一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維打印技術(shù)，具體是一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的 算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，也稱增材制造。該技術(shù)依據(jù)數(shù)字模型文件， 使用離散材料(如粉末狀金屬或塑料等)，通過逐層累加粘合的方式來加工出物理對象。
[0003] 三維打印技術(shù)能夠制造任意復(fù)雜形狀的物體，因此常用于模具制造、建筑、工程工 業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域。在航空航天、生物醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)也被廣泛應(yīng)用，并已有使用該技術(shù)生產(chǎn) 的零件。此外，該技術(shù)在珠寶、文化創(chuàng)意等個性化定制，以及汽車、土木工程、教育、地理信息 系統(tǒng)、槍支等領(lǐng)域都有所涉及。
[0004] 三維打印的主要流程包括如下步驟：首先通過三維建模軟件建?；蛲ㄟ^三維掃描 設(shè)備獲取三維模型數(shù)據(jù)后建模；然后將建成的三維模型進行切片計算，將模型分為一片片 的薄片，用于打印機逐層打??；接下來為每一層薄片規(guī)劃具體的打印路徑；最后三維打印 機讀取橫截面信息，再用液體狀、粉狀或片狀的材料將每個薄層逐個打印，并且將各層粘合 起來制造出實體。
[0005] 數(shù)字模型在計算機中能夠穩(wěn)定存在，但是三維打印出來的物體卻常常因難以適應(yīng) 真實世界中各種受力要求而發(fā)生損壞。對于一些拓撲較為復(fù)雜，有較多細桿結(jié)構(gòu)的物體，受 力分析十分復(fù)雜，某些較細的部分甚至無法被三維打印機打印出來?，F(xiàn)存的針對三維打印 物體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法均無法很好優(yōu)化物體的強度，并且無法自適應(yīng)地進行拓撲結(jié)構(gòu)的簡化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)： 一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法，包括以下步驟： (1) 獲取打印物體的三維網(wǎng)格模型，用戶設(shè)置受力分布和打印材料體積約束； (2) 自動優(yōu)化三維模型打印參數(shù)，通過用戶輸入，自動生成非均勻的框架結(jié)構(gòu)，確定初 始參數(shù)并進行優(yōu)化，所述參數(shù)包括非均勻框架結(jié)構(gòu)中桿的半徑和數(shù)量； (3) 根據(jù)步驟（2)的優(yōu)化打印參數(shù)生成實體模型； (4) 將步驟（3)所生成的實體模型進行三維打印，以打印材料的物理特性、打印條件及 打印物體的材料體積中的一種或多種條件為約束，以打印模型所受應(yīng)力最小化為目標(biāo)，建 立三維打印模型。
[0008] 作為進一步地優(yōu)選，本發(fā)明所述步驟（2)中非均勻框架結(jié)構(gòu)包括： (21) 原始彳旲型； (22) 骨架結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)的三維打印參數(shù)為：桿放縮比和半徑； (23) 對于原始模型的劃分，骨架部分隨著骨架進行放縮，連接部分通過骨架部分光滑 拼接縮放。
[0009] 作為進一步地優(yōu)選，本發(fā)明所述打印材料的物理特性包括材料的楊氏模量 勤、剪切模量H、泊松比lf:_。
[0010] 作為進一步地優(yōu)選，本發(fā)明所述打印物體所用材料體積的約束，通過下列公式一 實現(xiàn)： 公式-
其中表示物體的體積，S是放縮比向量，分量由每根桿的放縮比組成， _Vg1P. 1表示原體積，；表示約束為原體積的倍數(shù)，用于用戶指定體積上限。
[0011] 作為進一步地優(yōu)選，本發(fā)明所述步驟（4)打印條件包括對稱性條件，通過下述公式 二實現(xiàn)： 公式二
其中，5表示一個指標(biāo)集，集合內(nèi)的元素為所有需要對稱性條件的放縮比，:和_是放 縮比向量的第|個和第|個分量。
[0012] 作為進一步地優(yōu)選，本發(fā)明所述步驟（4)打印物體包括非均勻框架結(jié)構(gòu)中的半連 續(xù)條件和可稀疏性條件，通過下述公式三和公式四實現(xiàn)： 公式三 .......
. ... 公式四：|_|_蠢:賴 其中，_和，表示桿的放縮比上下限，由可打印性確定，發(fā)為0表示該桿被刪去，義_表 示桿的集合，.p_i表示桿的總數(shù)； 其中，|ifc表示放縮比向量s的非零分量的數(shù)量，:i:為用戶指定的優(yōu)化后的桿的數(shù)量。
[0013] 作為進一步地優(yōu)選，本發(fā)明所述步驟（4)打印模型所受應(yīng)力最小化通過下述目標(biāo) 函數(shù)的公式五實現(xiàn)： 公式五：
其中._表示有限元單元集合，g是其中一個單元，&表示單元:!|所受應(yīng)力大小。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明能夠自適應(yīng)優(yōu)化框架中的放縮比和數(shù)量，以達到在使 用規(guī)定材料體積條件下保證物體的強度要求，并且能夠?qū)δＰ瓦M行簡化；本發(fā)明通過參數(shù) 的優(yōu)化來提高打印物體的強度并且簡化物體的拓撲結(jié)構(gòu)；本發(fā)明輸出為優(yōu)化后的實體模 型，適用于當(dāng)前的所有三維打印方式。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法流程圖。
[0016]圖2為本發(fā)明一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法中非均勻框架 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法中實施例1的受 力分析示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法中實施例1的優(yōu) 化結(jié)果示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法中實施例1的三 維打印實物圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0021] 本發(fā)明提供了一種在給定打印材料以及受力條件下生成具有最優(yōu)強度和拓撲結(jié) 構(gòu)模型的算法，算法將模型轉(zhuǎn)化成非均勻的框架結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)優(yōu)化非均勻桿的半徑及數(shù)量， 以達到物理受力要求、體積約束和拓撲簡化，算法最終生成可打印實體模型。對于給定的模 型，本發(fā)明能夠生成可用于直接打印的最優(yōu)模型。
[0022] 如圖1所示為本發(fā)明一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法流程，包 括： 1、獲取打印物體的三維網(wǎng)格模型，用戶設(shè)置受力分布和打印材料體積約束。
[0023] 2、自動優(yōu)化三維模型打印參數(shù)，通過用戶輸入，自動生成非均勻的框架結(jié)構(gòu)，確定 初始參數(shù)并進行優(yōu)化，所述參數(shù)包括非均勻框架結(jié)構(gòu)中桿的半徑和數(shù)量。
[0024] 3、根據(jù)步驟2的優(yōu)化打印參數(shù)生成實體模型。
[0025] 4、將步驟3所生成的實體模型進行三維打印，以打印材料的物理特性、打印條件 及打印物體的材料體積為約束，以打印模型所受應(yīng)力最小化為目標(biāo)，建立三維打印模型。
[0026] 本發(fā)明的一種基于應(yīng)力分析的優(yōu)化三維打印物體結(jié)構(gòu)的算法能夠有效優(yōu)化三維 打印物體的結(jié)構(gòu)，生成的打印物體