[發(fā)明專利]一種面向彈性物體制造的逆向形狀設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410146157.5
• 申請(qǐng)日: 2014-04-11
• 公開（公告）號(hào): CN103942377A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周昆;鄭昌熙;陳翔;許威威
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種面向彈性物體制造的逆向形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）初始設(shè)計(jì)信息的輸入：由用戶交互指定材料類型、目標(biāo)形狀和一組外力集合；

（2）超彈性材料模型的使用：基于實(shí)際制造物體的彈性變形特性，使用具有高度預(yù)測(cè)能力的超彈性材料模型作為物體變形的表征模型；

（3）逆向靜力平衡問題的求解：基于漸近數(shù)值方法高效精準(zhǔn)地求解高度非線性的逆向靜力平衡方程，所得形狀可在設(shè)定的外力條件下變形為用戶設(shè)計(jì)的目標(biāo)形狀；

（4）逆向形狀設(shè)計(jì)方法的擴(kuò)展：基于核心算法的擴(kuò)展，支持外力的交互式調(diào)整、多目標(biāo)形狀的逆向設(shè)計(jì)、以及正向靜力平衡問題的快速求解；

（5）逆向求解結(jié)果的制造：基于上述步驟求解所得形狀，包括步驟1中所選材料類型（參數(shù)），使用快速成型等工藝手段制造出符合用戶設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)際物體。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述面向彈性物體制造的逆向形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟1包括以下子步驟：

（1.1）用戶輔助交互，指定預(yù)先校準(zhǔn)的材料類型或者直接給定材料參數(shù)（切變模量、體變模量、密度等）；

（1.2）用戶提供所需目標(biāo)形狀模型，以實(shí)現(xiàn)特定功能或視覺效果展示；

（1.3）用戶輔助交互，選擇模型中特定部分，施加固定約束或者工作外力（包括重力），調(diào)整外力的大小和方向。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述面向彈性物體制造的逆向形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟2包括以下子步驟：

（2.1）基于逆向形狀設(shè)計(jì)問題所涉及的大尺度彈性變形特性，使用超彈性材料模型neo-Hookean模型來表征高度非線性的彈性形變；

（2.2）基于neo-Hookean模型，在幾何形變與模型內(nèi)部應(yīng)力之間建立一種高度非線性的關(guān)系，并通過兩個(gè)參數(shù)切變模量和體變模量來適應(yīng)具有不同彈性屬性的材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述面向彈性物體制造的逆向形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3包括以下子步驟：

（3.1）建立靜力平衡方程，使得幾何形變產(chǎn)生的模型內(nèi)部應(yīng)力與用戶指定的外力之間達(dá)到靜態(tài)平衡狀態(tài)（即相互抵消）；

（3.2）基于漸近數(shù)值方法和neo-Hookean模型，得到步驟3.1中靜力平衡方程參數(shù)形式解的漸近展開表示形式，并計(jì)算其中所涉及到的各項(xiàng)系數(shù)；

（3.3）基于步驟3.2中獲得的漸近表示解，使用數(shù)值跟蹤方法最終得到平衡態(tài)的結(jié)果形狀。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述面向彈性物體制造的逆向形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟4包括以下子步驟：

（4.1）基于步驟3中的計(jì)算結(jié)果，變更漸近展開形式以支持最終結(jié)果附近的數(shù)值跟蹤，使得用戶對(duì)外力的交互式調(diào)整能得到快速及時(shí)的反饋；

（4.2）基于步驟3的計(jì)算結(jié)果，使用松弛子空間的投影法，得到多個(gè)目標(biāo)形狀在多組外力約束下的最優(yōu)自然狀態(tài)；

（4.3）求解正向靜力平衡問題，得到自然狀態(tài)施加給定外力之后的形變結(jié)果。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述面向彈性物體制造的逆向形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟5包括以下子步驟：

（5.1）基于步驟3和步驟4中求解得到的結(jié)果（即物體自然狀態(tài)），轉(zhuǎn)換格式得到工藝制造所需幾何模型；

（5.2）基于權(quán)利要求2中提供的材料參數(shù)制造步驟5.1中所得幾何模型；

（5.3）基于權(quán)利要求2中設(shè)定的約束和外力，將步驟5.2中制造的物體變形為目標(biāo)形狀。