[发明专利]基于Laplacian微分域变形的三维网格曲面变厚度偏置造型方法

说明书

本发明公开了一种基于Laplacian微分域变形的三维网格曲面变厚度偏置造型方法，包括以下步骤：基于显著特征信息以及泊松曲面重建方法构建初始偏置曲面；利用有限元计算分析偏置壳体的受力情况，根据每个单元体的应力高低划分壁厚调节空间；采用Laplacian微分域变形方法优化壁厚。本发明通过提取原始表面的Morse显著特征点，并构建偏置点云，再基于泊松方法将点云重建为三角网格曲面，能够保持原始模型基本形态和细节特征；采用Laplacian微分域变形方法来加厚高应力区、减薄低应力区，能够改善应力集中现象，提升结构的承载能力。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于Laplacian微分域变形的三维网格曲面变厚度偏置造型方法。

背景技术

如今，数字化与智能化制造的研究热潮正在全球飞速发展。数字化设计以三维模型扫描和建模为代表，智能化制造以增材制造为代表，这两者的结合丰富了捕捉与呈现真实生活的方法，实现了复杂三维模型在现实世界的设计制造。然而，要通过3D打印设备定制加工三维扫描曲面，必须要将其转化为实体模型，比如封闭曲面模型，或者有厚度的壳体模型。面对高度复杂的真实场景，如何对三维扫描曲面做高效精确的实体化处理，使得到的实体模型不仅具有符合使用环境的形貌特征，并且达到预期的功能需求，是一项热点研究内容。如图1所示，由于三维扫描曲面一般的表示形式为离散网格，同时三角网格曲面已成为3D打印软件接口数据的行业准标准，因而本发明主要针对离散曲面的其中一种，即三角网格曲面。

作为离散曲面实体化过程中的关键环节，偏置造型方法的优劣直接影响实体模型设计质量的好坏。对曲面进行偏置操作，一方面单层封闭曲面可以转化为有空腔的实体，打印过程中的材料需求得以降低；另一方面，单层非封闭曲面可以直接转化为壳体，满足定制产品的造型与功能需求。

现有的偏置方法主要可分为直接偏置和隐式偏置两种。直接偏置的缺点在于当偏置距离较大时三角面片容易自交，这会影响切片轮廓的有序性，进而导致实物加工的质量问题。而隐式偏置虽然能避免自交，但在偏置距离较大时同样存在缺点，生成的偏置曲面在曲率变化大的部位容易变得过于圆钝或尖锐，对比原始曲面有着明显的细节特征差别。这两种方法主要针对的是偏置曲面对原始曲面形貌的还原，但没有考虑真实的受力情况，其力学性能不能保证。在实际工况条件下，由于外力作用、自身结构等因素的影响，零件应力分布通常是不均匀的，有可能产生应力集中乃至断裂事故。因此，偏置造型方法的研究不仅需要避免三角片自交问题，尽量还原原始曲面形貌，同时其结构设计也需要满足所需力学性能要求，能够根据被施加的载荷来自适应调节壳体厚度，以减少增材制造过程中应力局部增高现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Laplacian微分域变形的三维网格曲面变厚度偏置造型方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Laplacian微分域变形的三维网格曲面变厚度偏置造型方法，包括以下步骤：

步骤1、基于显著特征信息以及泊松曲面重建方法构建初始偏置曲面；

步骤2、利用有限元计算分析偏置壳体的受力情况，根据每个单元体的应力高低划分壁厚调节空间；

步骤3、采用Laplacian微分域变形方法优化壁厚。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用顶点偏置与隐式曲面偏置相结合的方法实现三角网格曲面的初始等距偏置处理，避免产生三角片自交；(2)本发明通过提取原始表面的Morse显著特征点，并构建偏置点云，再基于泊松方法将点云重建为三角网格曲面，能够保持原始模型基本形态和细节特征；(3)本发明通过有限元分析偏置壳体的受力情况，按照应力值大小划分高低应力区域；(4)本发明采用Laplacian微分域变形方法来加厚高应力区、减薄低应力区，能够改善应力集中现象，提升结构的承载能力。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明