异质零件的动态建模方法
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：某些零件的材料既不是均匀的，也不是基于梯度的，称之为动态异质零件。介绍了异质零件动态模型的建模方法，使用微四面体，以材料特征为顶点，通过材料向量分布角度调整实现动态变化，以达到材料的渐变或突变效果，结合STL格式，给出的模型可以直接用在3D打印中制作动态异质零件。该方法的优点是：以每个特征节点为定义单元，结合有序的拓扑结构，能够表达多种材料的非均质分布情况，以及材料分布突变、断裂等异常情况；按照空间点云数据集映射至每个材料切片层的方式进行二维切片的材料定义，对每层切片进行材料分区，同时建立了材料切片与物理切片的对应关系，可用于CAD/CAM一体化设计。
关键词：动态模型；功能梯度材料；混杂微四面体
中图分类号：TS853〓〓〓文献标识码：A〓〓〓文章编号：2095-509X(2021)12-0001-04

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基于结构和材料的混合模型可用于设计动态异质零件。可以根据材料进行建模，结构变化可以反映在材料变化中。材料可以根据变化特性动态地分布和改变。文献［1］给出材料的特征描述、体素表示方法、实体与材料的映射关系以及特征节点的提取，作为本文建立动态异质零件模型的基础。
1〓材料动态变化设计
对于材料在特定时刻呈动态分布的多相材料零件的设计及其预测目前尚无有效工具［2］。Hu等［3］提出了利用时间因素的异质零件建模方法。但已有的方法都不是针对材料分布呈动态型的多相材料零件而提出的，对于此类较为特殊的材料分布零件，目前尚缺少建模方法。此处尝试给出一种基于上述静态型材料节点分布设计的动态型多相材料零件设计方法。在每个节点定义中增加材料分布向量的角度，得动态型多相材料定义：

〖JB({〗
P=(M1,M2,…,Mk,〖WTHX〗x,x〖WTBX〗′,α,
〓〓〖WTHX〗y,y〖WTBX〗′,β,〖WTHX〗z,z〖WTBX〗′,γ)
α,β,γ∈［-180°,180°］
〖JB)〗〖JY〗（1）
〖WTBZ〗
式中：α，β，γ分别为 x,y,z 3个方向上的材料分布向量〖WTHX〗x,y,z〖WTBZ〗与3个坐标轴之间的夹角，用以表示材料分布的空间变化趋势。
〖LL〗
〓〓以图1所示的平面型3种金属材料构成的多相材料片层为例,对该方法予以阐述。

图1〓平面型3种金属材料构成的多相材料片层〖HT7〗〖HT5SS〗

〓〓图1所示的节点P为文献［4］图4中P6节点在经过位错之后的位置，两位置之间的变化通过x,y方向的坐标值来反映，位错会造成材料的分布变化，材料的分布变化可通过〖WTHX〗x,x〖WTBX〗′,α,〖WTHX〗y,y〖WTBX〗′,β,〖WTHX〗z,z〖WTBX〗′,γ等值来表示。图2所示为P6节点处的材料分布随α，β，γ〖WTBZ〗夹角变化而变化的趋势，同时也可看出夹角变化对周围各节点材料分布的影响。

〓〓式（1）中的节点材料分布向量〖WTHX〗x,x〖WTBX〗′,〖WTHX〗y,y〖WTBX〗′〖WTBZ〗和材料分布方向α，β对材料的分布起着决定性的作用。当节点P的材料分布向量超出相邻4个节点的分布向量组成的椭圆区域时，节点P的材料分布将在一定程度上影响周围节点的材料分布。

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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，jiquang@126.com.