[发明专利]包含晶格结构的3D部件的3D有限元网格的设计

说明书

本发明尤其涉及一种用于设计包含晶格结构的三维(3D)部件的3D有限元网格的计算机实现的方法。该方法包括：提供3D部件的实体表示；提供单元的规则拼接，每个单元包括有限元网格；将单元的规则拼接与3D部件的实体表示相叠加；将单元划分(S40)成两组。第一组单元中的每一个单元与3D部件的实体表示相接触，以及第二组单元中没有一个单元与3D部件的实体表示相接触。该方法还包括：对3D部件的实体表示的边界进行有限元网格划分；提取第一组单元的边界有限元网格；计算3D部件的实体表示的边界的有限元网格与所提取的第一组单元的边界有限元网格的布尔并集；对所计算的布尔并集的体积进行有限元网格划分；以及对所计算的布尔并集的经网格划分的体积的有限元网格与第二组单元中的单元的有限元网格进行合并。

技术领域

本发明涉及计算机程序和系统领域，并更具体地，涉及用于设计包含晶格结构(lattice structure)的3D部件的3D有限元网格(mesh)的方法、系统和程序。

背景技术

市场上存在用于对象的设计、工程规划和制造的多种系统和程序。CAD是“计算机辅助设计”的缩略词，例如，其涉及用于设计对象的软件解决方案。CAE是“计算机辅助工程”的缩略词，例如，其涉及用于仿真未来产品的物理行为的软件解决方案。CAM是“计算机辅助制造”的缩略词，例如，其涉及用于规定制造过程和操作的软件解决方案。在这些计算机辅助设计系统中，图形用户界面针对技术的高效性起到了重要作用。这些技术可以被嵌入到产品生命周期管理(PLM)系统中。PLM指的是在扩展型企业的概念上的一种商业策略，其用来帮助各个公司针对从产品概念提出到产品生命周期结束的产品研发，来共享产品数据、应用公共过程、并利用团体知识。由达索系统(Dassault Systèmes)(使用商标CATIA、ENOVIA和DELMIA)提供的PLM解决方案提供了工程中心(其对产品工程知识进行组织)、制造中心(其管理制造工程知识)以及企业中心(其使得企业集成和连接到工程中心和制造中心)。所有这些使得该系统产生了将产品、过程、资源链接在一起的开放式对象模型，实现了动态的基于知识的产品创建和决策支持，其推动了优化的产品定义、制造准备、生产以及服务。

CAD/CAE系统用于实现物理系统的仿真，该物理系统可以属于但不限于航空、汽车、海事以及城市工程。尤其是，这些系统用于使用有限元方法(FEM)来执行对该物理系统上的物理现象的仿真。这种仿真允许预测使用中的物理系统的性能(热学性能、机器性能或任何其他物理性能)并对设计进行优化以改善所述性能。其还允许预测部件的可制造性。在3D打印的情况下，可制造性可能是成败的关键，例如，对具有诸如在直接金属打印期间部件中的热分布之类的现象的打印过程进行仿真。事实上，诸如残余应力之类的现象在3D打印中可能存在严重问题，并且可能使得物理系统没有资格被用于诸如航空等关键应用。因此，能够仿真在打印过程中出现的现象是非常重要的。

晶格结构经常被用于设计所建模的物理系统的一个或多个部件。晶格结构表示在建模物理系统的部件中重复交替的实体和空心的图案。这种晶格图案的目的可以是调整部件的重量、机械阻力、传热或其他属性。因此，晶格结构改善了部件的整体性能；尤其是，由于晶格结构，机械应力能够在整个部件上更好地分布。由于对3D打印的兴趣的提高，晶格实体(lattice solid)的设计和分析变得非常重要。3D打印机对形状的复杂性几乎没有任何限制。因此，设计人员可以自由地创建以前无法制造的非常复杂的形状。特别是，3D打印机可以容易地打印晶格实体。