微结构族等效材料性质的计算方法、微结构、系统及介质技术方案

本发明专利技术属于等效材料性质计算领域，提供了一种微结构族等效材料性质的计算方法及系统。其中，微结构族等效材料性质的计算方法包括：在单位空间内生成体元，根据TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面确定每个体元是否填充，以体素化所述三周期极小曲面；由体元的单元位移和全局位移场计算均质化构成矩阵，该均质化构成矩阵表示当前三周期极小曲面微结构所对应的均质化材料属性；对均质化材料属性结果进行插值拟合，得到关于密度和厚度的插值函数，获取杨氏模量和泊松比，以指导TUBULAR GYROID类型微结构的制备及打印出相应模型。微结构的制备及打印出相应模型。微结构的制备及打印出相应模型。

【技术实现步骤摘要】
微结构族等效材料性质的计算方法、微结构、系统及介质


[0001]本专利技术属于等效材料性质计算领域，尤其涉及一种微结构族等效材料性质的计算方法、微结构、系统及介质。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]极小曲面是指平均曲率为零的曲面，三周期极小曲面是极小曲面的一类，在欧式空间的三个独立方向上均表现出周期性变化。极小曲面几何形状的结构存在于自然界，如甲虫壳、象鼻虫、蝴蝶羽翼和甲壳类动物的骨骼等。
[0004]三周期极小曲面可在不同的尺度空间中周期性地无限扩展，产生连通性优异、平滑而连续的孔结构，通过控制其参数能够控制内部孔隙结构，例如孔隙大小、孔隙形状、孔隙率等。实验证实了三周期极小曲面结构相对于立方体晶格，拥有更高的强度，更好的平衡压力和能量吸收能力。
[0005]微结构建模，就是通过设计一系列基本单元，如蜂窝结构、泡沫结构、杆结构等基本结构单元来达到特定约束和优化目标的建模方法。近年来，由于材料和技术工艺进步的推动，3D打印技术的到了巨大的发展。微结构建模方法能够保证自身的结构强度的同时，节省打印材料，缩短打印时间。因此有大量的相关工作研究如何通过微结构建模的方法生成强度高且经济性好的3D打印模型。
[0006]由于三周期极小曲面能够快速、高效生成复杂拓扑曲面，近年来，出现了很多相关的计算机辅助几何设计研究，致力于将三周期极小曲面应用到微结构的计算机辅助设计中。Dong-Jin Yoo提出了将三周期极小曲面网格化的方法并探索了其在工程上的应用。
[0007]应用微结构进行设计时，要根据所需的物理性质，选择合适的微结构。因此在构建微结构时，需要获得其对应的材料性质。专利技术人发现，对模型进行制造并使用拉伸机测量，虽然可以获得精确的材料性质，但是成本高、速度慢，不适合微结构族中大量材料性质的获取。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本专利技术提供一种微结构族等效材料性质的计算方法、微结构、系统及介质，其通过对TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面的定义进行参数替换，生成基于TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面的微结构族，并使用均质化的方法，快速高效地获取微结构的材料性质。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]本专利技术的第一个方面提供一种微结构族等效材料性质的计算方法，其包括：
[0011]在单位空间内生成体元，根据TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面确定每个体元是否填充，以体素化所述三周期极小曲面；
[0012]由体元的单元位移和全局位移场计算均质化构成矩阵，该均质化构成矩阵表示当前三周期极小曲面微结构所对应的均质化材料属性；
[0013]对均质化材料属性结果进行插值拟合，得到关于密度和厚度的插值函数，获取杨氏模量和泊松比，以指导TUBULAR GYROID类型微结构的制备及打印出相应模型。
[0014]本专利技术的第二个方面提供一种TUBULAR GYROID类型微结构，其根据一定杨氏模量和泊松比的等效材料打印而成；所述杨氏模量和泊松基于如上述所述的微结构族等效材料性质的计算方法所计算得到。
[0015]本专利技术的第三个方面提供一种微结构族等效材料性质的计算系统，其包括：
[0016]体素化模块，其用于在单位空间内生成体元，根据TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面确定每个体元是否填充，以体素化所述三周期极小曲面；
[0017]均质化模块，其用于由体元的单元位移和全局位移场计算均质化构成矩阵，该均质化构成矩阵表示当前三周期极小曲面微结构所对应的均质化材料属性；
[0018]插值拟合模块，其用于对均质化材料属性结果进行插值拟合，得到关于密度和厚度的插值函数，获取杨氏模量和泊松比，以指导TUBULAR GYROID类型微结构的制备及打印出相应模型。
[0019]本专利技术的第四个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的微结构族等效材料性质的计算方法中的步骤。
[0020]本专利技术的第五个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的微结构族等效材料性质的计算方法中的步骤。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022](1)本专利技术提出的基于TUBULAR GYROID类型微结构族等效材料性质的计算方法，能够快速高效地获取微结构的等效材料性质，相较于物理试验获取材料性质的传统方法，本专利技术提出的方法可以在制造之前获取材料性质，因此可以有效地提高效率、控制成本。
[0023](2)使用该微结构族等效材料性质的计算方法计算出的TUBULAR GYROID微结构的等效材料性质被广泛应用到使用TUBULARGYROID微结构设计建模与制造的优化环节中，诸如符合人体工学的鞋中底结构优化，自适应贴合的医疗支具优化。使用此方法计算出的TUBULAR GYROID微结构的等效材料性质，可以不经过实验的，直接作为输入并输入到优化环节，从而节省了物理实验时间，提高优化生产效率。
附图说明
[0024]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0025]图1是本专利技术实施例的微结构族等效材料性质的计算方法流程图；
[0026]图2是本专利技术实施例的符号距离场和重建曲面示意图；
[0027]图3是本专利技术实施例的材料性质示意图；
[0028]图4是本专利技术实施例的不同密度和厚度配置的打印模型。
具体实施方式
[0029]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0030]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0031]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专利技术的示例性实施方式。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。
[0032]实施例一
[0033]参照图1，本实施例的微结构族等效材料性质的计算方法，包括：
[0034]步骤(1)：在单位空间内生成体元，根据TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面确定每个体元是否填充，以体素化所述三周期极小曲面。
[0035]具体地，TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面定义和生成方法为：
[0036]使用如下隐函数表示TUBULAR GYROID类型三周期极小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微结构族等效材料性质的计算方法，其特征在于，包括：在单位空间内生成体元，根据TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面确定每个体元是否填充，以体素化所述三周期极小曲面；由体元的单元位移和全局位移场计算均质化构成矩阵，该均质化构成矩阵表示当前三周期极小曲面微结构所对应的均质化材料属性；对均质化材料属性结果进行插值拟合，得到关于密度和厚度的插值函数，获取杨氏模量和泊松比，以指导TUBULAR GYROID类型微结构的制备及打印出相应模型。2.如权利要求1所述的微结构族等效材料性质的计算方法，其特征在于，使用隐函数表示TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面。3.如权利要求2所述的微结构族等效材料性质的计算方法，其特征在于，根据所述三周期极小曲面的隐函数构建出三维空间符号距离场，再使用Marching Cube算法根据符号距离场重建出TUBULAR GYROID类型三周期极小曲面。4.如权利要求1所述的微结构族等效材料性质的计算方法，其特征在于，由单元刚度矩阵和单元载荷向量装配全局刚度矩阵K及载荷向量f，根据全局刚度方程计算单元位移：χ
i
＝K/f
i
。5.如权利要求1所述的微结构族等效材料性质的计算方法，其特征在于，使用三次样条插值对均质化材料属性结果进行插值拟合。6.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕琳，彭昊，刘培庆，黄劲，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：