基于多色距离场的异质材料的数字化建模与制造方法研究

Reconstruction and modeling based on the signed distance field was widely applied and the advantages of which were topology adaptability,easy to be dealt with and convenient Boolean cooperation. Traditional CAD system can not express heterogeneous materials without clear material boundary. This project was aimed at the design and analysis of heterogeneous materials and the adaptively samepled multi-color distance field was applied to the heterogeneous materials. Through the study of the multi-color distance field theory, the design and analysis of arbitrarily complex heterogeneous materials became reality. It was innovative design, and the design reduced the development costs. The material information of object was added to solid modeling and multi-color distance field was formed to describe the heterogeneous material, which was the main highlight of innovation. The research extended the range of applications of the distance field, and provided a new method for modeling and analysis the heterogeneous materials. The project studied the theory of multi-color distance field, the description of heterogeneous material modeling by multi-color distance field, geometry and material display, thermal analysis and laser rapid manufacturing. Combined with the multicolor distance field theory, the integrated use of materials, thermodynamics and multidisciplinary theory such as manufacturing science of heterogeneous materials for the future of computer aided engineering analysis and digital manufacturing to provide theoretical support.

有符号距离场进行模型的几何建模时具有拓扑适应性强、数据结构简单和便于布尔操作等优点，因此在当前得到了广泛地研究。传统的CAD系统不能建立无清楚材料边界的功能梯度模型，为了建模与分析异质材料物体，必须将异质材料几何显示与材料信息统一起来，建立任意拓扑结构异质材料统一的数字化模型与分析体系。本项目将多色距离场理论引入到异质材料的设计建模分析及激光快速成型制造方面，通过对多色距离场理论的深入研究，实现任意复杂异质材料的建模分析及制造，达到异质材料的快速、创新设计，而且随着异质材料的广泛应用，具有较大的发展前景。该项目研究了多色距离场理论，研究了多色距离场描述的异质材料的建模、几何及材料显示、热分析及激光快速制造方面，结合多色距离场理论研究，综合运用材料学、热力学以及制造科学等多学科的理论，为将来的异质材料的计算机辅助工程分析与数字化制造提供理论支持。

多色距离场是在有符号场距离场的基础上通过增加材料信息而构成的增广的距离场，用它来描述异质材料是本项目的主要创新点。该项目研究了多色距离场理论，研究了多色距离场描述的异质材料的建模、几何及材料显示、热分析及激光快速制造方面，结合多色距离场理论研究，综合运用材料学、热力学以及制造科学等多学科的理论，为将来的异质材料的计算机辅助工程分析与数字化制造提供理论支持。项目的主要研究内容如下：. 研究基于自适应采样距离场的几何建模与材料建模的统一。应用求解偏微分方程的方法计算有符号距离场，来实现三维散乱数据点云的重构。然后在此基础上研究了有符号距离场的多分辨率自适应划分，采用三色八叉树数据结构划分网格，与均匀网格划分相比，大大提高了数据存储效率，同时在自适应有符号距离场符号判断基础上，给出了中心步进立方体网格提取算法，在不丧失精度的条件下提高了重构效率，实现自适应有符号距离场三角网格模型提取，对具有复杂拓扑结构及海量数据点云的模型具有良好的适应性。. 研究多色距离场描述的异质材料综合建模与热分析。在有符号距离场进行模型重构的基础上，依据材料设计特征（通常包括点、线和面等）给每个三维网格点赋予物体的材料属性，构成了类似于几何距离场的多色距离场模型，并通过功能梯度涡轮叶片的设计，实现了应用多色距离场进行功能梯度材料的建模。在已建成的均匀网格有符号距离场模型的基础上，取样等值面和内部栅格点，使用加权最小二乘无网格法求解任意区域内的瞬态、稳态热传导及热弹性问题。. 研究多色距离场描述的异质材料的激光快速制造方法；通过计算机控制材料分层，将混合后的粉末通过喷嘴喷到基体表面，然后通过改变激光功率、光斑尺寸和扫描速度加热粉体，在基体表面形成熔池，并在此基础上通过改变粉末成分，向熔池中不断喷粉，以获得异质材料模型。