[发明专利]一种基于体表达模型的多材料产品建模分析一体化方法

说明书

本发明属于数字化设计相关技术领域，并公开了一种基于体表达模型的多材料产品建模分析一体化方法。该方法包括下列步骤：S1构建其初始三维几何模型和初始材料模型；S2给定NURBS体模型，将初始三维几何模型和材料模型映射至所述NURBS体模型中，以此获得待成型产品的三维NURBS模型；S3采用等几何分析的方法对待成型产品的三维NURBS模型进行性能分析，调整初始材料和几何模型，直至获得的三维NURBS模型满足预设条件，以此实现待成型产品建模分析一体化设计。通过本发明，解决现有等几何分析方法中几何模型、材料模型以及等几何分析模型不能统一数字化表达，以及不能在等几何分析过程中对复杂模型进行分析的问题。

技术领域

本发明属于数字化设计相关技术领域，更具体地，涉及一种基于体表达模型的多材料产品建模分析一体化方法。

背景技术

随着增材制造技术在机械、航空航天、医疗与建筑等领域的广泛应用，各领域对产品的功能与性能需求已从单一均质材料零件渐渐发展成需要由多种材料构成的多材料零件，产品设计问题日益突出。随着人们对产品功能多样性与性能的不断提高，多材料产品建模/分析一体化设计具有广泛的应用前景，与均质材料三维建模相比，多材料三维建模可将不同优良性能的材料统一到同一产品模型中，可满足产品更高的功能需求，如何表达多材料是当前学者们关注的焦点。多材料产品模型材料分布不均，现有CAD模型表示方法基于边界表达法(B-Rep)与构造实体几何法(CSG)，其表达的几何信息不能定义多材料三维分布信息，无法满足多材料产品的设计需求，虽然国内外众多学者已经提出多种多材料实体表达方法，但大多停留在理论探讨阶段，难以解决当前主流基于特征造型的复杂多变实体的多材料建模问题，特别是不能处理自由形状的多材料实体的表征问题。

目前产品创新设计通常使用CAD软件进行建模，再以CAE软件进行有限元分析，然而两者在计算机技术发展历史中相对独立，导致几何模型与分析模型存在较大差异，CAD几何模型表征形体的几何外形，CAE模型表示产品结构性能分析与优化设计等相关信息。两种模型之间的差异导致模型底层几何之间表达方法不一致，需要模型转换甚至近似逼近，模型数学表示上的差异使得设计与分析等难以真正融合统一。

当前性能分析方法主要采用有限元法，传统有限元的分块近似基本思想在集成过程中必然使得几何模型与物理模型之间存在误差。随着模型复杂度提高，待求问题规模扩大，这种误差的影响越来越大。几何模型越来越复杂，繁琐的网格划分成为制约有限元发展的瓶颈。产品愈复杂，建模与分析数据集成需求便愈强，如何建立统一数据模型是近年来数字化设计制造领域亟需解决的难题之一。等几何分析是近年来提出的旨在解决CAD/CAE集成问题的样条有限元方法，该方法采用CAD中精确描述几何形状的样条函数进行分析，设计模型和分析模型采用同一种数学表示，为解决产品建模/分析的模型异构问题提供了新思路。然而现有等几何分析方法中存在以下问题：(1)虽然设计模型和分析模型采用的是同一种数学表示，但是这两个模型是分开表示的，同时，在等几何分析中，材料模型也是分开进行的，也就是说，在等几何分析过程中，几何模型、材料模型以及分析模型是三个独立且分开的模型，三者不能统一在一个模型中；(2)难以处理复杂形状模型；其根本原因在于等几何分析方法受限于参数样条自有的张量积特性，使其难以构建复杂拓扑形状模型的分析空间；而CAD实体模型通常需要多次布尔运算得到，这导致实体内部样条空间区域存在裁剪且内部物理场不能高阶连续，要构建等几何分析可用的模型，工作量极其巨大。

因此，对多材料产品设计中几何模型、材料模型以及等几何分析模型进行完整统一的数字化表达，以及与现有CAD建模方法融合的多材料产品统一建模理论与方法的研究，对复杂多材料产品建模、等几何分析一体化设计理论及方法是一个重要挑战。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于体表达模型的多材料产品建模分析一体化方法，解决现有等几何分析方法中几何模型、材料模型以及等几何分析模型不能统一数字化表达，以及不能在等几何分析过程中对复杂模型进行分析的问题。