[发明专利]一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法

说明书

本发明涉及一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法，首先对参数域进行四面体或三角面片划分，通过映射关系得到适合AMF格式表示的曲边四面体和三角形单元，然后读取网格节点处对应的材料、颜色等信息，将其按照标准格式写入AMF文件，最后将获取的曲边网格单元和其他信息以XML文档的形式进行组织，完成梯度材料模型和增材制造格式文件之间的传递。

技术领域

本发明涉及梯度复合材料建模以及增材制造研究领域，即研究梯度复合材料模型向增材制造过程所需的标准格式文件转化问题。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，单一或者均质材料组成的零部件已经难以满足产品的工作性能要求，然而在工程实践中，设计人员希望获得零部件的最佳使用功能，例如：在航空航天领域，零部件往往服役于超高温，超高速，热载荷复杂等环境中，由陶瓷/金属构成功能梯度材料零部件内侧表现出较高的耐热性能，外侧由金属材料组成呈现出较好的机械强度性能以及导热性能，通过两种材料在零部件内部的连续过渡实现热应力缓和等功能。由此衍生出一种特殊的材料类型即：梯度复合材料。然而传统的梯度材料制备工艺(如：气相沉积法，粉末冶金法，激光融覆法等)已经难以适应该类材料在几何形状，材料类型等方面的复杂程度的日益提升。近年来，增材制造技术的不断发展改变了梯度材料难以制备的传统观念，其在精度，效率方面表现出来的独特优势使增材制造技术成为制备梯度材料的重要手段。

目前，以图形学为基础的CAD软件均不能表达具有梯度材料分布特征的零部件。围绕梯度材料模型表示，国内外学者提出了多种建模方案，其中一种基于B样条基函数，实现材料和几何相耦合的参数化模型构造方案在建模精度，效率方面成为研究的热点。同时，从2008年开始，全球增材制造标准化工作正式进入快速发展阶段，ASTM国际标准组织发布了增材制造数据格式(AMF)标准，基于XML的AMF标准的开发是为了弥补CAD数据和现代的增材制造技术之间的差距，以目前3D打印机使用的“STL”格式为基础、弥补了其弱点的数据格式，新格式能够记录颜色信息、材料信息及物体内部结构等。一些商业CAD软件系统也添加了AMF格式文件，其中SolidWorks2015可以以增材制造文件格式(AMF)导出零件和装配文件，该格式专门用来描述3D打印对象。

但是，目前存在的关键问题是广泛被国内外学者接受和认可的梯度材料模型与新标准(AMF)格式之间存在着壁垒，因此近十年来梯度复合材料建模领域形成的研究成果无法直接应用于增材制造工艺阶段。而解决梯度材料参数化模型与AMF格式文件转变在国外鲜有人研究，国内尚属空白。本发明着眼于现有梯度材料模型向AMF数据文件高效率，高精度转变，由于基于样条理论构建的梯度材料参数化模型是通过在样条几何形状控制点中增加材料维度，实现材料、几何之间的有效耦合，其本质仍然是将物理域(几何信息，材料信息)与参数域之间建立了一种映射关系，而AMF格式文件相比于“STL”格式的显著特点是采用了曲边的四面体和曲边三角形单元来描述模型的几何形状，同时在单元节点处携带材料，颜色等其他信息。因此本发明的切入点为梯度材料参数模型的参数空间与物理空间之间的映射关系。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法。

技术方案

一种梯度材料模型向增材制造数据格式转变的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：基于B样条基函数构造梯度材料参数化模型，获取模型的节点矢量、控制顶点信息，在控制顶点几何维度内添加材料维度，得到模型物理域和参数域之间的映射关系：

其中，表示定义在节点矢量上的p阶B样条基函数；n1,n2,n3表示沿着u,v,w方向的控制顶点个数；F_i,j,k是带有材料属性的控制顶点信息，其坐标为(x,y,z,M)，向量M表示材料在零部件内部的分布状态；