基于Delaunay函数的拓扑优化结构数字化制造

采用水平集函数对结构进行拓扑优化,并将优化后的三维模型的点云数据存入数据库中,用空间三角形面片法逼近拓扑优化后的水平集曲面,用面片边线的参数方程与零水平集交点实现对优化结果边界的提取。利用Delaunay三角剖分函数对提取的边界点云数据进行排序,将这些无序的离散点排序成最终能进行有效加工的边界曲线,并利用自动编程技术将这些边界曲线变成线切割机床加工的指令代码,最终实现从拓扑优化设计到数字化制造全过程的无缝连接,为实现拓扑优化结构的数字化设计与数字化制造集成奠定理论基础。     

基于水平集函数拓扑优化设计的数字化制造实现

基于水平集函数和Lagrange乘子法实现结构拓扑优化设计,并将优化后空间三维模型的点云数据存入结构数据库.提出用空间三角形面片法逼近拓扑优化后水平集曲面,用面片边线的参数方程实现对优化结果边界的提取.基于数字化制造技朱的加工程序标准,将提取的边界点云数据变成数控机床的加工程序代码,实现数字化优化后工件的数控加工.文中算例使用线切割机床的数字化加工技术实现数字化制造.该结果真正实现了从拓扑优化设计到数字化制造的全过程,为拓扑优化设计的数字化制造奠定了基础.     

点云特征型面的边界曲线拟合及曲面裁剪算法

点云特征型面边界曲线的拟合质量直接决定了对应曲面裁剪的质量。以机械零件点云模型为研究对象,针对点云分割型面的边界点识别、排序、拟合和曲面裁剪问题展开研究。基于场力法提取的边界点集,提出了基于最短距离法的边界点集排序和方向夹角阈值限定的边界点集去噪等预处理算法;采用局部二次多项式函数拟合估算边界点集曲率,提出了基于曲率突变点归属性判断的边界点集分段和拟合算法;通过控制点投影变换求取二维裁剪边界,提出了基于特征点集多边形凹凸性的二维边界曲线方向判断法。使用机械零件模型典型型面进行实验,验证了各阶段算法。该算法具有很好的适用性,可进一步扩展应用至复杂曲面边界裁剪。     

数字化技术在空间模具曲面中的应用

实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。因而,如何高效、高精度的实现样件表面的数据采集,一直是逆向工程的主要研究内容之一。以偏转线圈为例,运用三坐标测量机对偏转线圈曲面进行测量;然后对测量数据进行处理,数据处理包括噪声处理、点云数据重采样、基于点云的特征提取和边界曲线的建立。在数据处理的基础上,采用Image-ware软件的Fit w/Cloud and Curve来生成曲面,完成曲面重构;最后通过数控加工完成模具的加工模拟,从而实现数字化技术在空间模具曲面中的应用。     

散乱点云的拓扑结构重建算法的研究

基于由测量点云直接生成数控加工路径的这种思想,在散乱点云拓扑结构重构过程中,将散乱点云进行等间隔区域分割,将点云进行压缩并投影至切平面,得到切平面的散乱点集,同时建立新的链表结构分区存储点云数据.由平面上点的二维坐标定位,运用基于正交投影理论双映射算法对切平面上的散乱点进行排序,分析平面点自然次序邻接排序的局限性,通过计算当前点与其邻近点的矢量分布趋势,进一步改进双映射排序算法,完成各切片上数据的拓扑重构.     

考虑可制造性的拓扑优化结果的几何重构

拓扑优化结果是一个边界呈离散阶梯状的非参数化模型,这使得拓扑优化结果的制造变得困难,因此需要将拓扑优化结果参数化几何重构,获得光滑的边界以满足机械制造要求,并且尽量不影响拓扑优化结果的结构响应。针对该问题,首先对拓扑优化结果进行二值化处理和边界识别,然后利用链码对拓扑优化结果的离散边界点进行排序和分段,最后用B样条曲线分段描述拓扑优化结果的外边界与内边界完成参数化建模。通过算例验证了几何重构方法的可行性,算例表明在满足可制造性要求的前提下,重构模型的结构响应能够较好的与拓扑优化初始设计结果保持一致,结构响应误差可以控制在5%以内。     

基于拓扑约束释放与重构的变结构设计技术研究

针对拓扑约束型模型难以进行变结构处理的问题，提出了一种约束释放、形状变形、拓扑重构的变结构设计方法。对三维实体进行面片分解以形成面片族，结合增减关键点的策略，以使每一曲面点集的局部拓扑关系确定化，只记录实体点集的数据而释放其拓扑连接关系。通过对约束释放的拓扑自由面片进行细分操作，并运用工具对其进行编辑，实现了变结构处理。对编辑完成的面片进行优化和拓扑重构操作，完成变结构的过程。最后给出了应用实例。     

基于局部基面参数化的点云数据边界自动提取

提出了一种反求工程中基于局部基面参数化方法的点云数据边界特征的自动提取方法。首先选择合适的局部基面 ,然后用点云垂直投影于局部基面投影点的参数化代替空间点的参数化 ,二次参数曲面逼近点云 ,再利用曲面的微分特性估计点云数据的曲率值 ,求出曲率极值点 ,从中提取边界点。通过这些边界点可以进一步拟合边界曲线 ,达到对点云数据进行自动分片的目的。该方法具有较强的可操作性和实用性 ,对于反求工程的自动化和智能化研究具有实际意义     

逆向工程中基于属性邻接图的加工特征识别

为了提供逆向工程系统和CAx系统集成的直接通道,提出了针对点云数据建立属性邻接图的算法,并利用属性邻接图实现加工特征自动识别.首先利用模糊c-均值聚类方法对点云进行分区,将分区后的面片进行曲面类型判别和几何参数提取.设计了建立面片之间邻接关系和判断相邻面片之间凸凹性的算法,从而建立零件的属性邻接图;对零件的属性邻接图进行分解,遍历分解后的子图形成特征子图,将特征子图与特征规则相匹配,从而实现加工特征自动识别.实验结果证明了该算法的有效性.     

曲线驱动的网格变形算法与应用

提出了一种曲线驱动的网格变形方法并把其应用于鞋楦的设计系统。基于三角网格模型的拓扑邻接信息,快速提取截面轮廓曲线;由主曲率极值法提取模型特征点集,利用移动最小二乘法细化该点集并对其进行排序、稀疏,然后将细化后的点集拟合为B样条曲线。计算曲线上采样点与模型上的对应点,从而使曲线与模型相关联,通过交互编辑截面轮廓曲线或特征曲线等来实现鞋楦的再设计。最后给出了该方法在鞋楦CAD系统中的功能实现。     

逆向工程中一种基于点云的制造特征识别方法

针对点云识别制造特征可以为逆向工程系统和CAX系统集成提供一个直接通道。利用特征组成面集及其之间的约束关系进行制造特征识别。首先利用模糊c-均值聚类方法对点云进行分区,利用分区过程中得到的隶属度找出面片的邻接关系,对分片点云进行曲面类型判别,利用最小二乘法进行平面或二次曲面的几何参数提取,对选取的面片进行平行、垂直、相切、凸凹等约束关系判别,与预先定义的特征规则相匹配,从而实现制造特征识别。实例验证了本文算法的有效性。     

基于外存八叉树STL模型的拓扑重建方法

基于STereoLithography (STL)三维模型文件,使用八叉树数据结构对模型进行拓扑重建,根据STL模型三角面片法向量夹角不同,找到任意三角面片设定该法向量为基准法向量设定阈值角度将在阈值角度内的三角面片划分成同一部分,最终完整模型被划分成多个子区域,再将子区域投影到基准法向量垂直的平面上得到平面点集,然后使用八叉树讲这些点集进行存储,使用Delaunay三角形法将得到的点集进行平面网格划分,最终使用朴素反映射法将画好的平面网格投影到模型表面。     

连续体结构综合优化设计

以连续体为对象的优化解法所求得的优化结果,经常只是反映最佳传力途径的具有锯齿状边界的某个区域。基于此,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助几何设计有机地集成在一起,提出一种基于隐含边界描述的水平集连续体结构拓扑和形状渐进综合优化设计方法,将形状导数与拉格朗日乘子法引入到优化敏度分析中,控制水平集函数的动态运动,从而间接地实现结构边界的动态演化;用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,将前一优化过程所得到的反映传力途径的概念解上升为具有光顺边界,并被参数化了的物理解;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布,使结构变为最佳。通过一个典型算例证明所研究方法的有效性。     

基于支持向量机的点云曲面刀具路径规划

针对单值散乱点云曲面刀具路径规划问题,提出了一种基于最小二乘支持向量机的计算方法。在计算过程中,将点云数据向平面投影,得到二维点集。应用网格划分和边界网格内测量点高斯映射技术,提取平面区域内的边界特征点。用边界特征点定义点云曲面的实际加工区域,在此区域内规划平行等间距刀具路径。应用最小二乘支持向量机拟合点云数据,求得被加工曲面的连续表达模型,经此模型将二维刀具路径数据向三维空间映射,求出刀触点数据。将刀触点经法向偏置计算,求得刀位点。实例验证证明,该方法能较好地解决信息不完备散乱点云曲面刀具路径生成问题。      

基于点云的边界特征直接提取技术

边界作为反求工程CAD建模的重要几何特征信息,对重建曲面模型的品质和精度起着重要的作用。首先 对点云数据进行空间三维划分,建立基于空间栅格的边界提取模型,然后通过研究线性时间复杂度的种子边界栅格识别和生长算法以及空间拓扑构型推理算法,实现从点云数据中直接获取边界信息。应用实例表明,算法的运行速度快、稳定性好,能够可靠地提取空间任意分布点云数据的内外边界。     

反求工程中复杂曲面边界线的自动提取技术

复杂曲面零件表面的几何模型构造是反求工程的研究重点之一,根据零件表面的数字化数据提取零件表面的边界是构造零件几何模型的关键步骤。针对安全散乱的、无组织的“点云”数据,从工程应用的角度出发,提出了一种自动构造曲面边界曲线的方法,它分为两个步骤,首先,利用分者到一条能包围曲面的所有数字化点的曲线,然后将该曲线模拟为橡皮筋,通过能量最小原理自动修正曲线得到理想的曲面边界。实践证明,通过该方法得到的边界曲     

反求工程中复杂曲面边界线的自动提取技术

复杂曲面零件表面的几何模型构造是反求工程的研究重点之一 ,根据零件表面的数字化数据提取零件表面的边界是构造零件几何模型的关键步骤。针对完全散乱的、无组织的“点云”数据 ,从工程应用的角度出发 ,提出了一种自动构造曲面边界曲线的方法 ,它分为两个步骤 ,首先 ,利用分割方法得到一条能包围曲面的所有数字化点的曲线 ,然后将该曲线模拟为橡皮筋 ,通过能量最小原理自动修正曲线得到理想的曲面边界。实践证明 ,通过该方法得到的边界曲线能满足工程应用的需要     

基于逆向工程和拓扑优化的转向节轻量化设计

逆向工程与拓扑优化技术广泛应用于汽车零部件轻量化设计,特别是结构轻量化、工艺轻量化等方面。采用逆向工程和拓扑优化方法对某型车辆转向节进行了轻量化的研究。首先采用逆向工程,在转向节的外表面喷涂显像剂,运用手持式三维扫描仪对转向节进行数据采集,基于Geomagic Wrap软件完成转向节点云数据的优化,点云数据封装,建立起转向节三维模型;其次确定转向节优化的边界,对转向节开展静力分析,根据转向节装配要求与设计经验,重构出转向节优化设计空间,以最小体积为优化目标,采用变密度法完成转向节的拓扑优化设计;然后根据拓扑优化设计结果,结合结构制造工艺,重构转向节结构,并开展有限元静力分析验证,最终实现了转向节的轻量化设计。     

三维线弹性连续体的结构拓扑优化设计

研究了基于水平集模型和SIMP方法的三维线弹性结构的拓扑优化方法，优化模型的目标是结构的柔度最小。引入水平集模型隐含描述具有复杂拓扑关系的三维线弹性结构的几何边界，以材料域的形状为变量进行灵敏度分析，构造水平集方程的速度函数，通过几何边界的演化获得结构的最优形状和拓扑。同时研究了基于SIMP方法的三维连续体结构的拓扑优化设计。对基于水平集模型和SIMP的拓扑优化方法的数值算例进行比较，结果表明，基于水平集的三维结构拓扑优化具有光滑的几何边界，数值算法稳定。     

一种基于水平集函数的尺寸优化方法及应用

针对构建结构拓扑、形状、尺寸的统一优化模型的需求,采用水平集函数描述结构尺寸要素的方法,建立了基于水平集法的结构尺寸优化模型。该方法采用水平集函数描述规则孔洞的几何尺寸信息,并通过引入紧支径向基函数进行插值,将尺寸变量转化为基函数的扩展系数。将基于水平集法的尺寸优化方法与基于水平集法的拓扑形状优化方法融合,构建了结构统一优化模型,实现了结构尺寸、拓扑和形状的综合优化。