[发明专利]基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法

权利要求书

1.一种基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法，其特征在于：对于凹多边形区域，对其中内角最大的凹角顶点即应力集中最严重的顶点进行处理，以该凹角顶点的角平分线方向与其垂直方向建立新坐标系，假设应力方向为新坐标系的水平方向；若存在其他凹角顶点，判断其他凹角顶点的角平分线与新坐标系下水平方向的夹角关系，得到不同的凹角顶点类型，然后根据基于应力的划分准则对不同类型的凹角顶点进行凸分解得到不同的子区域，使子区域的划分尽量与应力方向匹配，在最大程度上发挥连续纤维增强复合材料的各向异性，然后对子区域进行轮廓偏置处理，并对子区域的轮廓偏置线双螺旋化处理，得到连续双螺旋线，然后根据子区域间拓扑关系将不同的子区域连接，得到既全区域连续又能充分考虑应力集中点及连续纤维增强复合材料的各向异性的打印路径；

所述的一种基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法，包括以下步骤：

1)给定拓扑连通区域，由区域边界的凹凸性判断区域是否为凹多边形区域，若为凹多边形区域，建立坐标系，找到凹多边形顶点中内角最大的凹角顶点，计算该凹角顶点的角平分线与坐标系垂直方向的夹角，并以该凹角顶点的角平分线方向与角平分线垂直方向为坐标轴方向，建立新坐标系，将区域上各顶点在原坐标系下的坐标进行旋转，得到在新坐标系下各顶点的坐标；

2)对步骤1)中得到的新坐标系下的各顶点组成的新区域中的其他凹角顶点进行处理，计算其他凹角顶点的角平分线方向与新坐标系下的水平方向的夹角，若夹角大于45度且小于135度，则定义该凹角顶点为垂直凹角顶点类型；若夹角大于0度且小于45度，或夹角大于135度且小于180度，则定义该凹角顶点为水平凹角顶点类型；

3)对不同类型的凹角顶点采用不同的处理方式，对于内角最大的凹角顶点和垂直凹角顶点，分别设置其为连接接触点，并分别建立以水平应力方向为构建方向的子区域划分线；而对于水平凹角顶点，设置其为连接端点，建立以水平应力方向为构建方向的子区域划分线；

4)将步骤3)中得到的子区域划分线应用于区域的划分，得到不同类型的子区域；建立不同类型子区域之间的拓扑关系，即子区域的连接顺序；然后对不同类型的子区域内部进行轮廓偏置处理，得到所有的轮廓偏置线；

5)对步骤4)得到的不同子区域的轮廓偏置线分别进行双螺旋化处理，选择双螺旋线的旋入点和旋出点，分别构建旋入曲线和旋出曲线，连接得到子区域内的连续双螺旋线；

6)将步骤5)得到子区域内的双螺旋线，结合步骤4)得到的子区域类型和子区域间的连接顺序，连接得到区域上的连续双螺旋线。

2.根据权利要求1所述的一种基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法，其特征在于：所述的步骤1)中的区域凹凸性判断为：在区域为逆时针方向时，当相邻区域边界线向量的叉乘结果为负时，对应顶点的内角为凹角，即大于180度，对应区域为凹多边形区域；若无凹角顶点，则为凸多边形区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法，其特征在于：所述的步骤2)中其他凹角顶点的角平分线方向与新坐标系下水平方向的夹角计算中，角平分线的方向为指向区域内部。

4.根据权利要求1所述的一种基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法，其特征在于：所述的步骤3)中连接接触点为子区域划分线与对应凹角顶点的交点，连接端点为对应凹角顶点，其也是子区域划分线的端点。

5.根据权利要求1所述的一种基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法，其特征在于：所述的步骤4)中使用clipper对子区域进行轮廓偏置处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法，其特征在于：所述的连续纤维增强复合材料中增强相为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维或聚对苯撑苯并双噁唑纤维。

7.根据权利要求1所述的一种基于应力方向的连续纤维增强复合材料3D打印凸分解方法，其特征在于：所述的连续纤维增强复合材料中基体相为热塑性树脂。