功能梯度材料零件可视化及其快速成型路径生成方法研究

摘要

功能梯度材料概念（Functionally Graded Materials，简称FGM）于1987年由日本科技厅提出，该种材料在零件内部按照一定的分布函数呈梯度状分布，使得该零件在力学等性能上也呈梯度变化。传统的基于物理或化学的功能梯度材料制造方法存在如下缺点：只能制备形状结构简单的功能梯度材料块体或材料环；不能制造嵌入器件零件；制备功能梯度材料时不能实现各材料组分相在一定范围内的精确控制，不能正确反映设计者的意图，从而影响材料性能发挥。基于离散/堆积原理的快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术为功能梯度材料零件的制备提供了一种可能手段，并且能在制备材料的同时制造零件。在目前的快速成型领域，一方面，商业化的功能梯度材料成型机并不存在，一些商业上的CAD软件尚不具备表示功能梯度材料实体零件材料属性的能力；另一方面，许多特殊的应用场合对快速成型技术却提出了更高的要求。本文以快速成形技术为背景，针对复杂零件功能梯度材料模型的CAD表达方法、切片和路径生成方法行了深入理论分析和研究，设计并开发一款STL模型到FGM模型表达可视化和路径生成的软件系统，为基于RP的功能梯度材料零件制造提供技术基础。
　　本研究主要内容包括：⑴建立无冗余数据的STL模型顶点、半边和面之间的拓扑关系，提出了STL(StereoLithography)文件各类错误及缺陷的诊断及修复算法；提出基于半边曲率的Loop模式的自适应曲面细分算法，在整体上用较少的三面片准确的表示模型，以保证STL模型曲面精度。⑵系统研究了网格模型体素化方法，提出并实现了基于四叉树的Ray-Casting体素化CAD模型的方法，分析了基于数字距离变换计算从体素到参考特征距离的方法。⑶提出基于物体空间的FGM模型可视化路线，分析了FGM切片层厚对几何切片误差和材料切片误差的影响，给出了基于体素模型的功能梯度材料零件切片算法。⑷研究了基于FGM模型的等材料等值线路径生成方法，提出了一种多区域轮廓的曲线偏置算法。设计了一款兼FGM模型可视化、切片和路径规划为一体的FGM-CAD软件。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景与意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文章节安排

第2章 STL模型缺陷修复及细分

2.1 STL文件缺陷诊断和修复算法

2.2 自适应曲面细分算法

2.3 本章小结

第3章 基于体素的FGM模型建模方法

3.1 体图形学简介

3.2 基于四叉树的Ray-Casting体素化方法

3.3基于体素模型的FGM建模

3.4 本章小结

第4章 基于体素模型的FGM零件可视化与切片

4.1 基于Ray-Casting的FGM零件可视化

4.2 基于体素模型的FGM模型分层切片

4.3 本章小结

第5章 FGM模型路径生成方法

5.1 基于材料等值线偏置的FGM模型快速成型路径

5.2 FGM软件系统

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得的科研成果