面向增材制造的非均质点阵填充结构快速建模技术与软件开发

作     者：高俊琪 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张永存

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：点阵填充结构 增材制造 快速建模 STL文件 软件开发 

摘      要：增材制造技术能够制备几何高度复杂的结构,保证了具有高承载效率的点阵填充结构的可制造性,催生了点阵填充结构的研发。研究点阵填充结构的建模方法,几何参数化描述形式以及生成可用于增材制造的模型文件,成为重要的研究课题。使用传统基于边界表达法的实体建模软件进行大规模点阵填充结构建模,会非常繁琐耗时,且在实体模型向面片STL模型转换时,会出现精度丢失、面片破洞等问题;并且所产生的模型文件缺乏参数化信息,无法与仿真优化过程有效衔接。另外,传统CAD建模软件在对大规模点阵填充结构进行交互渲染时,会遇到渲染卡顿、交互不畅等问题,严重影响建模效率。因此研究面向大规模点阵填充结构几何模型生成的快速算法及高效的可视化软件平台,具有重要意义。本文从大规模点阵填充结构的几何模型快速生成和高效可视化两方面展开,提出了基于单胞包围盒的点阵填充结构快速几何建模方法,实现了对面片模型、实体模型以及曲面模型的点阵填充结构建模;通过层次化显示技术和交互期面片消隐算法,实现了面片模型的动态简化,显著提升了点阵填充结构几何模型渲染时的帧速率;开发了大规模点阵填充结构交互式建模软件TopoBench。论文具体研究内容和成果如下:(1)异形结构点阵单胞包围盒生成算法。分析确认了决定点阵填充结构的关键配置参数和单胞几何参数,制定了点阵填充结构参数化模型的标准文件格式(.lat文件),以此为点阵填充结构建模提供核心数据文件;设计实现了面向封闭填充域和开放曲面填充域的单胞包围盒生成算法及点阵填充结构参数化模型生成算法;(2)点阵填充结构并行混合建模算法(paraHGM)。提出了一种直接生成点阵填充结构STL文件的并行混合建模算法,实现了点阵填充结构几何模型的快速自动生成,数值算例结果表明,该算法在满足几何模型生成功能的同时,具备良好的并行效果和加速比,建模效率得到很大地提升。(3)大规模点阵填充结构快速交互可视化方法。利用层次化细节显示技术及交互期面片消隐算法,实现了面片模型的动态简化;结合顶点缓存对象技术,显著提升了大规模点阵填充结构几何模型渲染时的帧速率。数值算例验证了系列算法的有效性和高效性。(4)开发了面向增材制造的点阵填充结构快速建模与高效可视化软件TopoBench。通过整合、封装本文实现的大规模点阵填充结构交互建模算法和快速可视化算法,开发了基于MVC(Model-View-Controller)架构体系的大规模点阵填充结构快速建模与高效可视化软件TopoBench,通过若干实例验证了软件在交互式点阵填充结构建模方面的可靠性和高效性。