[發明專利]一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法

在審

• 申請號: 202210327225.2
• 申請日: 2022-03-30
• 公開（公告）號: CN115017560A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 李義寶;劉玥含;夏青;馬峻;王世剛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;無錫市夸克微智造科技有限責任公司
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06T17/00;G06F113/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

1.一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)采用相場方法確定多尺度材料的極小化周期曲面；

2)采用相場方法最小化多尺度材料的極小化周期曲面表面；

3)根據最小化多尺度材料的極小化周期曲面表面，構造三重周期常數平均曲率曲面，并生成輕質結構的表面模型；

4)根據應力場或有符號的距離場自適應地將輕質結構的表面模型生成三維模型，并將三維模型體素化，實現面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計。

2.根據權利要求1所述的一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法，其特征在于，步驟1)中，多尺度材料的極小化周期曲面為：

3.根據權利要求1所述的一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法，其特征在于，步驟2)中采用相場方法，通過使用改進的Allen-Cahn方程最小化極小化周期曲面表面通過下式計算：

式中，F′(φ)為導數，∈為參數，Δφ為拉普拉斯算子，λ為平均曲率的均值，φ為矢量，F(φ)＝0.25φ²(1φ)²。

4.根據權利要求3所述的一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法，其特征在于，平均曲率的均值λ通過下式計算：

5.根據權利要求1所述的一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法，其特征在于，步驟4)中，有符號的距離場φ(x)通過下式計算：

其中，是無符號的距離域，是中距離點x最近的點，Ω為空間；s(x)是φ(x)的有符號距離函數的符號，N為邊界點處向外的法向量。

6.根據權利要求1所述的一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法，其特征在于，步驟4)中，將三維模型體素化，實現面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計的具體過程為：

1)假設空間為三維空間，對于三維空間的子空間的每個小域，計算符號距離值大于條件閾值的點的數量；

2)若數量滿足判斷條件，則在子空間中生成設定精度的箱體元素；否則，將子空間劃分為八個細子空間，計算細子空間中符號距離值大于條件閾值的點的數量；

3)重復步驟2)，直到細子空間中符號距離值大于條件閾值的點的數量滿足判斷條件，實現面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計。

7.根據權利要求6所述的一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法，其特征在于，符號距離值大于條件閾值的點的數量為：

如果x＜y,f(x,y)＝0，否則f(x,y)＝1；

其中，i_b、j_b和k_b分別是子空間中每個小域上三個方向的索引；

其中，i＝[i₀,i₁,…,i_S]，j＝[j₀,j₁,…,j_S]和k＝[k₀,k₁,…,k_S]是三個整數向量；

其中，L_x為x方向上選取的空間區域長度，L_y為y方向上選取的空間區域長度，L_z為z方向上選取的空間區域長度；N_x、N_y和N_z分別代表x方向、y方向和z方向上的網格數量，和分別代表細化后的x方向上的粗網格的數量，y方向上的粗網格的數量，z方向上的粗網格的數量，c為正整數，S為細化的網格，s為變量參數。

8.根據權利要求6所述的一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應設計方法，其特征在于，判斷條件為：

(1)

(2)s≤S。