CN106650085A - 基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法，在本发明的方法中，将实体模型划分为有限元网格，以有限元网格的各节点为球心生成的球面，然后对各球面进行三角面片网格划分，针对各有限元体单元，对各球面，标记各球面所属的节点与相邻节点之间形成的节点连线在两个球面上的交点，通过标记的两个交点确定对应的两个三角面片网格，将这两个三角面片网格对应的顶点连接以生成三棱柱，连接每个三棱柱侧面的其中一条对角线将其划分为两个三角面片网格，进而完成所有有限元体单元的处理，清除所有的三角面片网格以外的有限元网格区域从而得到实体模型对应的表面和内部均为镂空结构的空间镂空模型，这种生成方法操作简单、可行性高。

Description

基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法。
背景技术
镂空模型能够节省材料，节省成本，并且具有结构通透、样式美观等特点，被广泛运用在工业产品、建筑、艺术等领域。随着增材制造(3D打印技术)的出现，制造具有复杂结构的零部件成为可能，现有的方法能够将实体模型生成表面镂空结构，而内部的未空腔不能生成内部镂空结构，从而无法生成实体模型的表面和内部均为镂空结构的空间镂空模型。随着增材制造(3D打印)技术的进一步发展，实体模型在向空间镂空模型发展，具有减重、节省材料、提高生产效率、降低成本的优点，因此在实体模型上生成空间镂空模型将具有重要意义和实用价值。
发明内容
鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法，生成的空间镂空模型的表面和内部均为镂空结构，且操作简单、可行性高。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法，包括步骤：S1，建立实体模型；S2，对实体模型进行有限元体单元划分得到有限元网格；S3，以有限元网格的各节点为球心生成球面；S4，对各球面进行三角面片网格划分；S5，针对各有限元体单元，对步骤S4中的各球面，标记各球面所属的节点与相邻节点之间形成的节点连线在两个球面上的交点，通过标记的两个交点确定对应的两个三角面片网格，将这两个三角面片网格对应的顶点连接以生成三棱柱，连接每个三棱柱侧面的其中一条对角线将其划分为两个三角面片网格，重复本步骤，完成所有有限元体单元的处理；S6，清除所有的三角面片网格以外的有限元网格区域，所有的三角面片网格即组成与实体模型对应的空间镂空模型。。
本发明的有益效果如下：在根据本发明的基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法中，将实体模型划分为有限元网格，然后对以有限元网格的各节点为球心生成的球面进行三角面片网格划分，最后对所有有限元体单元进行三角面片网格划分并清除所有的三角面片网格以外的有限元网格区域从而得到实体模型对应的空间镂空模型，生成的空间镂空模型的表面和内部均为镂空结构，且这种生成方法操作简单、可行性高。
附图说明
图1是以正方体实体模型为例进行有限元体单元划分得到有限元网格的示意图；
图2是以图1中的一个有限元体单元的各节点为球心生成球面并对各球面进行三角面片网格划分的示意图；
图3是基于图2对一个有限元体单元进行三角面片网格划分得到三角面片网格的原理示意图；
图4是生成的与正方体实体模型对应的空间镂空模型的线框图；
图5是生成的与正方体实体模型对应的空间镂空模型的渲染图。
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法。
参照图1至图5，本发明的基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法，包括步骤：S1，建立实体模型；S2，对实体模型进行有限元体单元划分得到有限元网格；S3，以有限元网格的各节点为球心生成球面；S4，对各球面进行三角面片网格划分；S5，针对各有限元体单元，对步骤S4中的各球面，标记各球面所属的节点与相邻节点之间形成的节点连线在两个球面上的交点，通过标记的两个交点确定对应的两个三角面片网格，将这两个三角面片网格对应的顶点连接以生成三棱柱，连接每个三棱柱侧面的其中一条对角线将其划分为两个三角面片网格，重复本步骤，完成所有有限元体单元的处理；S6，清除所有的三角面片网格以外的有限元网格区域，所有的三角面片网格即组成与实体模型对应的空间镂空模型。
在根据本发明的基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法中，将实体模型划分为有限元网格，然后对以有限元网格的各节点为球心生成的球面进行三角面片网格划分，最后对所有有限元体单元进行三角面片网格划分并清除所有的三角面片网格以外的有限元网格区域从而得到实体模型对应的空间镂空模型，生成的空间镂空模型的表面和内部均为镂空结构，且这种生成方法操作简单、可行性高。
步骤S1中实体模型的建立可用CAD、Soildworks、CATIA等任何三维建模软件。
步骤S2中对实体模型进行有限元体单元划分得到有限元网格可利用现有的CAD平台(如CATIA、PRO/E)或借助专业网格划分软件HyperMesh、ANSYS等。
在步骤S2中对实体模型进行有限元体单元划分得到有限元网格的过程中，根据实体模型确定有限元体单元属性以及网格密度得到有限元网格，有限元体单元属性包括单元类型和分配材料属性。
为了满足结构力学承力性能，平衡受力分布，增加受载时的稳定性，步骤S3中的所生成球面的球径r0满足：
r0＝αd0，
其中，d0为各节点与最近的相邻节点的距离。
有限元体单元为四面体单元、六面体单元或它们的组合。
最后，结合图1至图4来说明上述方法的操作过程，首先对实体模型进行有限元体单元划分，如图1所示，以正方体实体模型为例，对其进行有限元体单元划分得到有限元网格，其中，有限元体单元为四面体单元。
再以有限元网格的各节点为球心、选取合适的球径r0生成球面，如图2所示，取图1中的有限元网格中的一有限元体单元O-ABC。针对各有限元体单元，对各球面，进行三角面片划分，标记各球面所属的节点与相邻节点之间形成的节点连线在两个球面上的交点，通过标记的两个交点确定对应的两个三角面片网格，将这两个三角面片网格对应的顶点连接以生成三棱柱，连接每个三棱柱侧面的其中一条对角线将其划分为两个三角面片网格，即完成一个有限元体单元的处理。如图3所示，以图2中的球心为O的球面和球心为A的球面为例，球心为O的球面和球心为A的球面经过三角面片网格划分后，球心为O的球面上的三角面片O1O2O3与球心为A的球面上的三角面片A1A2A3被节点连线OA贯穿，故依次连接连线A1O1、A2O2和A3O3，同时连接三角面片的三顶点形成的三角形A1A2A3、O1O2O3，进而与三条连线A1O1、A2O2和A3O3组成三棱柱A1A2A3-O1O2O3。其次，在三棱柱A1A2A3-O1O2O3中，连接每个三棱柱侧面的其中一条对角线(如图3中的O1A2、O2A3、O3A1)，即完成了对三棱柱A1A2A3-O1O2O3的三角面片划分。
最后，清除所有的三角面片网格以外的有限元网格区域，如图4所示，球面与三棱柱的所有的三角面片网格即组成与实体模型对应的空间镂空模型，从而完成实体模型生成空间镂空模型的操作，将球面与三棱柱的所有的三角面片网格按照STL格式输出，即得空间镂空模型的STL格式文件。后续可将空间镂空模型的STL格式文件输入3D打印机即可打印出相应的空间镂空模型。

Claims (4)

1.一种基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法，包括步骤：
S1，建立实体模型；
S2，对实体模型进行有限元体单元划分得到有限元网格；
S3，以有限元网格的各节点为球心生成球面；
S4，对各球面进行三角面片网格划分；
S5，针对各有限元体单元，对步骤S4中的各球面，标记各球面所属的节点与相邻节点之间形成的节点连线在两个球面上的交点，通过标记的两个交点确定对应的两个三角面片网格，将这两个三角面片网格对应的顶点连接以生成三棱柱，连接每个三棱柱侧面的其中一条对角线将其划分为两个三角面片网格，重复本步骤，完成所有有限元体单元的处理；
S6，清除所有的三角面片网格以外的有限元网格区域，所有的三角面片网格即组成与实体模型对应的空间镂空模型。
2.根据权利要求1所述的基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法，其特征在于，在步骤S2中对实体模型进行有限元体单元划分得到有限元网格的过程中，根据实体模型确定有限元体单元属性以及网格密度得到有限元网格，有限元体单元属性包括单元类型和分配材料属性。
3.根据权利要求1所述的基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法，其特征在于，步骤S3中的所生成球面的球径r0满足：
r0＝αd0，
其中，d0为各节点与最近的相邻节点的距离。
4.根据权利要求1所述的基于有限元网格的实体模型生成镂空模型的方法，其特征在于，有限元体单元为四面体单元、六面体单元或它们的组合。
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