[發明專利]對用于增材制造的多維度胞元結構進行建模和設計的方法及設備

在審

• 申請號: 201880062297.0
• 申請日: 2018-08-10
• 公開（公告）號: CN111436211A
• 公開（公告）日: 2020-07-21
• 發明（設計）人: 王煜;王毅強
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;B33Y50/00;G06F113/10
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 顧紅霞;李賽

本申請公開了一種對具有空間可變梯度分布的微結構的共形胞元結構進行建模、構造和設計的方法，其中所述微結構具有完全幾何連續性。該方法的基本流程包括：定義全局結構域，為微結構生成全局網格；使用水平集函數定義作為基礎胞元的單位結構，所述水平集函數可將梁、桁架、殼、和一般實體的建模考慮在內；使用等參數變換將所述基礎胞元變換并映射到所述全局網格的每個單元上，所述等參數變換可根據對材料分布和/或機械特性的一組需求生成共形胞元結構；以及應用全局切割函數以實現胞元的梯度分布并保證所述結構的任何兩個相鄰胞元之間的幾何連續性。該方法在允許胞元具有復雜的幾何形狀和特征并在空間中呈現可變梯度分布的同時，能夠保持所述結構的胞元之間滿足指定要求的幾何連接性。

發明人：邁克爾·王煜和王毅強

相關申請的交叉引用

本申請要求對2017年9月27日提交的名稱為“對用于增材制造的三維胞元結構進行建模和設計的方法”的美國第62/606,512號臨時申請的優先權。該臨時申請的全部內容在此通過引用的方式并入本文。

技術領域

本公開一般地涉及結構設計和增材制造。例如，提供了一種對共形胞元結構進行建模和設計的技術，其中所述共形胞元結構由空間可變梯度分布且連續連接的微結構組成以用于增材制造。

背景技術

胞元多孔結構通常被定義為由低尺度微結構組成的三維(3-D)結構，其幾何特征能跨越從幾十納米到亞毫米的若干量級。與實體材料相比，胞元結構具有優異的機械性能，同時具有相對較低的質量、良好的能量吸收特性以及良好的隔熱和隔音性能，在航空航天、汽車和醫療行業具有巨大的應用前景。

胞元結構的機械特性不僅由其材料決定，還在很大程度上由其低尺度胞元的幾何形狀和布局模式決定。因此，一種用于創建具有新穎形狀和分布模式的胞元結構的系統設計策略已引發了工程師和設計師的興趣，隨著近期增材制造技術的快速普及，其向工程師和設計師提供了極大的自由度以創建具有高幾何復雜性的創新胞元多孔結構。

在計算機輔助設計中，胞元結構通常可以通過用指定胞元替換實體對象的特定區域來進行構建。就此而言，應當調節微結構胞元以符合對象的幾何形狀，從而提高對象的機械性能。

與周期性重復的胞元結構相比，具有空間可變微結構胞元的胞元結構由于其改進的機械性能已經受到越來越多的關注。尤其是，該類胞元包含相似但不同的幾何特征形狀和尺寸的微結構，因此被稱為可變或梯度分布的胞元結構。

傳統的方法通常通過顯式參數化技術，即通過顯式參數表達基于桁架/梁或類似殼體的特征，并通過表征微結構全局變化的函數控制這些特征，以實現微結構胞元的變化。然而，這些傳統方法的表達能力在表現一般微結構的特征變化上具有嚴重的局限性。因此，現有的方法和設備在機械特性和結構特性以及所實現的結構設計功能方面只能提供有限的收益。

上述背景資料僅僅是為了提供關于生成共形胞元結構的一些問題的上下文信息的概述，并不是旨在窮盡。在審閱以下詳細描述的一個或多個非限制實施例時，附加的上下文可能變得明顯。

發明內容

以下發明內容是本文中所公開各實施例的一般概述，并不打算對所公開的實施例進行窮盡或限制。通過結合附圖和權利要求考慮下面的詳細描述，可以更好地理解實施例。

本文公開了根據指定的或要求的空間分布對具有幾何完全連接的微結構的共形胞元結構進行建模和設計的實施例，其中的微結構具有可變結構特性。使用本文描述的一個或多個實施例，可以對可變梯度分布的微結構胞元的共形胞元結構進行建模、構造和優化，尤其適用于增材制造。