面向增材制造的非均匀点阵结构设计方法及模型生成系统

本发明属于点阵结构与增材制造领域，具体涉及一种面向增材制造的非均匀点阵结构设计方法及模型生成系统。

背景技术：

1、点阵结构是一种新型的多孔材料，是由节点和连接点构成的胞元在空间中按照一定规律堆叠而成，具有超轻、高比强度、高比刚度、高能量吸收等优异的力学性能，同时还拥有减振、散热等特殊性能，在航空航天、汽车工业、医疗器械等领域有着广泛研究。

2、传统的点阵结构研究主要集中于晶格结构的设计与优化，主要呈等密度均匀分布。在实际情况中结构受力复杂，不同区域承受不同的载荷，均匀点阵结构并不能准确反应其受力分布，忽略了结构各处受力不均的情况。为了使材料分布更加均匀，点阵结构应根据具体受力情况确定其密度分布，呈非均匀结构，因此在相同的受力情况下，变密度点阵结构有着更优的材料分布。

3、现有的非均匀点阵的研究一般集中于拓扑优化方向，采用固体各向同性材料惩罚模型(simp)、水平集法、移动阈值切面法(mist)等方法，通过识别优化结果并转化为密度值，经过迭代搜索实现晶胞的变密度分布。然而晶格结构复杂交错，拓扑优化容易出现数值不稳定、局部极值等情况，且对于大型复杂点阵结构模型生成及优化时间较长，效率较低，因此需要探索非均匀点阵结构新的建模方法。

技术实现思路

1、提供一种面向增材制造的非均匀点阵结构主动构建或设计的建模方法及系统，本发明以有限元仿真结果为依据对晶格胞元杆件截面尺寸进行优化，使其材料分布更加合理，增加其受力能力，从而可实现更轻量化的增材制造构件设计。

2、本发明采用的技术手段如下：一种非均匀点阵结构设计方法，所述方法具体包括以下步骤：

3、步骤1，有限元模型的建立、有限元仿真分析和待优化区域的仿真结果数据提取；

4、步骤2，数据处理，对取得的到待优化区域的离散节点位置信息与节点应力及应变结果数据进行处理，得到非均匀点阵结构构建基础数据；

5、步骤3，特征生成，依托rhino grasshopper软件建立非均匀点阵结构模型生成系统，生成实体模型中优化区域的非均匀点阵结构模型，并直接导出为stl文件以用于增材制造加工。

6、一种非均匀点阵结构模型生成系统，包括依次连接的参数模块、选择模块、导入模块、数据处理模块和模型生成模块；

7、参数模块负责所有数据的导入；

8、选择模块用于根据不同的晶格类型筛选出连成线段的节点数组工作簿；

9、导入模块用于将非均匀点阵结构基础数据文档导入模型生成平台中；

10、数据处理模块用于将导入的整体基础数据分别提取为一维数组，并进行切分重组等操作，便于后续模型生成时输入各组件所需数据；

11、模型生成模块用于以数据为基础生成最终模型。

12、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

13、(1)将晶格结构结合有限元网格，找到晶格结构中特征点排列与网格节点间的规律，并建立了面向增材制造的多种晶格结构模型建立系统，便于生成大型复杂的点阵结构模型，提高了建模效率；

14、(2)通过有限元仿真分析的仿真数据对点阵结构密度分布进行了优化，使得点阵结构的材料分布更加合理，受力能力更强，且不影响整体结构的轻量化效果，建模直接利用了仿真数据，方法简单，无需进行多次迭代；

技术特征：

1.一种非均匀点阵结构设计方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的非均匀点阵结构设计方法，其特征在于，步骤1中的具体步骤如下：

3.根据权利要求1所述的非均匀点阵结构设计方法，其特征在于，步骤2中的具体步骤如下：

4.根据权利要求1所述的非均匀点阵结构设计方法，其特征在于，步骤2.2中，针对不同的晶格类型，层对应序号、列对应序号、排对应序号的具体筛选条件为：

5.根据权利要求1所述的非均匀点阵结构设计方法，其特征在于，步骤3中的建模流程如下：

6.根据根据权利要求5所述的非均匀点阵结构模型生成系统，其特征在于，步骤3.3中，根据各节点处得到的晶格杆件截面尺寸赋予框架截面尺寸，以线段为法向于线段两端节点处建立平面，并于平面上生成对应截面尺寸的圆，通过扫略形成三维模型，扫略路径为线段，扫略截面为两端点生成的圆，最终实现待优化区域非均匀点阵结构模型的建立。

7.一种非均匀点阵结构模型生成系统，其特征在于，包括依次连接的参数模块、选择模块、导入模块、数据处理模块和模型生成模块；

8.根据权利要求7所述的非均匀点阵结构模型生成系统，其特征在于，参数模块包括number slider组件与panel组件，number组件用于设置参数，panel组件用于设置需要导入的基础数据文件地址。

9.根据权利要求7所述的非均匀点阵结构模型生成系统，其特征在于，选择模块使用ghpython script组件搭建；导入模块使用excel reader组件搭建；数据处理模块使用tree系列组件搭建。

10.根据权利要求7所述的非均匀点阵结构模型生成系统，其特征在于，模型生成模块包括：construct point组件用于根据坐标值生成点，interpolate组件用于根据点生成曲线，line组件用于根据点生成直线，plane normal用于根据点和线生成平面，circle组件用于根据点、平面和半径数值生成圆，loft组件根据圆和直线扫略成体，生成模型。

技术总结
本发明公开一种面向增材制造的非均匀点阵结构设计方法及模型生成系统，包括有限元模型的建立、分析和待优化区域的仿真结果数据提取；数据处理，得到非均匀点阵结构构建基础数据；特征生成，建立非均匀点阵结构模型生成系统，生成实体模型中优化区域的非均匀点阵结构模型，并导出文件用于增材制造加工。系统包括依次连接的参数模块、选择模块、导入模块、数据处理模块和模型生成模块。与现有技术相比，本发明将找到晶格结构中特征点排列与网格节点间的规律，建立多种晶格结构模型建立系统，便于生成大型复杂的点阵结构模型，提高建模效率；对点阵结构密度分布进行了优化，使得点阵结构的材料分布更加合理，受力能力更强。

技术研发人员：赵磊,吴雨菲,武明建,时银飞,吴志林
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31