基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法。其操作步驟為：首先對(duì)網(wǎng)格模型對(duì)象內(nèi)部空間進(jìn)行劃分，確定目標(biāo)裝配區(qū)域、建立單元中心坐標(biāo)索引。然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用隱函數(shù)表達(dá)的參數(shù)化結(jié)構(gòu)作為單元設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，填充裝配區(qū)域，通過(guò)優(yōu)化局部區(qū)域的參數(shù)，構(gòu)建局部到整體滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的單元裝配結(jié)構(gòu)。最后，從參數(shù)化表達(dá)的單元整體裝配結(jié)構(gòu)中提取等勢(shì)面將其直接轉(zhuǎn)化為帶有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格體模型結(jié)構(gòu)。通過(guò)建立網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果表明：采用本方法能構(gòu)建孔隙率、連通性和梯度可控的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，生成宏觀可控、平滑過(guò)渡的多孔隙結(jié)構(gòu)，適用于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)以及3D打印模型的前處理。
【專利說(shuō)明】基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法，特別涉及一種基于三角網(wǎng) 格模型生成滿足特定要求的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可控裝配方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著3D打印等增量工藝的發(fā)展，對(duì)模型體結(jié)構(gòu)要求具有輕質(zhì)化、高比表面積、高 強(qiáng)度的性能。在模型體內(nèi)部按照特定規(guī)則構(gòu)造的孔隙結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積和較高的 強(qiáng)度重量比。隨著制造技術(shù)的提高，模型體內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在很多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng) 用。在輕量化設(shè)計(jì)中，模型體內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)能夠減輕構(gòu)建自身重量，降低材料消耗，使其 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化；同時(shí)，三角網(wǎng)格模型內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的合理排布能夠形成可控的質(zhì)量分布， 使3D打印生成的模型能夠按照預(yù)設(shè)的形態(tài)放置。在組織工程中，設(shè)計(jì)滿足生物學(xué)功能的多 孔支架，能夠加強(qiáng)代謝產(chǎn)物的交換，為細(xì)胞的附著、分化提供條件，為新形成的組織預(yù)留足 夠的空間。
[0003] 針對(duì)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)網(wǎng)格模型內(nèi)部設(shè)計(jì)宏觀可控、平滑過(guò)渡的多孔結(jié)構(gòu)是模 型體結(jié)構(gòu)自組織裝配的重要研究?jī)?nèi)容之一。宏觀可控性能夠幫助設(shè)計(jì)者改變模型的幾何和 物理特性，優(yōu)化模型內(nèi)部的力學(xué)支撐性能，控制模型內(nèi)部的質(zhì)量分布，減少材料消耗，廣泛 應(yīng)用于設(shè)計(jì)醫(yī)用組織支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及3D打印模型的前處理。
[0004] 多孔結(jié)構(gòu)在構(gòu)造設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)時(shí)需要控制的參數(shù)較多，對(duì)于生成模型的控制較為 復(fù)雜，使得生成的模型具有不確定性。同時(shí)，由于受到當(dāng)前三維軟件環(huán)境的限制，從體結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格表達(dá)的多孔隙模型時(shí)計(jì)算量大，在運(yùn)用布爾運(yùn)算構(gòu)建孔隙過(guò)程中不可避免 的會(huì)遇到大量的布爾運(yùn)算錯(cuò)誤?？紫度狈Χ鄻有?，現(xiàn)有的大部分裝配方法通常由同一單元 模型與體模型反復(fù)的進(jìn)行布爾運(yùn)算而得到孔隙結(jié)構(gòu)，其構(gòu)建的孔隙結(jié)構(gòu)特征及機(jī)械性能缺 乏多樣性。對(duì)于孔隙的控制，在孔隙裝配過(guò)程中缺乏有效的自我反饋、自我修正機(jī)制，需要 等模型內(nèi)部孔隙整體結(jié)構(gòu)構(gòu)建好之后在結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，提高了建模成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)的不足，提供一種基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝 配方法，構(gòu)建方法更為便捷，所得到的內(nèi)部模型體結(jié)構(gòu)在宏觀上能夠控制填充結(jié)構(gòu)的密度 分布，而且能夠直接生成平滑過(guò)渡的孔隙結(jié)構(gòu)，有效避免通過(guò)布爾運(yùn)算生成孔隙貫通結(jié)構(gòu) 時(shí)產(chǎn)生大量的幾何錯(cuò)誤，能夠通過(guò)局部自組織規(guī)則控制整體裝配，構(gòu)建整體滿足目標(biāo)孔隙 率要求的梯度排布多孔隙結(jié)構(gòu)。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：首先對(duì)輸入的網(wǎng)格模型對(duì)象進(jìn)行空間劃分； 然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用隱函數(shù)表達(dá)的參數(shù)化模型進(jìn)行單元設(shè)計(jì)；選擇滿足目標(biāo)結(jié)構(gòu)要求 的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行局部到整體的單元裝配，并通過(guò)優(yōu)化局部區(qū)域的性能實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)目標(biāo)； 最后，從參數(shù)化表達(dá)的體結(jié)構(gòu)模型中提取等勢(shì)面將其直接轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格體模型進(jìn)行表面重 建；對(duì)裝配優(yōu)化后的網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。
[0007] -.對(duì)輸入的網(wǎng)格模型對(duì)象進(jìn)行空間劃分 空間劃分的目的是實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)格模型的體素化，以此確定設(shè)計(jì)單元裝配的空間區(qū)域和 位置，并建立單元中心點(diǎn)索引。具體方法為首先確定模型坐標(biāo)系，構(gòu)建三角網(wǎng)格模型的包容 盒。然后利用八叉樹(shù)劃分包容盒空間，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)中是否包含三角網(wǎng)格標(biāo)記邊界節(jié)點(diǎn)。在臨 近邊界節(jié)點(diǎn)的周?chē)x取內(nèi)部節(jié)點(diǎn)種子，迭代的遍歷內(nèi)部種子節(jié)點(diǎn)的六鄰域標(biāo)記全部?jī)?nèi)部節(jié) 點(diǎn)，進(jìn)而將節(jié)點(diǎn)中未被標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)全部標(biāo)記為外部節(jié)點(diǎn)；在空間劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)所選裝 配單元的尺寸在各個(gè)八叉樹(shù)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行采樣。最終在模型內(nèi)部生成相應(yīng)尺寸的裝配空間， 并生成和保存各個(gè)空間節(jié)點(diǎn)的中心坐標(biāo)索引。
[0008] 二.利用隱函數(shù)表達(dá)的參數(shù)化模型進(jìn)行單元設(shè)計(jì) 單元設(shè)計(jì)對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的整體性能起著重要作用，隱曲面函數(shù)表達(dá)的造型具有表面易于 控制的優(yōu)點(diǎn)，能夠相互連接形成平滑過(guò)渡網(wǎng)格曲面結(jié)構(gòu)，適合作為單元設(shè)計(jì)的基本模型。根 據(jù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的要求，在設(shè)計(jì)中盡可能選擇控制參數(shù)少，逼近精度高的勢(shì)函數(shù)作為元球的原 始體來(lái)構(gòu)建設(shè)計(jì)單元，結(jié)合目標(biāo)結(jié)構(gòu)要求及隱曲面造型的特點(diǎn)，采用四次多項(xiàng)式作為單元 的勢(shì)函數(shù)構(gòu)造等勢(shì)場(chǎng)，單元?jiǎng)莺瘮?shù)的定義見(jiàn)公式（1):

【權(quán)利要求】
1. 一種基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法，其特征在于操作步驟如下：1)空間劃 分：輸入網(wǎng)格模型，對(duì)輸入的網(wǎng)格模型對(duì)象進(jìn)行空間劃分；2)單元設(shè)計(jì)：利用隱函數(shù)表達(dá)的 參數(shù)化模型進(jìn)行單元設(shè)計(jì)；3)單元裝配：選擇滿足目標(biāo)結(jié)構(gòu)要求的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行局部到整 體的單元裝配；4)表面重建：對(duì)整體單元裝配后的單元參數(shù)模型進(jìn)行表面重建；5)參數(shù)驗(yàn) 證：對(duì)裝配優(yōu)化后的網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法，其特征在于：所述步 驟1)空間劃分：輸入網(wǎng)格模型，對(duì)輸入網(wǎng)格模型對(duì)象進(jìn)行空間劃分：采用八叉樹(shù)對(duì)輸入的 網(wǎng)格模型進(jìn)行單元空間劃分，確定單元間距、包容盒和單元中心點(diǎn)位置，目的是建立單元中 心點(diǎn)索引，確定劃分空間，為體結(jié)構(gòu)的單元裝配提供容器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法，其特征在于：所述步 驟2)單元設(shè)計(jì)：利用隱函數(shù)表達(dá)的參數(shù)化模型進(jìn)行單元設(shè)計(jì)：以四次多項(xiàng)式作為單元的勢(shì) 函數(shù)構(gòu)造等勢(shì)場(chǎng)，單元?jiǎng)莺瘮?shù)的定義見(jiàn)公式（1):
公式（1)表示單元?jiǎng)莺瘮?shù)模型，其中，巧表示空間中一點(diǎn)幻到第i個(gè)元球球心 的距離，A為第i'個(gè)元球的半徑，//W為第i個(gè)元球的勢(shì)函數(shù)，采用該單元?jiǎng)?函數(shù)構(gòu)建單元結(jié)構(gòu)的模型表達(dá)需確定以下參數(shù)：中心點(diǎn)坐標(biāo)^單元半徑大小r，網(wǎng)格表面 密度I其中，中心坐標(biāo)〇用來(lái)確定單元位置，半徑r改變孔隙區(qū)域，表面密度々用來(lái)控制表 面網(wǎng)格密度，根據(jù)空間劃分大小及目標(biāo)結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行單元選擇。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法，其特征在于：所述步 驟3)單元裝配：選擇滿足目標(biāo)結(jié)構(gòu)要求的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行局部到整體的單元裝配：采用局部 到整體的填充策略，按照預(yù)定的裝配規(guī)則選擇局部滿足目標(biāo)要求的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行填充，在 裝配過(guò)程中包含單元填充和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，單元填充過(guò)程根據(jù)對(duì)空間劃分中得到的單元中心點(diǎn) 索引進(jìn)行遍歷，從設(shè)計(jì)單元庫(kù)中選擇合適的單元結(jié)構(gòu)填充到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化即重新 遍歷單元填充過(guò)程中生成的參數(shù)化模型，采用預(yù)定義評(píng)價(jià)規(guī)則對(duì)設(shè)計(jì)單元形成的局部結(jié)構(gòu) 進(jìn)行校驗(yàn)，如果滿足設(shè)計(jì)要求，則繼續(xù)遍歷裝配，否則改變參數(shù)，對(duì)目標(biāo)單元進(jìn)行整體遍歷， 構(gòu)建空間整體單元裝配結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法，其特征在于：所述步 驟4)表面重建：對(duì)整體單元裝配后的單元參數(shù)模型進(jìn)行表面重建：對(duì)單元參數(shù)整體單元裝 配結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面重建，重建裝配負(fù)模型，裝配負(fù)模型表面重建時(shí)首先分別構(gòu)造第i個(gè)單元 參數(shù)模型的勢(shì)函數(shù)//r人遍歷提取劃分空間單元等勢(shì)面，將單元?jiǎng)莺瘮?shù)融合成一個(gè)復(fù)雜的 勢(shì)函數(shù)//W公式（2):
其中，提取的等勢(shì)面即表示遍歷提取i至/7個(gè)空間單元?jiǎng)莺瘮?shù)中所有三維點(diǎn)集7? 中閾值為r時(shí)構(gòu)成的等勢(shì)面，其表示如公式（3):
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)格模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控裝配方法，其特征在于：所述步 驟5)參數(shù)驗(yàn)證：對(duì)裝配優(yōu)化后的網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證：驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可控裝配方法能 夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)滿目標(biāo)孔隙率要求的內(nèi)部模型體結(jié)構(gòu)及對(duì)不同孔隙率大小的控制。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104268931SQ201410459861
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】郭明, 姚遠(yuǎn), 單衛(wèi)波 申請(qǐng)人:上海大學(xué)