專利名稱：基于b樣條的功能梯度材料零件建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為涉及功能梯度材料零件建模方法，具體為基于B樣條的功能梯度材料零件材料建模方法。
背景技術(shù)：
功能梯度材料FGM(Functionally Gradient Materials)屬于非均質(zhì)材料，其材料組成要素呈梯度連續(xù)變化，使材料性質(zhì)和功能也相應(yīng)改變。功能梯度材料在機(jī)械性能、熱力學(xué)性能和導(dǎo)電性等方面表現(xiàn)出優(yōu)良的性質(zhì)，甚至達(dá)到意想不到的效果，同時(shí)還克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料由于不同相的材料突變引起的應(yīng)力集中以及非均勻熱力學(xué)膨脹引起的性能不穩(wěn)定等缺陷。因此，作為一種新型材料，廣泛用于高效發(fā)動(dòng)機(jī)、復(fù)合陶瓷渦輪、生物材料、工業(yè)模具等領(lǐng)域。隨著功能梯度材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，功能梯度材料零件建模技術(shù)成為其設(shè)計(jì)方法與制造技術(shù)研究中亟待解決的基礎(chǔ)性問題。按照建模理念和方法的區(qū)別，已有的功能梯度材料零件建模方法主要分為四類(1)基于rm-objeCt模型的功能梯度材料零件建模方法該方法用傳統(tǒng)的邊界表述方法描述零件幾何信息，材料信息作為定義在幾何空間上的叢空間存在，將零件的材料設(shè)計(jì)統(tǒng)一到其幾何設(shè)計(jì)過程中。零件中的每個(gè)點(diǎn)P可表示為P (X e E3, V e vn)，三維幾何空間E3中的點(diǎn)χ通過材料函數(shù)F(x)映射到材料空間Vn中，同時(shí)表征零件幾何和材料特征。 該模型繼承了傳統(tǒng)CAD模型的成果，通用性好，存儲(chǔ)需求少，便于實(shí)現(xiàn)，并且能與現(xiàn)存的CAD 模型相兼容，但該模型所定義的布爾運(yùn)算不滿足結(jié)合率，因此受造型順序制約。(2)基于體素的功能梯度材料零件建模方法該方法在八叉樹結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將 CAD模型離散化為精確的26-鄰接體素模型，計(jì)算材料組成采用了基于梯度源模型的方法。 該方法用體素表示模型，容易將CAD模型離散得到材料賦值單元節(jié)點(diǎn)，后續(xù)的物性計(jì)算很方便，而且每一個(gè)體素單元相互獨(dú)立，可單獨(dú)操作體素，因此可設(shè)計(jì)出更理想的材料。但是這種方法的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量很大，計(jì)算效率低，而且?guī)缀卧O(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)相互脫離，帶來修改上的不便。(3)基于梯度源的功能梯度材料零件建模方法該方法把零件的幾何元素(可以是點(diǎn)、線或面)作為梯度源，記錄該梯度源下材料成分方程f(d)及材料數(shù)組M，其中材料成分方程f(d)是由各點(diǎn)到梯度源的垂直距離記錄零件內(nèi)部材料分布情況。最后對(duì)各梯度源進(jìn)行布爾運(yùn)算得到整個(gè)零件的CAD模型。該模型零件的材料數(shù)據(jù)獨(dú)立于零件的幾何數(shù)據(jù)， 而依賴于“梯度源”存在，因此在理想材料零件的設(shè)計(jì)過程中，可以在不改變零件幾何形狀的情況下很容易修改材料分布，但對(duì)于內(nèi)部材料分布復(fù)雜的零件，多個(gè)梯度源的布爾運(yùn)算較為復(fù)雜。(4)基于有限元網(wǎng)格離散化模型的功能梯度材料零件建模方法該方法把材料和幾何設(shè)計(jì)相分離，首先用四面體單元對(duì)非均質(zhì)零件的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行單純剖分，記錄其幾何特征；對(duì)每個(gè)四面體單元，根據(jù)內(nèi)部各點(diǎn)到邊界的距離確定四個(gè)定點(diǎn)的材料值；最后用伯恩斯坦多相式計(jì)算出每個(gè)單元內(nèi)部的材料分布特征。這種模型數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，處理簡便而且便于利用均勻化理論對(duì)零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到最優(yōu)材料分布特征。但這種模型的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量巨大，系統(tǒng)開銷較大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中所述算法幾何設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)相互脫離、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量巨大、 占用系統(tǒng)資源較多等問題，本發(fā)明提出基于B樣條的功能梯度材料零件材料建模方法。具體技術(shù)方案如下B樣條方法已被廣泛用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，B樣條放樣建模方法既可表示功能梯度材料零件的幾何信息也可表達(dá)其材料信息。首先，實(shí)現(xiàn)功能梯度材料零件基于B樣條方法的幾何建模。給定η個(gè)控制頂點(diǎn)，利用控制頂點(diǎn)函數(shù)加權(quán)的線性組合，即可得到逐段插值的B樣條曲線。
權(quán)利要求
1.功能梯度材料FGM(FunctionalIyGradient Material)零件建模技術(shù)包括幾何建模和材料建模，其中材料建模是關(guān)鍵。B樣條幾何建模技術(shù)已廣泛應(yīng)用，將B樣條擴(kuò)展到材料建模領(lǐng)域則是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。以B樣條放樣理論為基礎(chǔ)，從線、面、體三個(gè)層次構(gòu)建完整的功能梯度材料零件信息表述方法，實(shí)現(xiàn)功能梯度材料零件幾何建模與材料建模的統(tǒng)一。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的基于B樣條的功能梯度材料零件材料建模方法，其特征為創(chuàng)新地將功能梯度材料零件的幾何信息與材料信息相結(jié)合，利用B樣條放樣的方式構(gòu)建并簡潔的表達(dá)完整的幾何以及材料信息。并可適應(yīng)復(fù)雜模型，以及直觀的完成模型的局部修改。
全文摘要
功能梯度材料FGM(Functionally Gradient Material)零件建模技術(shù)包括幾何建模和材料建模，其中材料建模是關(guān)鍵。B樣條幾何建模技術(shù)已廣泛應(yīng)用，將B樣條擴(kuò)展到材料建模領(lǐng)域則是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。以B樣條放樣理論為基礎(chǔ)，從線、面、體三個(gè)層次構(gòu)建完整的功能梯度材料零件信息表述方法，實(shí)現(xiàn)功能梯度材料零件幾何建模與材料建模的統(tǒng)一。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102446229SQ20101050192
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者王彥, 王素 申請(qǐng)人:王彥, 王素