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专利号: 2025110493183
申请人: 六安职业技术学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-11-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种三周期极小曲面周向融合结构,其特征在于:所述融合结构包括:参数定义模块:用于定义TPMS基元数学模型、融合区域几何参数及权重调控参数,所述参数定义模块包括TPMS基元库,所述TPMS基元库存储典型TPMS的隐式函数方程,其选择Gyroid、Schwarz、Diamond和Neovius四种TPMS进行周向融合;

融合计算模块:基于加权算法实现TPMS基元的空间非线性融合,动态计算各基元在融合区域内的权重分布;

权重动态调控模块:用于对权重分布的融合曲面局部曲率动态调整,实现动态调整曲率值;

融合区域几何模块:将单一扁平圆柱体融合区域划分为多个子区域,所述融合区域几何模块将TPMS上段区域融合Gyroid与Diamond,下段区域融合Schwarz与Neovius,再通过布尔运算拼接为整体结构,且每个子区域独立设置基元类型、插值点及权重参数;

曲面处理模块:用于从融合标量场中提取符合TPMS特性的等值面,生成封闭几何模型;

输出应用模块:用于将融合结构导出为增材制造可用的STL文件,并集成工艺优化参数;

预融合仿真模块:用于多孔结构在反距离加权融合前,通过有限元仿真预计算各基元的应力贡献,动态调整权重初始值。

2.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面周向融合结构,其特征在于:所述参数定义模块的融合区域生成支持扁平圆柱体、球形、变截面多段体几何形态,参数包括半径、高度、体心坐标及分段数,参数定义模块的权重参数配置为:插值中心点坐标矩阵、距离幂参数、方向权重因子及自适应曲率参数。

3.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面周向融合结构,其特征在于:所述融合计算模块的加权算法具体为反距离加权法,所述反距离加权法的具体计算方法如下:欧氏距离计算:

;

其中, 为标量场坐标, 为第个基元的插值中心点坐标;复合权重函数:

;

其中, 为极坐标方向权重, 为防除零,为可自适应调整的曲率函数;

非线性融合:

;

其中, 为第 个基元的标量场值,通过权重动态调控混合比例。

4.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面周向融合结构,其特征在于:所述曲面处理模块的具体处理步骤具体如下:S1、使用isosurface函数提取平均曲率为零的曲面,获取面数据 和顶点数据 ;

S2、然后通过isocaps函数生成封闭等值面体,得到封闭面数据 和封闭顶点数据 ;

S3、最后进行合并开放面与封闭面数据: ;

。

5.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面周向融合结构,其特征在于:所述输出应用模块的STL文件导出通过生成结构化网格文件,支持多区域拼接,即可在基元交界处自动生成梯度混合层,适配SLM逐层打印工艺,减少界面缺陷,实现参数化模型文件的导出和应用。

6.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面周向融合结构,其特征在于:所述权重动态调控模块中动态调整曲率值如下:对于三周期极小曲面,其平均曲率恒为零,对于由标量场 定义的曲面,平均曲率可通过以下公式计算:;

其中, 为平均曲率,为散度算子, 为标场的梯度;

上述公式展开之后可得:

;

因此该融合结构中,由于各TPMS基元均为极小曲面,融合后的曲面仍近似满足极小曲面特性,因此可简化使用拉普拉斯算子作为局部曲率的相对度量,其中绝对值越大,曲率变化越剧烈。

7.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面周向融合结构,其特征在于:所述权重动态调控模块基于周向角度 分配极坐标方向权重的系数,具体如下:;

其中,为目标点周向角度, 为第 个基元的主方向角度, 为方向权重系数,进而实现权重的非对称周向融合;

所述融合区域几何模块通过布尔运算拼接整体结构具体的计算如下:采用并集算法将多个子区域的融合曲面拼接为单一结构,确保各子区域在空间上无缝衔接且不重叠,每个子区域通过isosurface函数生成独立的曲面数据,曲面数据包含:顶点数据的三维坐标矩阵: ;

面数据的三角形面片索引矩阵: ;

其中, 表示由顶点、、构成的三角形,不同子区域的顶点坐标位于不同空间位置,通过坐标偏移统一到全局坐标系,即可完成融合区域几何点面。

8.根据权利要求1所述的一种三周期极小曲面周向融合结构,其特征在于:所述预融合仿真模块通过在Matlab中调用有限元工具包,对初始融合结构进行冲击载荷模拟,根据应力云图修正插值中心点坐标或权重系数,具体的有限元仿真迭代公式为:;

其中,为修正步长, 为基元应力值,通过有限元仿真减少多孔结构生产的试错成本,生成载荷适配型多孔结构。