CN108961430B - 一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法及*** - Google Patents

一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法及***，建立原始模型：在给定的可变化范围内布置物体，将给定形状的物体置于初始优化空间上方，设备置于内部，计算物体的重心并使重心位于物体中央；设定优化目标进行拓扑优化：根据浮力重力的平衡方程组，给出优化约束，设定优化目标为最小化漂浮结构的体积，通过优化迭代循环，不断修改指定优化区域单元的材料属性，有效的从初始模型中移走单元；结合实际情况分析结构的稳定性与状态恢复能力，根据当前状态的稳性曲线，对漂浮结构进一步优化，从而最大化不同偏移角度下的恢复能力，得到最终的漂浮支撑***。本发明的方法可以对任意给定的物体和设备负载进行漂浮支撑***的设计。

Description

一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法及***
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法及***。
背景技术
3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，对设计的结构不用建造模具，生产快捷。
稳定漂浮，是指物体所受浮力等于自身重力，同时保证按照固定的朝向漂浮在液体中。且当物体受到来自各个方向的轻微扰动导致自身倾斜的情况下，物体依靠当前状态的浮力能够恢复为原稳定状态。这种情况也被称为稳定平衡。分析漂浮性能时，根据物体入水体积、吃水面形状及自身重心位置，能够计算出等效稳心。当稳心高度高于重心的高度时，可以确定物体当前处于稳定漂浮状态。
稳性分析，是指基于上述关于稳定漂浮的描述，分析物体在各个状态下的稳定情况。其中，静稳性曲线是分析物体在静态水面情况下，在偏移各个角度时由浮力和重力产生的恢复力矩大小，即，物体恢复原稳定时朝向的能力大小，从而绘制成曲线。动稳性曲线，考虑了物体漂浮摆动的速度、风浪影响，根据能量守恒分析计算出的稳性曲线。在船舶工程、海洋浮标性能分析时，都会进行浮体稳性的计算，绘制稳性曲线，结合固定的技术指标要求，分析浮体的漂浮能力。
拓扑优化，是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的方法，通过把优化空间的材料离散成有限个单元，根据约束条件与优化目标确定设计空间内单元的去留，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，从而实现拓扑优化。拓扑优化技术能够形成给定外形和受力情况下的最优内部结构。目前拓扑优化技术，被用于各种受力要求严格的结构设计场景，如航天、建筑、汽车领域的工件设计过程。
为了赋予给定物体所需求的漂浮能力，同时尽量减少对额外材料的消耗，***需要有效地分析物体的漂浮以及优化结构。在船只、浮标的设计过程中，需要熟悉该领域知识的专家人工计算设计，整个过程需要多次实验确认，费时费力且不可避免大量知识与经验的指导。对于任意物体的漂浮分析，人工设计所需的巨大工作量和时间成本是一般用户无法承受的。
综上所述，现有技术中对于如何准确实现对任意物体的漂浮分析，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，提供了最优化的漂浮结构，不仅保证了物体对漂浮的要求，也避免了需要丰富知识储备及大量人工处理的缺陷，满足了用户可控的结构生成需求。
一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，包括：
建立原始模型：在给定的可变化范围内布置物体，将给定形状的物体置于初始优化空间上方，设备置于内部，计算物体的重心并使重心位于物体中央；
设定优化目标进行拓扑优化：根据浮力重力的平衡方程组，给出优化约束，设定优化目标为最小化漂浮结构的体积，通过优化迭代循环，不断修改指定优化区域单元的材料属性，有效的从初始模型中移走单元；
结合实际情况分析结构的稳定性与状态恢复能力，根据当前状态的稳性曲线，对漂浮结构进一步优化，从而最大化不同偏移角度下的恢复能力，得到最终的漂浮支撑***。
进一步优选的技术方案，所述漂浮支撑***通过3D打印设备进行打印得到打印件。
进一步优选的技术方案，计算物体重心的过程，包括：
在平板秤上安装测力计；
在物体平面情况下测量相应的读数，再抬高某个方向一定的角度，继续测量此时相应读数；
这些读数互不相同，根据受力、力矩平衡方程即可算出三维中物体的重心坐标。
进一步优选的技术方案，当物体的漂浮支撑组件为空心圆盘时，整个***的重心位于空心圆盘中心轴所在的直线上。
进一步优选的技术方案，所述拓扑优化的过程，包括：
体素化整个模型；
建立约束和优化目标；
给出受力平衡方程组：s.t.:
Figure BDA0001710338130000021
FG是重力，FB是浮力，CG、CB分别是各自的力矩；
对于漂浮物来说，约束条件为：稳心高度-重心＞给定高度差。稳心是漂浮物正浮时浮力作用线和微倾后浮力作用线的交点；
建立优化目标：最小化整个模型的体积；
输出结果。
进一步优选的技术方案，分析结构的稳定性与状态恢复能力的过程，包括：
获取给定海域的风浪状态；
将风浪参数化为可计算的量；
计算物体在偏移各个角度时的静稳性曲线、动稳性曲线；
分析稳性曲线中回复力矩不足的偏转位置，针对该位置，调整外部结构使其恢复能力更强；
保证漂浮性质不被破坏。
进一步优选的技术方案，计算物体在偏移各个角度时的静稳性曲线、动稳性曲线时：
在计算静稳性中，倾斜时不考虑角加速度和惯性矩，静稳性力矩的计算公式为MR＝Δ·GZ，其中GZ为静稳性力臂，MR为静稳性力矩。GZ可根据公式GZ＝KN-KGsinθ求出，KN为形状稳性臂，KG为重心稳性臂；
在计算动稳性中，漂浮物动稳性的大小取决于其动稳性力矩WR的大小，
Figure BDA0001710338130000031
动稳性力矩WR在数值上等于静稳性力矩MR曲面下的面积；动稳性力臂ld在数值上等于静稳性力臂GZ曲线下的面积。
进一步优选的技术方案，分析稳性曲线中回复力矩不足的偏转位置，针对该位置，调整外部结构使其恢复能力更强，具体为：
给定一个数值作为阈值，当回复力矩减小到阈值之下时，说明稳性降低；
可通过垂向移动载荷的方法来调整稳性；
由于条件限制导致载荷不能继续移动的情况下，改变物体入水面附近的结构形状，以调整稳性。
一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取***，包括3D打印***，所述3D打印***依据一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法获取漂浮支撑组件并进行打印。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法可以对任意给定的物体和设备负载进行漂浮支撑***的设计；
本方法得到的是稳定性好、恢复能力好且节省材料的漂浮支撑结构；
本方法综合考虑一般性与特殊性，对结构进行优化，保证生成结构的坚固性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的方法流程图；
图2为初始输入结构概念图的照片图；
图3为初始优化后概念图的照片图；
图4(a)为一组拓扑优化前的结构图的照片图；
图4(b)为一组拓扑优化后的结构图的照片图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的目的是对给定外形、重心位置的物体与设备以及可能因具体情况产生的或者为应对特殊情况预留的额外需要的载荷范围和载荷位置，提供一种漂浮支撑***的设计方法。该方法根据用户给定的可视外形部分及设备要求，设计组件的布局，建立原始模型，通过拓扑优化的结构设计技术，获得优化结构，并根据部署海域风浪等实际情况，分析其稳定性与状态恢复能力，保证静态动态下结构的漂浮稳定性，提供设备分布方案和最小化体积的漂浮结构。
本申请的一种典型的实施方式中，首先，利用图1对本发明的一种任意形状物体的漂浮支撑设计方法与***进行说明，图1为本发明的该方法的流程示意图，其步骤包括：
(1)初始化模型，在初始的漂浮支撑结构B的可布置范围内摆放用户输入的物体及设备，将给定的物体A置于初始漂浮支撑结构的上方，需要使用的设备置于漂浮支撑结构的内部，使整个***的重心位于中央；
(2)根据浮力重力的平衡方程组，给出优化约束，设定优化目标为最小化漂浮支撑结构的体积，通过优化迭代循环，不断缩小指定优化区域单元的体积，选择性能最佳的材料；
(3)结合实际情况分析整体结构的稳定性与状态恢复能力，根据当前状态的稳性曲线，对漂浮结构进一步优化，从而最大化不同偏移角度下的恢复能力，得到最终的漂浮支撑结构。
得到优化后的漂浮支撑组件可以进行3D打印，得到打印件。
所述步骤(1)中，计算物体重心的过程，包括：
步骤(1.1)：在平板秤的最少三个角下方安装测力计；
步骤(1.2)：将物体固定在平板秤上；
步骤(1.3)：在平面情况测量每个测力计的读数，每个读数表示该位置对物体的支持力大小；再抬高某个方向一定的小角度，继续测量每个读数；
步骤(1.4)：这些读数互不相同，根据受力、力矩平衡方程即可算出三维中物体的重心坐标。
所述步骤(1)中，要求漂浮支撑结构及物体和设备的重心位于初始的漂浮支撑组件中心轴所在的直线上。
所述步骤(2)中，拓扑优化的过程，包括：
步骤(2.1)：体素化整个模型；
步骤(2.1.a)：由用户给定体素化的分辨率数值，表示将物体沿xyz三个坐标轴方向的边长离散化为均匀的小长度，精度越高，说明体素化模型约接近原三维物体，同时相同问题的计算量会迅速加大；
步骤(2.1.b)：根据给定的分辨率数值，在空间中的每个相隔同等距离的位置判断是否在实体模型内，如果在实体内则在该位置放置一个立方体，立方体的边长为空间长度除以分辨率数值。操作结束后，大量的立方体填满了整个三维物体的位置，即为体素化的模型。
步骤(2.2)：建立约束和优化目标；
步骤(2.2.a)：给出漂浮支撑结构、物体和设备的受力平衡方程组：
s.t.:
Figure BDA0001710338130000051
FG是重力，FB是浮力，CG、CB分别是各自的力矩；
步骤(2.2.b)：简单来说，静止状态下，漂浮物的重心和浮力中心在同一条垂直直线上；当漂浮物倾斜时，浮力中心移动，浮力作用线和重力作用线的交点被称为稳心，漂浮物的稳定性主要依赖于“稳心高度”，即稳心到重心的距离。稳心高于重心，稳心高度为正，漂浮物更稳定、在倾斜状态下恢复稳定的能力更强；如果漂浮物的重心发生改变，重心高于稳心，稳心高度为负，倾覆事故就会发生。因此对于漂浮物来说，希望看到的是重心比稳心低，因此给出限制：稳心高度-重心＞给定高度差。稳心是漂浮物正浮时浮力作用线和微倾后浮力作用线的交点。
步骤(2.2.c)：建立优化目标：最小化包括漂浮支撑组件、物体和设备在内的整个模型的体积。
步骤(2.3)：输出结果进行进一步分析。
所述步骤(3)中，分析结构的稳定性与状态恢复能力的过程，包括：
步骤(3.1)：分析获取给定海域的风浪状态；
步骤(3.2)：将风浪参数化为可计算的物理量，如横向持续施加在物体上的力，或短时间内造成的冲量；
步骤(3.3)：计算物体在偏移各个角度时的静稳性曲线、动稳性曲线；
步骤(3.3.a)：在计算静稳性中，倾斜时不考虑角加速度和惯性矩。静稳性力矩的计算公式为MR＝Δ·GZ，其中GZ为静稳性力臂，MR为静稳性力矩。GZ可根据公式GZ＝KN-KGsinθ求出，KN为形状稳性臂，KG为重心稳性臂。
步骤(3.3.b)：在计算动稳性中，漂浮物动稳性的大小取决于其动稳性力矩WR的大小。
Figure BDA0001710338130000061
动稳性力矩WR在数值上等于静稳性力矩MR曲面下的面积；动稳性力臂ld在数值上等于静稳性力臂GZ曲线下的面积。
步骤(3.4)：分析稳性曲线中回复力矩不足的偏转位置，针对该位置，调整外部结构使其恢复能力更强；
步骤(3.4.a)：给定一个数值作为阈值，当回复力矩减小到阈值之下时，说明稳性降低；
步骤(3.4.b)：可通过垂向移动载荷的方法来调整稳性。
步骤(3.4.c)：由于条件限制导致载荷不能继续移动的情况下，改变物体入水面附近的结构形状，以调整稳性。
步骤(3.5)：保证漂浮性质不被破坏。
所述步骤3中，要求尽量最大化物体倾覆发生的角度，最大化物体恢复原位的能力。
如图1所示，输入物体A，圆盘B，拓扑优化，得到一个尽量小的结构，分析稳定性并进行调整，输出漂浮支撑结构E。
如图2所示，初始输入结构概念图，上方结构为用户指定的模型外形，下方圆盘形状为初始的漂浮支撑结构的设计空间，本设计的最终漂浮支撑结构完全处于其范围内。如图3所示，初始优化后概念图，上方的结构与初始状态完全相同，下方结构为可支持整体漂浮的体积最少的结构。
为更清晰地介绍拓扑优化概念，图4(a)-图4(b)展示了一组使用拓扑优化的实例。图4(a)为一组拓扑优化前的结构照片图，为一个实体长方体，右方表面受到竖直向下的压力，左方表面固定不动；图4(b)为一组拓扑优化后的结构照片图，在给定了减少体积的条件下，此结构是在相同的受力条件下强度最高的坚固结构。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，包括：
建立原始模型：在给定的可变化范围内布置物体，将给定形状的物体置于初始优化空间上方，设备置于内部，计算物体的重心并使重心位于物体中央；
设定优化目标进行拓扑优化：根据浮力重力的平衡方程组，给出优化约束，设定优化目标为最小化漂浮结构的体积，通过优化迭代循环，不断修改指定优化区域单元的材料属性，有效的从初始模型中移走单元；
结合实际情况分析结构的稳定性与状态恢复能力，根据当前状态的稳性曲线，对漂浮结构进一步优化，从而最大化不同偏移角度下的恢复能力，得到最终的漂浮支撑***。
2.如权利要求1所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，所述漂浮支撑***通过3D打印设备进行打印得到打印件。
3.如权利要求1所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，计算物体重心的过程，包括：
在平板秤上安装测力计；
在物体平面情况测量相应的读数，再抬高某个方向一定的角度，继续测量此时相应读数；
这些读数互不相同，根据受力、力矩平衡方程即可算出三维中物体的重心坐标。
4.如权利要求3所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，当物体的漂浮支撑组件为空心圆盘时，整个***的重心位于空心圆盘中心轴所在的直线上。
5.如权利要求1所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，所述拓扑优化的过程，包括：
体素化整个模型；
建立约束和优化目标；
给出受力平衡方程组：
Figure FDA0002333575070000011
FG是重力，FB是浮力，CG、CB分别是各自的力矩；
对于漂浮物来说，约束条件为：稳心高度-重心＞给定高度差，稳心是漂浮物正浮时浮力作用线和微倾后浮力作用线的交点；
建立优化目标：最小化整个模型的体积；
输出结果。
6.如权利要求1所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，分析结构的稳定性与状态恢复能力的过程，包括：
获取给定海域的风浪状态；
将风浪参数化为可计算的量；
计算物体在偏移各个角度时的静稳性曲线、动稳性曲线；
分析稳性曲线中回复力矩不足的偏转位置，针对该位置，调整外部结构使其恢复能力更强；
保证漂浮性质不被破坏。
7.如权利要求6所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，计算物体在偏移各个角度时的静稳性曲线、动稳性曲线时：
在计算静稳性中，倾斜时不考虑角加速度和惯性矩，静稳性力矩的计算公式为MR＝Δ·GZ，其中GZ为静稳性力臂，MR为静稳性力矩，GZ可根据公式GZ＝KN-KGsinθ求出，KN为形状稳性臂，KG为重心稳性臂。
8.如权利要求6所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，在计算动稳性中，漂浮物动稳性的大小取决于其动稳性力矩WR的大小，
Figure FDA0002333575070000021
动稳性力矩WR在数值上等于静稳性力矩MR曲面下的面积；动稳性力臂ld在数值上等于静稳性力臂GZ曲线下的面积。
9.如权利要求6所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法，其特征是，分析稳性曲线中回复力矩不足的偏转位置，针对该位置，调整外部结构使其恢复能力更强，具体为：
给定一个数值作为阈值，当回复力矩减小到阈值之下时，说明稳性降低；
可通过垂向移动载荷的方法来调整稳性；
由于条件限制导致载荷不能继续移动的情况下，改变物体入水面附近的结构形状，以调整稳性。
10.一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取***，其特征是，包括3D打印***，所述3D打印***依据权利要求1-9任一所述的一种任意形状物体的漂浮支撑组件的获取方法获取漂浮支撑组件并进行打印。
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