理想材料零件数字化设计制造的CAD模型及其数据后处理

摘要

理想材料零件是由单质材料、复合材料、功能梯度材料和按照一定规律分布的功能细结构材料甚至嵌入器件等构成的复杂非均匀材料零件,在达到节约资源的同时,大大提高了零件的整体性能,实现零件的材料构成、几何外形和宏观性能的完美结合.理想材料零件打破了传统零件由一种材料构成的常规,使得传统均质材料零件的设计理论和制造方法已经无法应用在理想材料零件之上,为此,必须探索全新的理想材料零件设计理论与制造方法.CAD模型是非均质材料零件设计与制造研究的热点问题,也是理想材料零件数字化并行设计与制造中的基础问题.该论文针对于此展开,首先给出了理想材料零件的概念及其数字化并行设计与制造框架和存在的问题;然后分别从复合材料分析的均匀化理论和基于该理论的材料细观结构拓扑优化设计两个方面阐述了理想材料零件的现实性与理论依据.该文将理想材料零件CAD模型建立在以几何空间为底空间、以材料空间为丛空间的结构上,使用非流形几何模型作为理想材料零件几何拓扑模型的基础,并在半边数据结构基础上,针对理想材料零件的非流形特征局限内部边界上的特点,给出了一个半面数据结构来表述零件的几何拓扑信息;对于理想材料零件的材料模型,该文先从功能梯度材料零件的信息表述与CAD数据交换和处理入手,将材料信息表述为(n-1)维单纯形,然后通过对三维几何区域的单纯剖分,以插值的方式表述零件材料分布特征;在此基础上,根据功能梯度材料零件分层制造中对CAD数据处理的要求,给出了综合考虑零件几何特征与材料特征的生长方向优化算法和自适应切片算法;而对于文中所定义的理想材料零件,该文将其材料信息表述分解到细观和宏观两个尺度进行,首先给出了细观尺度上参数化的周期性功能细结构概念,以此来统一表述功能梯度材料(单质材料作为特殊的功能梯度材料看待)、复合材料和功能细结构材料;把周期性功能细结构模型化为一个包含空间状态信息、材料构成参数和材料细观分布特征参数的三元组,以表达零件的细观材料特征;对于零件宏观的材料变化特征,则同样在几何区域单纯剖分的基础上,通过对细观尺度上周期性功能细结构控制参数的插值来完成;通过理想材料零件CAD数据处理的算例,验证了该文中理想材料零件CAD模型及材料信息表述与处理方法完全可以为理想材料零件的数字化制造提供可靠的数据支持.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1概述

§1.2理想材料零件及其数字化并行设计与制造

1.2.1理想材料零件的定义

1.2.2理想材料零件的数字化并行设计和制造

1.2.3理想材料零件的并行设计与制造体系结构

1.2.4理想材料零件的并行设计框架

1.2.5理想材料零件的数字化成型系统

1.2.6理想材料零件设计和制造中有待解决的问题

§1.3非均质材料零件相关研究的现状、趋势及其他

1.3.1非均质材料零件相关研究的兴起

1.3.2非均质材料零件CAD模型与设计方法的研究现状

1.3.3非均质材料零件CAD模型与设计方法研究中的问题与趋势

1.3.4非均质材料零件制造的研究现状

§1.4本文主要研究工作及意义

1.4.1本文主要研究工作

1.4.2本文研究工作的意义

第二章理想材料零件的设计理论基础及方法

§2.1概述

§2.2复合材料分析的均匀化理论

§2.3材料细观结构单元设计的拓扑优化方法

§2.4本章小结

第三章理想材料零件CAD模型与几何信息数字化研究

§3.1概述

§3.2传统CAD模型发展与简介

3.2.1 CAD模型技术发展概况

3.2.2三维几何造型技术简介

3.2.3实体造型技术的原理、方法和分类

§3.3理想材料零件CAD模型及几何信息数字化

3.3.1理想材料零件CAD模型

§3.4理想材料零件几何与拓扑信息数字化

3.4.1非流形几何模型及表述方法

3.4.2理想材料零件几何与拓扑信息数字化

§3.5本章小结

第四章理想材料零件材料信息数字化及处理研究

§4.1概述

§4.2功能梯度材料零件的材料信息数字化及数据交换格式

4.2.1功能梯度材料零件的材料信息数字化

4.2.2功能梯度材料零件数字化制造中的数据格式

§4.3功能梯度材料零件生长方向优化算法

4.3.1功能梯度材料零件生长方向优化过程分析

4.3.2功能梯度材料零件生长方向优化算法

4.3.3功能梯度材料零件生长方向优化算例

§4.4功能梯度材料零件制造中的自适应切片算法研究

4.4.1功能梯度材料零件制造中的自适应切片过程分析

4.4.2功能梯度材料零件制造中的自适应切片算法

4.4.3功能梯度材料零件制造中的自适应切片算例

§4.5理想材料零件的材料信息数字化

4.5.1理想材料零件材料分类方法

4.5.2周期性功能细结构的拓扑与几何特征数字化

4.5.3理想材料零件材料变化特征数字化

§4.6理想材料零件材料信息处理方法

4.6.1理想材料零件材料信息处理方法

4.6.2理想材料零件切片实例

§4.7本章小结

第五章结论与展望

§5.1结论

§5.2进一步工作展望

参考文献

论文创新点摘要

博研期间发表的学术论文

致谢

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