复杂非均质功能构件的个性化定制理论方法及软件实现

针对现有非均质材料（HM）实体造型方法普遍存在的零件形状简单、材料分布方式人为给定且方向单一、难以符合工程实际等问题，拟从功能构件的定义和中性CAD模型入手，提出并建立面向数字化制造技术的复杂非均质功能构件(HFC)的个性化定制理论体系。研究运用拓扑优化思想个性化地定制任意复杂构件在实际服役条件下最理想的材料组分分布的普适性方法，以提高复杂HFC定制的可操作性；研究HFC的几何、拓扑和材料信息的融合方法，以拓展现有CAD模型的局限性；研究复杂HFC模型的可视化方法，以增强模型表达的直观性；研究局部材料组分信息的提取方法，以确保复杂HFC的可制造性；面向按需喷射成型工艺，开发复杂HFC的个性化定制和数字化制造集成系统原型软件。该课题研究，对丰富和发展HM实体的优化设计和建模理论、提升复杂HFC的数字化直接制造水平，实现复杂HFC的设计、分析和制造一体化具有重要的理论意义和工程应用价值。

针对现有非均质材料实体造型方法普遍存在零件形状简单、材料分布方式人为给定且方向单一、难以符合工程实际要求等问题，提出并建立了面向数字化制造技术的复杂非均质功能构件(HFC)的个性化定制理论体系。. 此理论体系在不改变构件几何拓扑关系的情况下，通过运用拓扑优化思想，确定非均质功能构件在实际服役条件下最理想的材料组分分布，来满足多种实际性能需求，突破以往人为给定的解析函数对材料组分分布的限制; 提出了一种基于NURBS的非均质实体表示方法，该方法可以精确的表示含有二次曲面的非均质实体，并且通过对于权因子的修改而改变非均质NURBS实体的形状，大大简化了非均质NURBS实体的表示与操作; 结合CSG实体建模理论和有限元法，提出了一种基于形函数控制的孔隙组织拓扑定制建模方法，以及复杂非均质功能构件有限元分析模型，并编制了拓扑优化程序。. 通过具体实例，分别验证了上述相关理论、方法和软件的有效性，实现了复杂非均质材料实体的个性化拓扑定制。进一步针对复杂非均质功能构件的制造难题，提出了一系列的制造方法并研发了相关设备。该研究成果提升了复杂非均质功能构件(HFC)的数字化直接制造水平，有望在航空航天、生物化工等行业内推广应用，其经济效益和社会效益将是十分显著的。. 在课题执行过程中，获省优秀博士论文1篇；发表学术论文9篇，其中SCI收录2篇，EI收录8篇；完成软件著作权登记2项；申请国家发明专利4项，授权3项；培养毕业博士研究生1名，硕士研究生6名。