技術領域

本發明屬于功能梯度材料技術領域，具體涉及一種基于距離場的功能梯度材料隱式建模方法。

背景技術

功能梯度材料（Functionally?Graded?Material，FGM）是日本科學家新野正之和平井敏雄為了解決材料在特殊環境下能夠正常工作，在1986年首次提出的一種新型功能材料。FGM是由兩種或多種材料在微觀上融合，形成一種各組分材料的體積分數沿某個方向或多個方向連續變化的復合材料。在融合過程中FGM組分材料自身性質不發生變化，且該材料的物理性質與各種組份材料的體積分數函數有關，并沿材料梯度分布方向連續變化，因此根據其組分材料及其體積分數含量的不同而具有不同的物理性能，可以滿足特殊環境的使用要求，通過材料成分控制來改善組織內部各種性能，包括熱機械性能、韌性和強度，減少界面應力產生的分層和裂紋和航空產品中的不減少強度情況下的減重（機身和機翼等）。隨著FGM應用領域的不斷擴展，其建模技術成為其設計分析及制造技術研究中的基礎性問題。

目前的CAD系統不能表述無清楚材料邊界的功能梯度模型，為了解決功能梯度材料的建模問題，已有的功能梯度建模方法主要有下列幾種：

（1）、體素化建模是單元分解的一種基本形式，它通過體素化將模型分解成多個大小均勻的立方體單元，而體素單元的尺寸小到能將它們視為一個均勻的材料塊。從醫療CT（Computerized?Tomography）和MRI（Magnetic?Resonance?Imaging）設備獲得的數據通常是該類型數據。體素化建模的特點在于它既與材料分布函數無關，又與零件幾何形狀無關。通常適用于材料成分分布極端不規則的功能梯度材料，不太適合材料隨梯度變化的功能梯度材料。

（2）、網格化建模是通過空間分解成一系列的多面體，每個多面體不僅包含幾何拓撲信息還包含其頂點材料組分信息。與體素法相比，網格化模型存儲有一定緩解，但計算仍比較費時，很難進行重新網格化，并且是基于分析的目的而非幾何建模和制造，從而在與CAD數據交換時需要進行一些預處理（包括表面光順和分層制造的特征識別），但可靈活的顯示復雜、高度非勻質的材料分配。

（3）、擴展的r集方法來進行非均勻材料物體的建模，并發展了類比于張量積實體及CSG的模型，適用于簡單非均勻模型的建模。

（4）、參數化建模方法是常規參數化曲線和參數化曲面建模的直接延伸，它需要一系列控制點用形函數（如B樣條、Bezier、NURBS）來插補曲線或曲面，與常規參數化建模所不同的是，這里的控制點既包含幾何坐標信息還必須包含材料成分信息。這種參數化建模方法，對于任意3D模型空間其參數化負擔大，且不方便對模型進行布爾操作。而且必須利用控制點和基函數來顯示功能梯度材料模型，在許多情況下，材料分配可能與幾何控制點無關，并且必須在能用參數化表示的幾何模型下，而不是所有復雜幾何都能用參數化曲線或曲面來表示。

（5）、特征建模顯示材料成分和材料變化信息，該方法只采用點、直線和平面作為特征，而沒有考慮任意輪廓特征的功能梯度材料建模。

在上述背景技術所列的建模方法中，其實體建模主要采用邊界表示法（方法（5））、構造實體幾何法（方法（3））和空間單元表示法（方法（1）和（2）），對于材料建模，可采用參數化方法（方法（4）），解析法（方法（3））及材料特征法（方法（5）），這些方法基本都是正向功能梯度材料建模方法。

發明內容

本發明為了解決現有技術中的不足之處，提供一種拓撲適應性強、結構簡單并便于布爾操作的基于距離場的功能梯度材料隱式建模方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：基于距離場的功能梯度材料隱式建模方法，包括以下具體步驟，

1）、幾何距離場的創建：對實體原型進行測量，獲取表面點云數據，點云數據為位置坐標值；用一包圍盒將位置坐標值包圍，對包圍盒均勻子分，計算包圍盒內所有劃分網格頂點的點云數據的有符號距離場，用以顯示實體的幾何模型；

2）、材料距離場的創建：根據功能梯度材料設計意圖確定其材料特征從而計算材料距離場；

3）、功能梯度材料的隱式建模：將幾何建模與材料建模統一起來，實現基于距離場的功能梯度材料隱式建模。

所述步驟3）中幾何建模的方式包括邊界表示法、構造實體幾何法和空間單元表示法。

所述步驟3）中材料建模的方式包括參數化方法、解析法及材料特征法。

所述步驟1）中點云數據的獲取是通過激光掃描或者三坐標測量機。