基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法、存储介质及设备

1.本发明属于计算几何建模及三维点阵结构轻量化表征技术领域，具体地，涉及一种基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法、存储介质及设备。


背景技术：

2.桁架式点阵结构具有高比强度、高比刚度、高能量吸收和轻质等许多优异的力学性能，广泛应用于航空航天、武器弹药、生物医学、车辆工程、运动装备等诸多领域。增材制造技术的发展为桁架点阵提供了更大的设计空间。
3.然而，现阶段应用桁架点阵进行结构优化设计时存在如下难点：一是大规模点阵建模时巨量数据处理难、建模耗时久代价大，导致建模效率低下、所需存储空间过大；二是点阵建模规模受限，难以实现大规模/超大规模点阵的高效建模。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法、存储介质及设备，该大规模三维桁架点阵建模方法可有效解决传统建模方法在构造大规模桁架点阵时巨量数据处理难、建模耗时久代价大、建模规模严重受限等问题。
5.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法，具体包括如下步骤：
6.步骤s1、确定桁架式点阵结构的点阵构型、点阵单胞中心点坐标及单胞尺寸；
7.步骤s2、根据点阵构型利用骨架线提取方法将桁架式点阵中各桁架单元降阶简化成中心轴骨架线，根据单胞中心点坐标和单胞尺寸通过坐标提取方法确定单胞中各心中轴骨架线端节点坐标；
8.步骤s3、根据单胞中各心中轴骨架线端节点坐标，判断端节点的连接关系，将带有连接关系的两个端节点作为梁单元的两端点，建立基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵；
9.步骤s4、确定x、y、z方向阵列数，对降阶简化单胞节点矩阵进行线性赋值，获取大规模三维桁架点阵模型。
10.进一步地，步骤s1中点阵构型包括：点阵类型t和点阵的单胞桁架单元数量n。
11.进一步地，步骤s3包括如下子步骤：
12.步骤s3.1、将据单胞中各心中轴骨架线端节点进行两两比较，若两个端节点属于同一根中心轴骨架线，则表示该两个端节点具有连接关系，将该两个端节点作为梁单元的两端点，并将梁单元的两端点坐标存入降阶简化单胞节点矩阵的同一行中；
13.步骤s3.2、重复步骤s3.1，直至完成所有心中轴骨架线端节点的连接关系判断，得到基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵。
14.进一步地，步骤s4包括如下子步骤：
15.步骤s4.1、根据x、y、z方向阵列数nx、ny、nz以及单胞尺寸，分别在x、y、z方向中形成nx、ny、nz个边长为单胞尺寸的空立方体；
16.步骤s4.2、根据建立的基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵，通过线性赋值方法对空立方体进行坐标赋值，获得规模为nx
×
ny
×
nz的大规模三维桁架点阵模型。
17.进一步地，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行所述的基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法。
18.进一步地，本发明还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现所述的基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明根据点阵单胞构成规则，通过模型降阶简化思想，利用骨架线提取、坐标提取等方法，建立单胞节点坐标生成方法；对所建立的单胞节点坐标，根据节点的连接关系，建立基于梁单元的降阶简化单胞；对建立的降阶简化的单胞，通过对节点坐标矩阵线性赋值，快速阵列出大规模点阵并输出，获得了一种新型轻量化点阵表征的数据结构，形成了新型大规模点阵高效建模通用方法，此方法建立的模型数据量更小，存储空间大大减少，建模及存储时间大大降低。
附图说明
20.图1为本发明基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法的流程图；
21.图2为本发明中步骤s2的流程图；
22.图3为常见点阵降阶简化模型示意图；
23.图4为不同规模的点阵降阶简化模型示意图，其中，图4中的(a)为单胞个数为125的降阶简化模型，图4中的(b)为单胞个数为1000的降阶简化模型，图4中的(c)为单胞个数为15625的降阶简化模型，图4中的(d)为单胞个数为125000的降阶简化模型；
24.图5为百万规模的点阵降阶简化模型示意图。
具体实施方式
25.以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地详细描述。
26.如图1为本发明基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法的流程图，该大规模三维桁架点阵建模方法具体包括如下步骤：
27.步骤s1、确定桁架式点阵结构的点阵构型、点阵单胞中心点坐标及单胞尺寸；本发明中点阵构型包括：点阵类型t和点阵的单胞桁架单元数量n。
28.步骤s2、如图2，根据点阵构型利用骨架线提取方法将桁架式点阵中各桁架单元降阶简化成中心轴骨架线，根据单胞中心点坐标和单胞尺寸通过坐标提取方法确定单胞中各心中轴骨架线端节点坐标，将传统建模中大量复杂信息去除，以坐标信息代替，从而提高建模效率，降低模型大小；
29.步骤s3、根据单胞中各心中轴骨架线端节点坐标，判断端节点的连接关系，将带有连接关系的两个端节点作为梁单元的两端点，建立基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵，降阶简化单胞节点矩阵中的每一行即代表一个梁单元，存储方便且读取效率高；具体包括如下子步骤：
30.步骤s3.1、将据单胞中各心中轴骨架线端节点进行两两比较，若两个端节点属于同一根中心轴骨架线，则表示该两个端节点具有连接关系，将该两个端节点作为梁单元的两端点，并将梁单元的两端点坐标存入降阶简化单胞节点矩阵的同一行中；
31.步骤s3.2、重复步骤s3.1，直至完成所有心中轴骨架线端节点的连接关系判断，得到基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵。
32.步骤s4、确定x、y、z方向阵列数，对降阶简化单胞节点矩阵进行线性赋值，快速获取大规模三维桁架点阵模型；具体包括如下子步骤：
33.步骤s4.1、根据x、y、z方向阵列数nx、ny、nz以及单胞尺寸，分别在x、y、z方向中形成nx、ny、nz个边长为单胞尺寸的空立方体；
34.步骤s4.2、根据建立的基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵，通过线性赋值方法对空立方体进行坐标赋值，获得规模为nx
×
ny
×
nz的大规模三维桁架点阵模型。
35.在本发明的一个技术方案中，还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行所述的基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法。
36.在本发明的一个技术方案中，还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现所述的基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法。
37.实施例
38.如图3，本发明大规模三维桁架点阵建模方法适用于各种典型桁架点阵模型的快速生成，如bcc、sc、fcc、like-p、type-mi、pyramid，下面以bcc点阵降阶简化及快速建模为例说明本发明的技术方案。
39.步骤s1、确定桁架式点阵结构的点阵类型type为bcc，构成该点阵的单胞桁架单元数量为8，确立bcc点阵的单胞中心点坐标为(0,0,0)，单包尺寸为10mm；
40.步骤s2、根据点阵构型利用骨架线提取方法将桁架式点阵中各桁架单元降阶简化成中心轴骨架线，根据bcc单胞中心点坐标和单胞尺寸通过坐标提取方法确定bcc单胞中各心中轴骨架线端节点坐标，如表1所示：
41.表1：各心中轴骨架线端节点坐标
42.中心轴骨架线id中心轴骨架线端节点坐标1(0,0,0)2(-5,-5,-5)3(-5,-5,5)4(-5,5,-5)5(-5,5,5)6(5,-5,-5)7(5,-5,5)8(5,5,-5)9(5,5,5)
43.步骤s3、根据bcc单胞中各心中轴骨架线端节点坐标，判断端节点的连接关系，将带有连接关系的两个端节点作为梁单元的两端点，建立基于梁单元的降阶简化bcc单胞节
点矩阵，如表2：
44.表2：基于梁单元的降阶简化bcc单胞节点矩阵
[0045][0046][0047]
步骤s4、确定x、y、z方向阵列数，对降阶简化单胞节点矩阵进行线性赋值，获取大规模三维桁架点阵模型。本实施例中分别设置五组x、y、z方向阵列数，其生成的降阶简化bcc点阵分别如图4中的(a)-(d)及图5所示：如图4中的(a)中x、y、z方向阵列数分别为nx＝5，ny＝5，nz＝5，阵列化的单胞数量为125，传统建模方法完成建模的时间为3s，模型大小为3000kb，通过本发明三维桁架点阵建模方法完成建模的时间为0.012s，模型大小为148kb，建模速度提升250倍，模型存储大小减少95.07％；如图4中的(b)中x、y、z方向阵列数分别为nx＝10，ny＝10，nz＝10，阵列化的单胞数量为1000，传统建模方法完成建模的时间为42s，模型大小为23.44mb，通过本发明三维桁架点阵建模方法完成建模的时间为0.045s，模型大小为1.15mb，建模速度提升56000倍，模型存储大小减少95.08％；如图4中的(c)中x、y、z方向阵列数分别为nx＝25，ny＝25，nz＝25，阵列化的单胞数量为15625，传统建模方法完成建模的时间为25h，模型大小为366.21mb，通过本发明三维桁架点阵建模方法完成建模的时间为0.55s，模型大小为1.8mb，建模速度提升163636倍，模型存储大小减少99.50％；如图4中的(d)中x、y、z方向阵列数分别为nx＝50，ny＝50，nz＝50，阵列化的单胞数量为125000，传统建模方法已无法构造，通过本发明三维桁架点阵建模方法完成建模的时间为4.33s，模型大小为144mb；如图5中x、y、z方向阵列数分别为nx＝100，ny＝100，nz＝100，阵列化的单胞数量为1000000，通过本发明三维桁架点阵建模方法完成建模的时间为35.23s，模型大小为950mb。通过上述分析可知：本发明三维桁架点阵建模方法的建模时间相较于传统的建模方法大大减少，构造的模型存储大小也大大降低，且极大地增加了桁架点阵可构造规模。
[0048]
在本技术所公开的实施例中，计算机存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序。计算机存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。计算机存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器
(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0049]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本技术所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0050]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤s1、确定桁架式点阵结构的点阵构型、点阵单胞中心点坐标及单胞尺寸；步骤s2、根据点阵构型利用骨架线提取方法将桁架式点阵中各桁架单元降阶简化成中心轴骨架线，根据单胞中心点坐标和单胞尺寸通过坐标提取方法确定单胞中各心中轴骨架线端节点坐标；步骤s3、根据单胞中各心中轴骨架线端节点坐标，判断端节点的连接关系，将带有连接关系的两个端节点作为梁单元的两端点，建立基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵；步骤s4、确定x、y、z方向阵列数，对降阶简化单胞节点矩阵进行线性赋值，获取大规模三维桁架点阵模型。2.根据权利要求1所述的一种基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法，其特征在于，步骤s1中点阵构型包括：点阵类型t和点阵的单胞桁架单元数量n。3.根据权利要求1所述的一种基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法，其特征在于，步骤s3包括如下子步骤：步骤s3.1、将据单胞中各心中轴骨架线端节点进行两两比较，若两个端节点属于同一根中心轴骨架线，则表示该两个端节点具有连接关系，将该两个端节点作为梁单元的两端点，并将梁单元的两端点坐标存入降阶简化单胞节点矩阵的同一行中；步骤s3.2、重复步骤s3.1，直至完成所有心中轴骨架线端节点的连接关系判断，得到基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵。4.根据权利要求1所述的一种基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法，其特征在于，步骤s4包括如下子步骤：步骤s4.1、根据x、y、z方向阵列数nx、ny、nz以及单胞尺寸，分别在x、y、z方向中形成nx、ny、nz个边长为单胞尺寸的空立方体；步骤s4.2、根据建立的基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵，通过线性赋值方法对空立方体进行坐标赋值，获得规模为nx
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nz的大规模三维桁架点阵模型。5.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序使计算机执行如权利要求1-4任一项所述的基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法。6.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现如权利要求1-4任一项所述的基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法。

技术总结
本发明公开了一种基于降阶模型的大规模三维桁架点阵建模方法、存储介质及设备，该建模方法包括：确定桁架式点阵结构的点阵构型、点阵单胞中心点坐标及单胞尺寸；根据点阵构型利用骨架线提取方法将桁架式点阵中各桁架单元降阶简化成中心轴骨架线，根据单胞中心点坐标和单胞尺寸通过坐标提取方法确定单胞中各心中轴骨架线端节点坐标；根据单胞中各心中轴骨架线端节点坐标，判断端节点的连接关系，将带有连接关系的两个端节点作为梁单元的两端点，建立基于梁单元的降阶简化单胞节点矩阵；确定X、Y、Z方向阵列数，对降阶简化单胞节点矩阵进行线性赋值，获取大规模三维桁架点阵模型。本发明的方法建立的模型数据量更小，建模及存储时间大大降低。及存储时间大大降低。及存储时间大大降低。


技术研发人员：刘婷婷 宋康辉 杨鼎隆 张长东 廖文和 李大伟 申鑫泽 李旭东 周铉华 艾聪
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/9