CN107577861A - 基于有限元方法的实体零件镂空方法 - Google Patents

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康进武
邓承佯
上官浩龙
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Abstract

本发明提供了一种基于有限元方法的实体零件镂空方法，其包括：步骤一：创建实体零件的三维模型，并对所述模型进行有限元单元划分；步骤二：对模型进行数值模拟，并依据分析结果找到模型的非关键部分；步骤三：去除非关键部分的一些单元或全部单元；步骤四：将剩余单元的与已去除的单元接触的表面分解为三角面片，从而生成镂空表面的STL文件；步骤五：将得到的镂空表面的STL文件输入到所述模型初始时的STL文件中，从而生成镂空零件的STL文件；步骤六：3D打印所述镂空零件的STL文件。本发明的基于有限元方法的实体零件镂空方法可直接打印出具有镂空结构的零件，既可节约打印材料，降低生产成本，提高增材制造的生产效率，还能满足零件的性能要求。

Description

基于有限元方法的实体零件镂空方法
技术领域
本发明涉及制造领域，尤其涉及一种基于有限元方法的实体零件镂空方法。
背景技术
具有镂空结构的零件可以节省材料，降低成本，然而，目前并没有***的理论及直观的方法来生成零件的镂空结构，因为零件需要满足多种性能要求(例如力学性能、热学性能等)，如果直接将零件镂空可能会导致零件的性能下降，无法满足要求。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于有限元方法的实体零件镂空方法，其能制备出具有镂空结构的零件，既可以节约打印材料，降低生产成本，提高增材制造的生产效率，还能够满足零件的性能要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于有限元方法的实体零件镂空方法，其包括：步骤一：创建实体零件的三维模型，并对所述模型进行有限元单元划分；步骤二：对所述模型进行数值模拟，并依据分析结果找到所述模型的非关键部分；步骤三：去除所述非关键部分的一些单元或全部单元；步骤四：将剩余单元的与已去除的单元接触的表面分解为三角面片，从而生成镂空表面的STL文件；步骤五：将得到的镂空表面的STL文件输入到所述模型初始时的STL文件中，从而生成镂空零件的STL文件；步骤六：3D打印所述镂空零件的STL文件。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于有限元方法的实体零件镂空方法可以直接生成镂空零件的STL文件并打印出具有镂空结构的零件，既可以节约打印材料，降低生产成本，提高增材制造的生产效率，还能够满足零件的性能要求。
附图说明
图1为实体零件的划分网格后的一模型的示意图；
图2为图1镂空后的一示意图；
图3为图1镂空后的另一示意图；
图4为图1镂空后的又一示意图；
图5为图1中的一单元的示意图；
图6为实体零件的划分网格后的另一模型的示意图；
图7为图6镂空后的一示意图；
图8为图6镂空后的另一示意图；
图9为图6中的一单元的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1模型 3通道
2单元
具体实施方式
下面参照附图来详细说明本发明的基于有限元方法的实体零件镂空方法。
参照图1至图9，根据本发明的基于有限元方法的实体零件镂空方法包括：步骤一：创建实体零件的三维模型1，并对所述模型1进行有限元单元划分；步骤二：对所述模型1进行数值模拟，并依据分析结果找到所述模型1的非关键部分；步骤三：去除所述非关键部分的一些单元2或全部单元2；步骤四：将剩余单元2的与已去除的单元2接触的表面分解为三角面片，从而生成镂空表面的STL文件；步骤五：将得到的镂空表面的STL文件输入到所述模型1初始时的STL文件中，从而生成镂空零件的STL文件；步骤六：3D打印所述镂空零件的STL文件。
在步骤一中，参照图1和图6，首先利用三维建模软件(例如CATIA、SOLIDWORKS、UG等)创建实体零件的三维模型1，然后将得到的模型1导入有限元分析软件(例如ANSYS)并进行有限元单元划分，且划分的单元2可为四面体或正交六面体。
在步骤二中，利用有限元分析软件对模型1进行数值模拟。其中，数值模拟的内容依照用户的需求以及对实体零件的性能要求而定，例如，数值模拟可用于分析实体零件的力学性能、热学性能或磁学性能。数值模拟完成后，找到所述模型1的非关键部分。其中，非关键部分在模型1上的数量、位置和分布方式由数值模拟分析结果确定，例如，当数值模拟分析针对的是零件的力学性能，那么模型1在力学分析中的非承力的部分(或受力极小，可忽略的部分)即为非关键部分，非关键部分由多个非承力的单元2组成。
在步骤三中，参照图2、图3、图7和图8，去除所述非关键部分的单元2的方法可为：首先，任选一个位于非关键部分的单元2，并将其去除；其次，依次去除该单元2周围的且位于该非关键部分的一些其它单元2；然后，在非关键部分中的另一个部位重复上述步骤。也就是说，先在非关键部分找到一个单元2作为基准点，然后去除该单元2并形成一个空腔，然后再从该空腔出发，不断的去除空腔周围的一些其它单元2(去除的数量可自由设置)，空腔不断扩大延伸并形成通道3；然后，再在非关键部分中的另一个部位找到另一个基准点，并重复上述步骤。
去除非关键部分的一些单元2后，所述模型1上形成多个相互隔开的通道3。相邻两个通道3之间保留的一些单元2可作为支撑，以避免镂空结构出现坍塌。具体地，参照图4，在各个方向上，相邻两个通道3之间间隔的单元数(作为支撑的单元数)与各通道3横截面上能够容纳的单元数的比为1/4～1/2。
当然，去除非关键部分的一些单元2后，所述模型1上也可仅形成一个通道3。
在步骤三中，去除的单元2可包括位于所述模型1的表面单元2，这样，形成的通道3可连通到模型1的外表面。当然，去除的单元2也可仅限于所述模型1的内部单元2，这样，实体零件仅在内部镂空，外表面保持完整。
在步骤三中，优选去除所述非关键部分的全部单元2。
在步骤四中，分解三角面片的详细过程如下。
由于在模型1中，每个单元2都有与其相邻的单元2，两个单元2之间的接触面也是唯一确定的。当一个单元2被去除后，与该单元2接触的其它单元2均会露出表面，因此，通过编程来确定这些表面，判定的基准就是剩余单元2与已去除的单元2接触面。由于各单元2的各节点坐标都是已知的，因此，当一个单元2被去除后，***自动记录剩余单元的与已去除的单元2接触的表面的坐标(由于单元2的去除是连续的，因此，如果被记录的表面所在的单元2在后续的步骤中也被去除，那么记录的坐标也随之清除)，依照坐标就可将表面分解为三角面片。
具体地，参照图5，以正交六面体的单元2为例，其中A、B、C、D、A1、B1、C1、D1的坐标已知。如果面BB1C1C为与被去除的单元2接触的表面，那么分解后的三角面片为：三角面片1，三个坐标依次为B、B1、C1，法矢量坐标为三角面片2，三个坐标依次为B、C1、C，法矢量坐标为同理，如果是其它的表面，分解的原理相同。
参照图9，以四面体的单元2为例，其中，O、A、B、C的坐标已知。如果面ABC为与被去除的单元2接触的表面，那么三角面片的三个坐标依次为A、B、C，且该三角面片的法矢量坐标为满足以下条件：
大于0。
将剩余单元2的与已去除的单元2接触的表面分解为三角面片，从而生成镂空表面(也就是去除单元2后新生成的表面)的STL文件。
步骤一中创建实体零件的三维模型1可以自由的转换为STL格式文件，此时的文件仅包括模型1的外表面的三角面片。因此，在步骤五中，将得到的镂空表面的STL文件输入到所述模型1初始时的STL文件之后，从而生成镂空零件的STL文件。
在步骤六中，将得到的镂空零件的STL文件输入到3D打印设备，就可以打印出镂空的零件。
本发明的基于有限元方法的实体零件镂空方法的步骤一到步骤六的流程可以通过自主编写的程序算法实现。
综上所述，本发明的基于有限元方法的实体零件镂空方法可以直接生成镂空零件的STL文件并打印出具有镂空结构的零件，既可以节约打印材料，降低生产成本，提高增材制造(3D打印)的生产效率，还能够满足零件的性能要求(力学、热学或磁学)。

Claims (10)

1.一种基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，包括：
步骤一：创建实体零件的三维模型(1)，并对所述模型(1)进行有限元单元划分；
步骤二：对所述模型(1)进行数值模拟，并依据分析结果找到所述模型(1)的非关键部分；
步骤三：去除所述非关键部分的一些单元(2)或全部单元(2)；
步骤四：将剩余单元(2)的与已去除的单元(2)接触的表面分解为三角面片，从而生成镂空表面的STL文件；
步骤五：将得到的镂空表面的STL文件输入到所述模型(1)初始时的STL文件中，从而生成镂空零件的STL文件；
步骤六：3D打印所述镂空零件的STL文件。
2.根据权利要求1所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，在步骤一中，划分的单元(2)为四面体或正交六面体。
3.根据权利要求1所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，在步骤二中，数值模拟用于分析实体零件的力学性能、热学性能或磁学性能。
4.根据权利要求1所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，步骤三中去除所述非关键部分的单元(2)的方法为：
首先，任选一个位于非关键部分的单元(2)，并将其去除；
其次，依次去除该单元(2)周围的且位于该非关键部分的一些其它单元(2)；
然后，在非关键部分中的另一个部位重复上述步骤。
5.根据权利要求4所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，在步骤三中，去除非关键部分的一些单元(2)后，所述模型(1)上形成多个相互隔开的通道(3)。
6.根据权利要求5所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，在各个方向上，相邻两个通道(3)之间间隔的单元数与各通道(3)横截面上能够容纳的单元数的比为1/4～1/2。
7.根据权利要求4所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，在步骤三中，去除非关键部分的一些单元(2)后，所述模型(1)上形成一个通道(3)。
8.根据权利要求1或4所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，在步骤三中，去除的单元(2)包括位于所述模型(1)的表面单元(2)。
9.根据权利要求1或4所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，在步骤三中，去除的单元(2)仅限于所述模型(1)的内部单元(2)。
10.根据权利要求1所述的基于有限元方法的实体零件镂空方法，其特征在于，在步骤三中，去除所述非关键部分的全部单元(2)。
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