[发明专利]微结构族等效材料性质的计算方法、微结构、系统及介质

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

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。

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。

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。

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。

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。发明人发现，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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明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：

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。

本发明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。

本发明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：