与球设置为与现实世界相同的物理特性，根据unity算法可以模拟所述各个区域的围壁与球以及球之间的碰撞，使每个球有沿特定方向的动量，用以模拟部件内部在实际工况下的载荷传递，每个球逐个向各个区域运动，并与围壁和之前的球发生多次碰撞。其中，所述每个球的特定方向为根据应力、应力分布、振动模态和温度梯度中的至少一个确定的。
图3为本发明实施例二中的填充进行中的部件三维模型图，如图3所示，若部件为一个长方体，将其划分为两个区域，由于部件的承重点位于a点和b点，如图箭头所示，左边区域的球的动量的方向为由外向a点，右边区域的球的动量的方向为由外向b点。
步骤250、将碰撞过程中球的动量消失的位置确定为球的最终位置。
具体的，在碰撞过程中，球的动量因彼此碰撞或与区域的围壁碰撞逐渐消失，可以将球的动量消失的位置确定为球的最终位置，此时球的位置数据为部件在实际载荷传递下的优解。如图3所示，左边区域和右边区域都有一部分球的动量消失，因而它们的位置可以确定，从而进行了填充。
步骤260、根据所述每个球的最终位置进行球的填充。
具体的，根据所述每个球的最终位置进行球的填充，图4为本发明实施例二中的部件三维模型的最终结构图，可以看出两个区域内的球都已填充完毕，左边区域的球的半径比右边区域的小。
步骤270、对填充后三维模型的结构进行测试验证，若验证没通过，则根据验证结果进行调整，直到验证通过。
具体的，将填充后的三维模型的参数(如球的种类、特征、分布区域以及三维坐标等)导出，可以将导出的参数导入三维建模软件(如nx插件)进行模型的重构，并可以在专业的物理工程软件(如ansys、nastran、comsol、catia等)上对所述重构的模型进行仿真分析和测试验证。
其中，采用专业的物理工程软件进行仿真分析的过程可以为：对所述重构的模型设置单元属性、实常数和材料属性等，所述材料属性包括热导率、线膨胀系数、弹性模量、剪切模量、泊松比、屈服应力和拉伸强度等；建立几何模型；设置相应的网格尺寸，划分网格单元；对工件施加重力和工作应力等执行力进行仿真分析，计算在工况下的形变和载荷分布等。
若根据部件的要求该模型不满足载荷分布和模态等设计要求，则验证没通过，根据验证结果对该模型进行调整，直到验证通过。其中，所述调整可以根据验证结果在所述物理工程软件上对该模型进行微调，或者重新基于unity3d进行整体模型的设计和构建。
本实施例基于unity3d建立部件的三维模型，并对所述三维模型进行区域划分，根据部件的力学性能和物理特性的需求确定各个区域内填充的球的种类和特性，对所述各个区域进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟的实时结果对所述各个区域进行实时填充，对填充后三维模型的结构进行测试验证，若验证没通过，则根据验证结果进行调整，直到验证通过。由于unity3d相比传统3d建模软件或内部结构设计软件有更好的物理模拟能力且不需要结构的整体细节参数可以基于真实世界进行结构模拟，可以缩短部件内部结构设计的流程和时间，提高效率。
实施例三
本实施例可以上述实施例为基础，提供一种示例，对多孔材料的设计方法的整体流程进行说明。图5为本发明实施例三中的多孔材料的设计方法的整体流程图，相应的，本实施例的方法具体包括：
步骤310、建立部件的三维模型。
具体的，基于unity3d建立部件的三维模型。
步骤320、确定外围薄壁。
步骤330、区域划分和确认填充的球的特性。
具体的，根据部件的要求可以将所述三维模型划分为若干个区域，并对各个区域内填充的球的建模特性和物理特性进行确认。
步骤340、碰撞模拟并填充。
具体的，对所述各个区域基于unity3d的nvidiaphysx物理引擎可以进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟反馈出的球的实时空间位置进行实时填充。
步骤350、参数的导出。
具体的，将填充后的三维模型(部件的最终结构)的参数(如球的种类、特征、分布区域以及三维坐标等)导出。
其中，步骤310-步骤350可以基于unity3d完成。
步骤360、基于nx插件进行模型的重构。
步骤370、基于物理工程软件进行分析验证。
具体的，可以在专业的物理工程软件(如ansys、nastran、comsol、catia等)上对所述重构的模型进行仿真分析和测试验证。若通过验证，则进入步骤380；若没通过验证，则可以返回步骤360，根据验证结果基于nx插件对模型进行微调。另外，若没通过验证，还可以直接基于物理工程软件对该模型进行微调或者可以返回步骤320，重新基于unity3d进行整体模型的设计和构建。需要说明的是，若没通过验证，则根据材料设计流程和效率优选可以选择返回步骤360或直接基于物理工程软件对该模型进行微调，若微调的结果与部件的设计要求误差较大，则可以返回步骤320，重新基于unity3d进行整体模型的设计和构建。
步骤380、若通过验证，则采用3d打印机进行打印。
具体的，可以将步骤370中验证通过的模型采用3d打印机进行部件的打印。
本实施例基于unity3d建立部件的三维模型，确定外围薄壁，并进行区域划分和确认填充的球的特性，对各个区域进行碰撞模拟并填充，将建立的三维模型的结构的参数导出并基于nx插件进行模型的重构，且基于物理工程软件进行分析验证，若通过验证，则采用3d打印机进行打印。在本实施例中，将通常用于3d游戏制作领域的引擎用于材料设计中，利用unity3d获得结构的模型后，结合传统建模软件生成兼容性高的三维模型，并通过物理工程软件的验证，将验证通过的模型采用3d打印机进行最后的制造，可以缩短部件内部结构设计的流程和时间，减小结构设计的难度及制造周期，提高效率。
实施例四
图6为本发明实施例四中的基于unity3d的多孔材料的设计装置的结构示意图，所述装置可以包括：
建模单元410，用于基于unity3d建立部件的三维模型；
区域划分单元420，用于对所述三维模型进行区域划分，确定各个区域内填充的球的种类和特性；
填充单元430，用于对所述各个区域进行碰撞模拟，并根据所述碰撞模拟的实时结果对所述各个区域进行实时填充；
验证单元440，用于对填充后三维模型的结构进行测试验证，若验证没通过，则根据验证结果进行调整，直到验证通过。
进一步的，所述建模单元410具体可以用于：
确定所述三维模型的外围壁，及所述外围壁的特性。
进一步的，所述区域划分单元420具体可以用于：
根据应力、应力分布、振动模态和温度梯度中的至少一个进行区域划分，并确定各个区域内填充的球的种类和特性。
进一步的，所述球的种类可以包括球、由球衍生出的球壳、表面含孔洞的球壳和球的拓扑结构中的至少一种，所述球的特性可以包括球的建模特性和物理特性，所述建模特性包括但不限于球的半径、厚度、表面孔洞的大小、表面孔洞的数量和表面孔洞的位置分布等建模过程中需要确认的球的特性，所述物理特性包括但不限于球的强度、刚度、密度和质量等。
进一步的，所述填充单元430具体可以用于：
根据unity算法模拟所述各个区域的围壁与球以及球之间的碰撞，使每个球有沿特定方向的动量，其中，所述每个球的特定方向为根据应力、应力分布、振动模态和温度梯度中的至少一个确定的；
将碰撞过程中球的动量消失的位置确定为球的最终位置；
根据所述每个球的最终位置进行球的填充。
本发明实施例所提供的基于unity3d的多孔材料的设计装置可执行本发明任意实施例所提供的基于unity3d的多孔材料的设计方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。