(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210912793.9 (22)申请日 2022.07.31 (71)申请人 苏州大学 地址 215137 江苏省苏州市相城区济学路8 号 (72)发明人 吕先林　李文利　邢占文　刘卫卫　 (74)专利代理 机构 苏州创元专利商标事务所有 限公司 3210 3 专利代理师 孙周强　陶海锋 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 113/10(2020.01) (54)发明名称 基于P型极小曲面实现曲面体填充多孔结构 的设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于P型极小曲面 实现曲 面体填充多孔结构的设计方法， 首先将目标零件 分割， 然后根据种子间距进行边界布点， 再进行 网格划分， 得到单元以及节点信息； 由Marching   Cubes建立[ ‑1,1]内的P型极小曲面单胞， 根据分 辨率， 得到三角面片顶点以及顶点连接顺序信 息； 采用形函数坐标变换的方法将的单胞映射至 每个单元； 然后把映射后的单元导出， 得到曲面 体填充多孔结构， 实现各向同性圆柱体以及复杂 曲面体填充多孔结构的设计。 本发 明的曲面体填 充多孔结构不仅能够成功打印， 而且零件的性能 非常好， 明显优于现有技 术。 权利要求书1页 说明书6页 附图10页 CN 115270340 A 2022.11.01 CN 115270340 A 1.一种基于P型极小曲面实现曲面体填充多孔结构的设计方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： （1） 将目标零件分割， 然后根据种子间距进行边界布点， 再进行网格划分， 得到单元以 及节点信息； （2） 由Marching  Cubes建立[ ‑1,1]内的P型极小曲面单胞， 根据分辨率， 得到三角面片 顶点以及顶点连接顺序信息； （3） 采用形函数坐标变换的方法将步骤 （2） 中的单胞映射至步骤 （1） 中的每个单元； 然 后把映射后的单 元导出， 得到曲面体填充 多孔结构。 2.根据权利要求1所述基于P型极小曲面实现曲面体填充多孔结构的设计方法， 其特征 在于， 目标零件为曲面体。 3.根据权利要求2所述基于P型极小曲面实现曲面体填充多孔结构的设计方法， 其特征 在于， 曲面体包括圆柱体、 圆台体等。 4.根据权利要求1所述基于P型极小曲面实现曲面体填充多孔结构的设计方法， 其特征 在于， 将目标零件分割为2～8个区域， 然后根据1～3 mm的种子间距进行边界布 点， 利用有限 元软件中网格综合划分方法对圆柱体进行结构化六面体网格划分， 得到单元以及节点信 息。 5.根据权利要求1所述基于P型极小曲面实现曲面体填充多孔结构的设计方法， 其特征 在于， 形函数坐标变换为八节点六面体坐标变换。 6.根据权利要求1所述基于P型极小曲面实现曲面体填充多孔结构的设计方法， 其特征 在于， 把映射后的单 元按照STL格式导出。 7.一种基于P型极小曲面 提高打印零件力学强度的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： （1） 将目标零件分割， 然后根据种子间距进行边界布点， 再进行网格划分， 得到单元以 及节点信息； （2） 由Marching  Cubes建立[ ‑1,1]内的P型极小曲面单胞， 根据分辨率， 得到三角面片 顶点以及顶点连接顺序信息； （3） 采用形函数坐标变换的方法将步骤 （2） 中的单胞映射至步骤 （1） 中的每个单元； 然 后把映射后的单 元导出， 得到曲面体填充 多孔结构； （4） 对曲面体填充 多孔结构进行增材制造， 得到力学强度提高的打印零件。 8.根据权利要求7所述基于P型极小曲面提高打印零件力学强度的方法， 其特征在于， 力学强度提高为相对于现有增材制造得到的打印零件提高了力学强度。 9.根据权利要求1所述基于P型极小曲面实现曲面体填充多孔结构的设计方法得到的 曲面体填充多孔结构， 或者根据权利要求7所述基于P型极小曲面提高打印零件力学强度的 方法得到的打印零件。 10.权利要求9所述曲面体填充 多孔结构或打印零件在制备多孔结构材 料中的应用。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115270340 A 2基于P型极小曲面实现 曲面体填充多孔结构的设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及计算机辅助设计和增材制造技术领域， 特别涉及一种面向增材制造P 型极小曲面设计圆周性能更好的圆柱体模型以及具有完整晶胞的复杂零件设计方法， 适用 于金属、 陶瓷、 树脂等3D打印结构设计及应用。 背景技术 [0002]随着3D打印的发展， 利用增材制造方式对生物医用植入物进行个性化设计， 以及 用于航空、 汽车部件的轻量化设计， 均涉及到多孔结构设计。 与传统的点阵晶格相比较， 三 周期极小曲面因其打印过程能实现自支撑， 且曲面具有平均曲率为零的特点， 能够减弱由 于截面突变带来的应力集中的影响。 通常借助极小曲面获得多孔结构有两种方式， 一种 是 对极小曲面进 行断面封闭， 得到实体结构； 一种是对曲面进 行偏置得到壳结构 。 现有技术 公 开了棱台和中空圆柱体等 非正方体结构的基于 极小曲面的多孔结构的构建， 其构建过程为 断面封闭的极小曲面晶胞与圆柱体或者棱台等目标零件进 行布尔相减得到孔隙， 获得多孔 结构， 该方法的不足之处在于没有考虑到壳结构极小曲面的构建方法， 而是采用实体结构 与零件布尔操作的方法 （参见： 基于三周期极小曲面和等参单元法的骨支架建模方法研 究） ， 在进 行网格剖分时其采用由圆心 放射的方法。 现有技术提出基于三周期极小曲面的全 接触鞋垫建模方法， 虽然该方法利用包围盒以及体素边界实现了复杂模型 的建模， 但是并 未关注到鞋垫边缘的不完整晶胞可能对鞋垫的力学性能以及服役寿命造成的影响 （参见： 基于三周期极小曲面的三维打印全接触鞋垫建模方法） 。 [0003]现有技术在进行实际零件的多孔化设计时， 大多数采用零件与极小曲面区域进行 布尔运算的方法得到所需多孔结构 。 虽然现有技术 公开了对 结构进行网格剖分再进 行TPMS 单元映射与运算， 得到实体模型， 但是现有方法对圆柱体尤其是复杂曲面， 这种方式导致的 零件表面由不完整或者破损的极小曲面晶胞 组成， 将会对其力学性能以及寿命带来严重不 利影响。 因此， 在进行实际零件的多孔设计阶段， 如何保持表面区域的晶胞完整性十分重 要。 发明内容 [0004]基于以上， 本发明独创地提出有限元分析 中六面体网格生成方法与形状函数映射 的方法结合， 目的是针对具有良好边界的复杂零件的极小曲面壳结构的建模。 本发明针对 极小曲面中的P型提出利用有限元中对零件进行网格划分的方法 （包括映射单元法， 栅格 法， 扫掠法等等） ， 得到较为理想的六面体网格， 随后利用形状函数映射的方法， 将标准域中 的极小曲面晶胞映射至每个六面体网格， 接下来输出三角面片信息， 最 终得到边界 （包括圆 周边界、 圆心边界） 上 具有完整晶胞的复杂零件； 不仅成功打印， 而且零件的性能非常好。 [0005]以圆柱支架为例， 现有方法无法获得圆心和圆周部分边界都保持良好的圆柱体 的， 这也是现有技术选择中空 圆柱体， 而 无法选择实心圆柱体的原因。 实际中， 有 些场合， 中 空圆柱体无法胜任， 必须采用实心圆柱体， 若按照现有方法无法获得良好的圆柱体。 本发明说　明　书 1/6 页 3 CN 115270340 A 3