CN111680338A - 一种基于stl文件的梯度多孔结构的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，现有的梯度多孔结构三维模型设计方法，普遍存在建模过程复杂、孔径尺寸和形状难以控制等问题，本发明克服现有建模方法难以快速高效的建立梯度多孔结构三维模型的问题。本发明通过计算程序读取STL文件，然后将所述均匀单元周期多孔结构的CAD模型的三角面片的法向量和顶点坐标读入并存储于相应的数组中，依据所述均匀单元周期多孔结构设计的结构特征，通过编写程序对存储于数组中的三角面片的位置参数进行修改。本发明建模方法简单高效，易于理解和掌握，可以通过修改程序参数设计出不同单元结构类型的梯度多孔结构。

Description

一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法

技术领域

本发明涉及三维建模领域，具体涉及一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法。

背景技术

多孔结构作为一种新型轻质结构，由于其内部开放、贯通的空间可实现吸能、储能、热控、隐身、阻尼等多功能特性，在航空航天、生物医学等领域有广泛的应用。梯度多孔结构作为特殊的多孔结构，其结构具有更好的可设计性和多样性，使其在抵抗冲击、吸收能量等方面具有独特优势。

随着增材制造技术的快速发展，特别是选区激光熔化工艺的发展，使各种微小复杂结构的制备成为可能，同样可以有效实现各种复杂的多孔结构的加工制备，而如何快速可靠的设计出所需的梯度多孔结构的三维模型，是通过增材制造制备梯度多孔结构过程中的关键技术。现有的梯度多孔结构三维模型设计方法，普遍存在建模过程复杂、孔径尺寸和形状难以控制等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其目的在于克服现有建模方法难以快速高效的建立梯度多孔结构三维模型的问题，充分利用STL文件格式的特点，设计出所需孔隙特征的梯度多孔结构的三维模型。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：利用三维建模软件建立均匀多孔结构的CAD模型，并将所述CAD模型保存为STL文件格式；

步骤2：通过计算程序读取STL文件，然后将所述均匀多孔结构的CAD模型的三角面片的法向量和顶点坐标读入并存储于相应的数组中；

步骤3：依据所述均匀多孔结构设计的结构特征，通过编写程序对存储于数组中的三角面片的位置参数进行修改；

步骤4：将步骤3中修改后的数据读出到原STL文件，保存并通过三维建模软件打开修改后的STL文件得到梯度多孔结构的模型。

进一步的，所述步骤1中，所述均匀多孔结构包括金刚石点阵结构、螺旋二十四面体单元点阵结构、四面体单元点阵结构、六面体单元点阵结构、八面体单元点阵结构以及十字单元点阵结构。

进一步的，所述步骤1中，所述均匀单元周期多孔结构的整体外观为包括圆台状、圆柱状和长方体状的简单形状结构。

进一步的，所述步骤1中，STL文件具体类型为ASCII明码文件格式。

进一步的，所述步骤2中，所述计算程序实现包括通过文件路径及文件名信息读入文本文件，读取三角面片数据并将读入的数据进行修改，将数据重新读入到文本文件的功能。

进一步的，所述步骤3中，改变所述均匀单元周期多孔结构的类型主要为通过修改模型的三角面片的法向量坐标和三角面片3个顶点的x、y、z坐标参数，具体的使原多孔结构支架间距减小，即孔径尺寸减小，但孔数量和分布方式保持不变。

进一步地，所述步骤3中，所编写程序设计

用于从STL文件中读入均匀多孔结构的CAD几何模型数据导入子函数RSTL()，。

用于根据结构特征变形后的多孔结构的STL文件写入指定文件中的输出子函数WSTL()，

用于将读入的三角形面片中的顶点进行变形，然后得到变形后的顶点坐标子函数BDeformation()，

进一步地，所述步骤3中，

利用导入子函数RSTL()读取多孔结构的CAD几何模型数据STL格式文件，

利用子函数BDeformation()进行多孔机构变形处理，根据梯度结构设计要求，对相应位置的三角面片的顶点坐标在全局坐标中进行改变，使得在同一水平高度处，支架结构的三角面片向该平面中点处靠拢，移动距离随三角面片距离中点位置的增大而增大，使得支架间间距缩小相同的的距离，而三角面片分布方式与位置关系保持不变，随着高度减小，自上而下支架间距缩小值均匀减小，使得沿高度方向孔径尺寸依次增大，呈梯度变化。

最后利用输出子函数WSTL()按照STL文件的数据格式，将变形后的三角形面片数据写入指定的文件中，得到变形后的多孔结构STL文件，从而建立梯度多孔结构模型。

进一步的，所述步骤3中的改变所述均匀多孔结构使其等高度处孔径大小改变值相同，沿高度方向支架移动距离逐渐减小，即孔径逐渐增大实现连续梯度变化。

进一步的，所述步骤4中，所述三维建模软件，应能打开STL文件的CAD模型，如果设计要求为其他格式文件的CAD模型，可先读取设计好的STL文件，并通过三维建模软件将该STL文件保存为其他格式文件的CAD模型即可。

进一步的，所设计的梯度多孔结构的整体外观不仅限于圆柱状，若为其他类型，可通过设计原多孔结构的外观形状来实现所需外观的梯度多孔结构，亦可在所设计的柱状梯度多孔结构中截取所需尺寸及结构即可。所设计梯度多孔结构的孔隙率、孔径大小及梯度变化大小等结构特征参数可根据设计要求进行改变。

总体而言，通过本发明所构思的以上即是方案与现有技术相比，主要具备如下的优点和有益效果：

本发明将选区激光熔化等增材制造工艺应用于多孔结构及梯度多孔结构的成型，由零件的三维模型驱动制备所需零件，可根据实际应用需求首先用三维建模软件设计均匀多孔结构，再通过本发明设计出所需的梯度多孔结构，实现对于梯度多孔结构宏观孔结构的控制。

本发明的建模方法通过计算程序对原有多孔结构进行再设计，可通过修改程序参数改变结构的特征，可以实现多孔结构孔隙特征的调整范围和可控性，可实现各种结构特性的梯度多孔结构的CAD三维模型。

本发明的建模方法简单高效，易于理解和掌握，可以通过修改程序参数设计出不同单元结构类型的梯度多孔结构。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明的流程示意图；

具体实施方式

在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，如图1所示，其步骤包括：

根据应用需求设计均匀多孔结构的CAD模型(根据使用要求及结构特征，设计出所需的支架尺寸和整体尺寸的模型，并根据要求对结构进行优化设计，如在支架连接处增加光滑过渡，对有应力集中处进行优化设计等)，然后将该模型数据保存为STL文件的ASCII文件格式。

通过计算程序，将设计的均匀多孔结构的CAD模型的STL文件读入，并读取CAD模型的每个三角面片的方向矢量和三个顶点的坐标数据，根据所需的结构特征修改三角面片的方向矢量和顶点坐标数据，从而实现对原多孔结构模型的修改。

具体的，使相同高度处的多孔支架偏移后，孔径尺寸改变值相同，并且孔分布方式与原模型的分布方式保持一致，即保持结构在水平方向相同高度处仍为均匀多孔结构，即孔结构分布均匀。沿高度方向自上而下，通过偏移多孔支架位置，使孔径尺寸连续变化，从而实现自上而下孔隙率连续变化的梯度多孔结构的CAD模型的设计。

具体的，支架偏移距离沿高度方向呈连续变化，使原多孔结构的孔隙率自上而下呈线性变化，具体的支架偏移距离及孔隙率的变化范围，可通过程序控制，根据实际设计需求进行调节。

根据需求特征对原模型STL文件中位置数据在程序中修改完成后，将各位置数据读出到原文件中的位置，从而实现原文件数据的修改，从而实现原CAD模型的再设计。

将修改完成后的STL文件保存，通过三维建模软件打开该文件，可得到所设计的梯度多孔结构的CAD模型。由于该程序主要为对多孔结构支架位置进行修改，从而调节孔径尺寸大小，对结构整体外观不做具体设计，因此若对结构整体外观及尺寸有具体要求，可根据设计要求首先设计出圆柱状或长方体状等简单外观的梯度多孔结构，再从中截取出所需外观结构即可，也可通过设计原多孔结构外观特征来实现所需外观形状的梯度多孔结构。

本发明基于CAD模型的STL文件可编辑的特点，通过对初始设计的多孔结构的CAD模型进行再设计实现对孔特征的控制，具体通过程序控制修改STL文件中的三角面片的位置参数的方式，实现了对多孔结构孔隙特征的控制。

实施例1

建立金刚石单元均匀周期多孔结构的CAD模型，将该模型整体外观结构设计为圆台状，其上表面圆半径为5，下表面圆半径为6.7，圆台高度为10，单个金刚石单元的CAD模型大小为2×2×2，其中单个单元的孔隙率为50％，由于是单元周期多孔结构，因此该多孔结构CAD模型的整体孔隙率为50％，建模完成后，保存为STL文件ACSII文件格式。

通过计算程序，读入该STL文件，并依次读取该多孔结构CAD模型的三角面片的方向向量与顶点坐标数据，并对读取的数据进行处理。具体的通过修改位置参数使金刚石单元支架间距缩小，从而使结构的孔径尺寸减小，并使等高度的孔径大小保持一致，孔分布方式与移动前保持一致并均匀分布，使该模型沿圆台高度方向，自上而下孔径连续变小。

对该金刚石单元周期多孔模型的STL文件中三角面片位置数据在程序中修改完成后，将各位置数据读出到原文件中，从而实现对原文件数据的修改，进而实现对原CAD模型的再设计。

将修改完成后的STL文件保存，通过三维建模软件打开该文件，可得到所设计的梯度多孔结构的CAD模型。具体的，该梯度多孔结构的整体外观结构为柱状，上下底面圆半径为5，高度为10，孔隙率自上而下从50％到10％连续变化，实现了孔隙率连续梯度变化的金刚石单元梯度多孔结构的设计。

实施例2

建立金刚石单元均匀周期多孔结构的CAD模型，该模型整体外观结构为圆柱状，其上表面圆半径为5，圆柱高度为10，单个金刚石单元CAD模型的尺寸大小为2×2×2，其中单个单元的孔隙率为50％，由于是单元周期多孔结构，因此该多孔结构整体孔隙率为50％。建模完成后，保存为STL文件ACSII文件格式。

通过计算程序，读入该STL文件，并依次读取该多孔结构CAD模型的三角面片的方向向量与顶点坐标数据，并对读取的数据进行处理。具体的通过修改位置参数使金刚石单元支架间距缩小，从而使结构的孔径尺寸减小，并使等高度的孔径大小保持一致，孔分布方式与移动前保持一致并均匀分布，使该模型沿圆台高度方向，自上而下孔径连续变小。

对该金刚石单元周期多孔模型的STL文件中三角面片位置数据在程序中修改完成后，将各位置数据读出到原文件中，从而实现对原文件数据的修改，进而实现对原CAD模型的再设计。

将修改完成后的STL文件保存，通过三维建模软件打开该文件，可得到梯度孔径尺寸的金刚石单元多孔结构CAD模型。具体的，该结构的整体外观为圆台状，上表面圆半径为5，下表面园半径为3.7，圆台高度为10。沿轴线方向截取底面圆半径为3.7，高为10的柱状多孔结构，可得到孔隙率自上而下从50％到10％连续变化的柱状梯度多孔结构的CAD模型。

实施例3

对于其他单元类型的多孔结构，如螺旋二十四面体单元、四面体单元、六面体单元、八面体单元等，给出了螺旋二十四面体单元的CAD模型，其操作过程与实例1及实例2相类似，仅多孔结构结构类型不同，可得到该单元类型的孔隙率变化的梯度多孔结构。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用三维建模软件建立均匀多孔结构的CAD模型，并将所述CAD模型保存为STL文件格式；

步骤2：通过计算程序读取STL文件，然后将所述均匀多孔结构的CAD模型的三角面片的法向量和顶点坐标读入并存储于相应的数组中；

步骤3：依据所述均匀单元周期多孔结构设计的结构特征，通过编写程序对存储于数组中的三角面片的位置参数进行修改；

步骤4：将步骤3中修改后的数据读出到原STL文件，保存并通过三维建模软件打开修改后的STL文件得到梯度多孔结构的CAD模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，所述步骤1中，所述均匀多孔结构包括金刚石点阵结构、螺旋二十四面体单元点阵结构、四面体单元点阵结构、六面体单元点阵结构、八面体单元点阵结构以及十字单元点阵结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，所述步骤1中，所述均匀多孔结构的整体外观为包括圆台状、圆柱状和长方体状的简单形状结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，所述步骤1中，STL文件具体类型为ASCII明码文件格式。

5.根据权利要求1所述的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，所述步骤2中，所述计算程序实现包括读入文本文件，读取数据并将读入的数据进行修改，将数据重新读入到文本文件的功能。

6.根据权利要求1所述的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，所述步骤3中，改变所述均匀多孔结构的类型包括修改所述均匀单元周期多孔结构的三角面片的法向量和顶点坐标参数使所述均匀多孔结构支架间间距减小，所述均匀单元周期多孔结构的孔数量和分布方式不变。

7.根据权利要求1所述的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，所述步骤3中的修改的CAD模型是使相同水平高度处孔径大小变化相同的值，沿高度方向支架移动距离逐渐减小，孔径逐渐增大实现连续梯度变化。

8.根据权利要求1所述的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，所述步骤4中，所述三维建模软件，实现打开STL文件，并将STL文件保存为其他格式文件。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种基于STL文件的梯度多孔结构的建模方法，其特征在于，所述步骤4中，所述梯度多孔结构的整体外观包括柱状。

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