一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及三維打印技術，具體是一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的 算法。
【背景技術】
[0002] 三維打印技術是快速成型技術的一種，也稱增材制造。該技術依據數字模型文件， 使用離散材料(如粉末狀金屬或塑料等)，通過逐層累加粘合的方式來加工出物理對象。
[0003] 三維打印技術能夠制造任意復雜形狀的物體，因此常用于模具制造、建筑、工程工 業設計等領域。在航空航天、生物醫療領域，該技術也被廣泛應用，并已有使用該技術生產 的零件。此外，該技術在珠寶、文化創意等個性化定制，以及汽車、土木工程、教育、地理信息 系統、槍支等領域都有所涉及。
[0004] 三維打印的主要流程包括如下步驟：首先通過三維建模軟件建模或通過三維掃描 設備獲取三維模型數據后建模；然后將建成的三維模型進行切片計算，將模型分為一片片 的薄片，用于打印機逐層打印；接下來為每一層薄片規劃具體的打印路徑；最后三維打印 機讀取橫截面信息，再用液體狀、粉狀或片狀的材料將每個薄層逐個打印，并且將各層粘合 起來制造出實體。
[0005] 數字模型在計算機中能夠穩定存在，但是三維打印出來的物體卻常常因難以適應 真實世界中各種受力要求而發生損壞。對于一些拓撲較為復雜，有較多細桿結構的物體，受 力分析十分復雜，某些較細的部分甚至無法被三維打印機打印出來。現存的針對三維打印 物體結構優化方法均無法很好優化物體的強度，并且無法自適應地進行拓撲結構的簡化。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法。
[0007] 本發明的目的可以通過以下技術方案實現： 一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法，包括以下步驟： (1) 獲取打印物體的三維網格模型，用戶設置受力分布和打印材料體積約束； (2) 自動優化三維模型打印參數，通過用戶輸入，自動生成非均勻的框架結構，確定初 始參數并進行優化，所述參數包括非均勻框架結構中桿的半徑和數量； (3) 根據步驟（2)的優化打印參數生成實體模型； (4) 將步驟（3)所生成的實體模型進行三維打印，以打印材料的物理特性、打印條件及 打印物體的材料體積中的一種或多種條件為約束，以打印模型所受應力最小化為目標，建 立三維打印模型。
[0008] 作為進一步地優選，本發明所述步驟（2)中非均勻框架結構包括： (21) 原始彳旲型； (22) 骨架結構，其對應的三維打印參數為：桿放縮比和半徑； (23) 對于原始模型的劃分，骨架部分隨著骨架進行放縮，連接部分通過骨架部分光滑 拼接縮放。
[0009] 作為進一步地優選，本發明所述打印材料的物理特性包括材料的楊氏模量 勤、剪切模量H、泊松比lf:_。
[0010] 作為進一步地優選，本發明所述打印物體所用材料體積的約束，通過下列公式一 實現： 公式-
其中表示物體的體積，S是放縮比向量，分量由每根桿的放縮比組成， _Vg1P. 1表示原體積，；表示約束為原體積的倍數，用于用戶指定體積上限。
[0011] 作為進一步地優選，本發明所述步驟（4)打印條件包括對稱性條件，通過下述公式 二實現： 公式二
其中，5表示一個指標集，集合內的元素為所有需要對稱性條件的放縮比，:和_是放 縮比向量的第|個和第|個分量。
[0012] 作為進一步地優選，本發明所述步驟（4)打印物體包括非均勻框架結構中的半連 續條件和可稀疏性條件，通過下述公式三和公式四實現： 公式三 .......
. ... 公式四：|_|_蠢:賴 其中，_和，表示桿的放縮比上下限，由可打印性確定，發為0表示該桿被刪去，義_表 示桿的集合，.p_i表示桿的總數； 其中，|ifc表示放縮比向量s的非零分量的數量，:i:為用戶指定的優化后的桿的數量。
[0013] 作為進一步地優選，本發明所述步驟（4)打印模型所受應力最小化通過下述目標 函數的公式五實現： 公式五：
其中._表示有限元單元集合，g是其中一個單元，&表示單元:!|所受應力大小。
[0014] 本發明的有益效果：本發明能夠自適應優化框架中的放縮比和數量，以達到在使 用規定材料體積條件下保證物體的強度要求，并且能夠對模型進行簡化；本發明通過參數 的優化來提高打印物體的強度并且簡化物體的拓撲結構；本發明輸出為優化后的實體模 型，適用于當前的所有三維打印方式。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法流程圖。
[0016]圖2為本發明一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法中非均勻框架 結構示意圖。
[0017]圖3為本發明一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法中實施例1的受 力分析示意圖。
[0018]圖4為本發明一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法中實施例1的優 化結果示意圖。
[0019]圖5為本發明一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法中實施例1的三 維打印實物圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了便于本領域技術人員理解，下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0021] 本發明提供了一種在給定打印材料以及受力條件下生成具有最優強度和拓撲結 構模型的算法，算法將模型轉化成非均勻的框架結構，自適應優化非均勻桿的半徑及數量， 以達到物理受力要求、體積約束和拓撲簡化，算法最終生成可打印實體模型。對于給定的模 型，本發明能夠生成可用于直接打印的最優模型。
[0022] 如圖1所示為本發明一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法流程，包 括： 1、獲取打印物體的三維網格模型，用戶設置受力分布和打印材料體積約束。
[0023] 2、自動優化三維模型打印參數，通過用戶輸入，自動生成非均勻的框架結構，確定 初始參數并進行優化，所述參數包括非均勻框架結構中桿的半徑和數量。
[0024] 3、根據步驟2的優化打印參數生成實體模型。
[0025] 4、將步驟3所生成的實體模型進行三維打印，以打印材料的物理特性、打印條件 及打印物體的材料體積為約束，以打印模型所受應力最小化為目標，建立三維打印模型。
[0026] 本發明的一種基于應力分析的優化三維打印物體結構的算法能夠有效優化三維 打印物體的結構，生成的打印物體