杨继全，李〓娜，施建平，唐文来，张〓钢
(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京〓210023)
摘要：与传统CAD建模不同，异质零件建模时将材料的类型和分布特征作为参数，在模型中进行优化设计。异质零件建模的核心是将几何结构与材料设计结合起来，实现单一材料无法实现的特殊功能。异质零件模型的设计还需要考虑制造需求，与传统模型兼容，使用标准文件格式，最终静态模型可直接用于数字制造。给出了静态模型的设计过程，首先使用常见三维建模数据存储方式的点云数据来存储模型数据；然后设计基于轮廓近似法的结构和材料模型，用不同颜色映射不同材料；最后将材料信息添加到以微四面体为基本单元的模型中，生成异质零件的静态模型。
关键词：点云数据；结构模型；静态模型
中图分类号：TS853〓〓〓文献标识码：A〓〓〓文章编号：2095-509X(2021)09-0001-06

传统的CAD模型侧重于零件的几何及空间拓扑描述，零件通常认为由单一、均匀材料组成。与传统的CAD建模方法不同，异质零件建模将零件的材料种类及分布作为新的设计变量，通过合理地设计产品的几何参数及材料的空间组分分布来实现特殊的产品设计要求。同时，异质零件建模可充分发挥多种材料的优点和特色，产生新的复杂结构和功能，因而在诸多领域将得到广泛应用。异质零件建模的核心是将产品的几何结构与材料设计有机结合起来，使用统一的格式或转化接口，使几何结构特征和材料组成有机地整合为一体，直接用于数字化制造生产。
近年来，针对材料均匀、规律变化的静态建模方法研究较多，本文给出基于体素法和基于边界表示法的结构模型，并把材料信息添加到结构模型中，设计异质零件的静态模型。点云数据是三维建模常见的数据存储方式，基于空间点云数据的建模具有通用性。本文基于点云数据选择特征节点，使用赋予材料属性的方式实现异质零件模型的数字化定义，采用不同色彩表示不同材料，实现异质零件模型建立的可视化。

1〓静态模型
在现有的异质零件模型建模方法中，较具有代〖HJ〗表性的有基于体素法的建模方法和基于边界表示（boundary representation, B-Rep)法的建模方法，静态建模方法是指在三维物体结构建模的基础上，加入材料信息及映射方法的建模方法。
1) 基于体素法的异质零件建模。
体素(voxel)，是体积元素(volume pixel)的简称，是数字数据于三维空间分割上的最小单位。
Siu等［1］提出了基于“梯度源”的建模方法。梯度源可视为零件内部材料的“发源地”，以任何一个固定参考如点、线、面为梯度源，距离函数f(d)作为材料组分的分布方程，d表示模型内某点到梯度源的距离。定义一个n维的数组N存储异质零件内各点的材料组分信息。f(d)和数组N作为从异质零件几何空间映射到其材料空间的依据。对于材料分布较为复杂的异质零件，该方法难以满足材料的建模需求。
吴晓军等提出了距离场定义下的CAD建模方法［2］和基于欧氏距离测度网格模型体素化算法［3］。前者是一种基于固定参考特征和活动梯度源的方法，后者是利用线性八叉树的编码特性，将三维多边形网格模型离散成体素表示的模型，通过多边形网格轮廓体素和模型内、外体素序列的标志
位特性，将三维网格模型内部体素化，产生准确的
作者简介：杨继全(1973—)，男，教授，博士，主要研究方向为3D打印技术与生物制造等