变梯度多孔结构模型生成方法、装置及存储介质与流程

1.本技术涉及但不限于计算机领域，尤其是涉及一种变梯度多孔结构模型生成方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.在传统的设计及工业制造中，构件的设计往往含有大量多余部分，这些多余部分的材料不但没能发挥到提高构件性能的作用，还会增加构件重量，造成更大重力负载，加大了运输难度，随着计算机辅助技术的发展，工程人员开始采用有限元拓扑优化方法来设计部分构件，以提高构件的比强度，同时节约用料。但这种设计方法并不适用于所有领域，例如在医疗植入物领域，植入物需要含有较小且较均匀的多孔结构，构成多孔结构的平均实体杆径也不宜太大，传统的设计方法无法满足医疗植入物领域对多孔结构材料的需求，多孔结构模型的构建效率较低。


技术实现要素：

3.本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种变梯度多孔结构模型生成方法、装置及存储介质，能够提高多孔结构模型的构建效率。
4.本技术第一方面实施例提供一种变梯度多孔结构模型生成方法，包括：获取应力分布信息；根据所述应力分布信息、预设的点云数量调节因子生成点云数据；根据所述点云数据、预设的杆径调节因子、预设的曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
5.根据本技术实施例的变梯度多孔结构模型生成方法，至少具有如下技术效果：本技术提供的变梯度多孔结构模型生成方法，在根据应力分布信息生成变梯度多孔结构模型的过程中，引入了点云数量调节因子、杆径调节因子、曲面精度调节因子，分别实现了对模型的点云数量、杆径大小、杆径的曲面精度进行自定义调节，提升了多孔结构模型在医疗植入领域的可用性，提高了多孔结构模型的构建效率。
6.根据本技术的一些实施例，所述根据所述点云数据、预设的杆径调节因子、预设的曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型，包括：对所述点云数据进行坐标转换，得到可编辑的点云目标数据；根据所述点云目标数据、所述杆径调节因子、所述曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
7.根据本技术的一些实施例，所述根据所述点云目标数据、所述杆径调节因子、所述曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型，包括：根据所述点云目标数据生成空间多边形数据；根据所述杆径调节因子对所述空间多边形数据进行实体化处理，得到实体化模型；根据所述实体化模型、所述曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
8.根据本技术的一些实施例，所述根据所述杆径调节因子对所述空间多边形数据进行实体化处理，得到实体化模型，包括：根据所述杆径调节因子提取出所述空间多边形数据的轮廓线信息；根据所述轮廓线信息对所述空间多边形数据进行实体化处理，得到第一子实体化模型；对所述第一子实体化模型进行点云筛选处理，得到所述实体化模型。
9.根据本技术的一些实施例，所述变梯度多孔结构模型生成方法，还包括：对所述空间多边形数据进行圆管化处理，得到所述实体化模型。
10.根据本技术的一些实施例，所述获取应力分布信息，包括：获取服役要求信息；根据所述服役要求信息进行受力分析，得到所述应力分布信息。
11.根据本技术的一些实施例，所述变梯度多孔结构模型生成方法，还包括：根据所述服役要求信息对所述变梯度多孔结构模型进行检验处理，得到检验信息；根据所述检验信息更新所述点云数量调节因子、所述杆径调节因子、所述曲面精度调节因子。
12.本技术第二方面实施例提供了一种变梯度多孔结构模型生成装置，包括：应力分布信息获取模块，用于获取应力分布信息；点云数据生成模块，用于根据所述应力分布信息、预设的点云数量调节因子生成点云数据；模型生成模块，用于根据所述点云数据、预设的杆径调节因子、预设的曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
13.本技术第三方面实施例提供了一种变梯度多孔结构模型生成装置，包括：存储器、处理器；所述存储器用于保存计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现：如上述第一方面实施例的变梯度多孔结构模型生成方法。
14.根据本技术第四方面实施例的计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被读取执行时，实现上述第一方面实施例所述的变梯度多孔结构模型生成方法。
15.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过申请的实践了解到。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本技术做进一步的说明，其中：
17.图1是本技术一个实施例提供的变梯度多孔结构模型生成方法的流程图；
18.图2是图1中的步骤s130的流程图；
19.图3是图2中的步骤s220的流程图；
20.图4是图3中的步骤s320在一实施例的流程图；
21.图5是图3中的步骤s320在另一实施例的流程图；
22.图6是图1中的步骤s110的流程图；
23.图7是本技术另一个实施例提供的变梯度多孔结构模型生成方法的流程图。
具体实施方式
24.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
25.在本技术的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
26.本技术的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所
属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本技术中的具体含义。
27.本技术的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
28.本技术实施例提供一种变梯度多孔结构模型生成方法，包括：获取应力分布信息；根据应力分布信息、预设的点云数量调节因子生成点云数据；根据点云数据、预设的杆径调节因子、预设的曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
29.如图1所示，图1是一些实施例提供的变梯度多孔结构模型生成方法的流程图，变梯度多孔结构模型生成方法包括但不限于步骤s110至步骤s130，具体包括：
30.s110，获取应力分布信息；
31.s120，根据应力分布信息、预设的点云数量调节因子生成点云数据；
32.s130，根据点云数据、预设的杆径调节因子、预设的曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
33.在步骤s120中，点云数量调节因子即为最终确定的点云数量，点云数量的调节过程具体为，通过调整点云的总数从而简化输出的点群及调节多孔结构密度，在应力分布信息生成之前对点云数量进行设置，实现了均匀地调整点总数，这种调节方式并不会影响到点在不同应力区域具有不同相对密度的特征。
34.需要说明的是，点云是三维设计中一类格式的总称，这类格式使用足够数量的点构成的三维空间点集来表示三维模型特征，其本质是大量点的点坐标信息，有igs、asc、txt等文件格式。
35.本技术提供的变梯度多孔结构模型生成方法，将整体概念与拓扑优化一致化，虽然整体上可以起到比强度优化作用，但其最终设计的结构特征与传统的方法有着根本的区别，如本技术得到的模型的设计结构具有医用级别的梯度变化细孔，且孔的大小能由使用者调节，又比如，本技术的设计方法设计出的多孔结构杆径较为均匀、细小等。
36.本技术提供的变梯度多孔结构模型生成方法，利用voronoi特征多孔结构实现点与点的快捷连接，从而实现变梯度多孔结构设计，不同于传统的球单元多孔网状设计的构建方法；本技术得到的多孔结构适合于医疗领域应用，不用于传统的方法应用于工业领域。
37.本技术提供的变梯度多孔结构模型生成方法可以在获取有限元分析结果点云分布文件后，仅通过调节少数控制因子，即可直接自动生成变梯度多孔结构模型，摆脱了人工的设计依赖。
38.本技术提供的变梯度多孔结构模型生成方法，在根据应力分布信息生成变梯度多孔结构模型的过程中，引入了点云数量调节因子、杆径调节因子、曲面精度调节因子，分别实现了对模型的点云数量、杆径大小、杆径的曲面精度进行自定义调节，提升了多孔结构模型在医疗植入领域的可用性，提高了多孔结构模型的构建效率。
39.根据本技术的一些实施例，根据点云数据、预设的杆径调节因子、预设的曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型，包括：对点云数据进行坐标转换，得到可编辑的点云目
标数据；根据点云目标数据、杆径调节因子、曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
40.图2是一些实施例中的步骤s130的流程图，图2示意的步骤s130包括但不限于步骤s210至步骤s220：
41.s210，对点云数据进行坐标转换，得到可编辑的点云目标数据；
42.s220，根据点云目标数据、杆径调节因子、曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
43.在具体的实施例中，在根据点云数据生成变梯度多孔结构模型之前，需要对点云数据进行坐标转换处理，具体包括：通过gh(grasshopper，一款可视化编程语言)读取点云文件，并转换为点云目标数据，点云目标数据为可由gh编辑的一系列点坐标，从而便于对数据的处理和模型的生成。
44.需要说明的是，grasshopper是rhinoceros(后续简称gh)三维设计软件的一个插件，拥有强大的可视化编程功能，本技术提供的方法，是一种基于gh的、可以输入txt等点云文件并将读取出的点云自动进行voronoi连接，并进行实体化，最终输出为实体voronoi随机多孔结构的建模程序，这将有利于大幅提高基于大量空间点信息的多孔结构建模的建模速度及可控性。
45.根据本技术的一些实施例，根据点云目标数据、杆径调节因子、曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型，包括：根据点云目标数据生成空间多边形数据；根据杆径调节因子对空间多边形数据进行实体化处理，得到实体化模型；根据实体化模型、曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
46.图3是一些实施例中的步骤s220的流程图，图3示意的步骤s220包括但不限于步骤s310至步骤s330：
47.s310，根据点云目标数据生成空间多边形数据；
48.s320，根据杆径调节因子对空间多边形数据进行实体化处理，得到实体化模型；
49.s330，根据实体化模型、曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
50.在步骤s310中，空间多边形数据的生成过程具体包括：调用voronoi 3d运算器，并输入点云及其空间位置作为其两个输入值，点云被连线为空间voronoi多边形。
51.在步骤s330中，完成实体化过程之后得到网格，进而根据网格输出变梯度多孔结构模型，具体包括：设置曲面精度调节因子，将网格输入到gh中weavebird插件中的weavebird’scatmull
‑
clark subdivision运算器中，输出运算后的网格，并将运算后的网格输出为犀牛模型，另存为需要的cad三维模型，得到变梯度多孔结构模型。
52.需要说明的是，曲面精度调节因子包括但不限于细分因子l，此因子可以调整实体杆径的曲面精确程度。在其径向和环向进行分段，细分因子l越大，其划分的数量越多，网格精确程度越高，该因子一般设置为1
‑
3即可
53.根据本技术的一些实施例，根据杆径调节因子对空间多边形数据进行实体化处理，得到实体化模型，包括：根据杆径调节因子提取出空间多边形数据的轮廓线信息；根据轮廓线信息对空间多边形数据进行实体化处理，得到第一子实体化模型；对第一子实体化模型进行点云筛选处理，得到实体化模型。
54.图4是一些实施例中的步骤s320的流程图，图4示意的步骤s320包括但不限于步骤s410至步骤s430：
55.s410，根据杆径调节因子提取出空间多边形数据的轮廓线信息；
56.s420，根据轮廓线信息对空间多边形数据进行实体化处理，得到第一子实体化模型；
57.s430，对第一子实体化模型进行点云筛选处理，得到实体化模型。
58.在步骤s420中，对空间多边形数据进行实体化处理过程具体包括：对实体化处理后的多边形数据使用deconstruct brep运算器进行缩放处理，利用杆径调节因子提取出voronoi多边形的轮廓线，形成两组在空间上围绕原多边形边线的缩放边线，将以上提取的两组边线输入到loft运算器，进行放样，于是在原多边形线周围形成了一定尺寸的实体杆，进而使得杆径调节因子能实现对后续形成的实体杆的粗细的调节。
59.需要说明的是，杆径调节因子包括但不限于缩放因子s；缩放处理包括但不限于采取先缩放后提取，和先提取后缩放两种方式。缩放因子s的含义为缩小后面积与原面积之比，一般设置为0.7
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0.8，实际根据需要进行调整，该因子直接影响后续杆体的平均尺寸大小。
60.在步骤s430中，完成缩放过程之后，将实体杆的曲面转化为网格，转化后，将距离网格中心较远的点筛选掉，从而保留中心主实体杆，进而实现网格的合并，进而根据网格输出变梯度多孔结构模型。
61.根据本技术的一些实施例，变梯度多孔结构模型生成方法，还包括：对空间多边形数据进行圆管化处理，得到实体化模型。
62.图5是另一些实施例中的步骤s320的流程图，图5示意的步骤s320包括但不限于步骤s510至步骤s520：
63.s510，获取空间多边形数据；
64.s520，对空间多边形数据进行圆管化处理，得到实体化模型。
65.需要说明的是，实体化的方法除了图4示意的方法之外，还包括：提出voronoi对变形的所有边线，将其进行圆管化，成为具有一定杆径的圆杆，对这些圆杆进行合成并光滑化以实现实体化，其中，此时圆杆的杆径即可调节最终多孔结构的平均杆径。
66.根据本技术的一些实施例，获取应力分布信息，包括：获取服役要求信息；根据服役要求信息进行受力分析，得到应力分布信息。
67.图6是一些实施例中的步骤s110的流程图，图6示意的步骤s110包括但不限于步骤s610至步骤s620：
68.s610，获取服役要求信息；
69.s620，根据服役要求信息进行受力分析，得到应力分布信息。
70.在步骤s610和s620中，将构件三维模型导入ansys软件后，根据服役要求信息加载应力，并进行受力分析，得到应力分布信息，从而提升了根据应力分布信息得到模型的可用性和适配性。
71.根据本技术的一些实施例，变梯度多孔结构模型生成方法，还包括：根据服役要求信息对变梯度多孔结构模型进行检验处理，得到检验信息；根据检验信息更新点云数量调节因子、杆径调节因子、曲面精度调节因子。
72.如图7所示，图7是另一些实施例提供的变梯度多孔结构模型生成方法的流程图，变梯度多孔结构模型生成方法还包括：
73.s710，根据服役要求信息对变梯度多孔结构模型进行检验处理，得到检验信息；
74.s720，根据检验信息更新点云数量调节因子、杆径调节因子、曲面精度调节因子。
75.下面以一个具体的实施例详细描述变梯度多孔结构模型生成方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对申请的具体限制。
76.步骤一：构建三维模型，根据服役条件加载受力条件并进行有限元分析，打开有限元应力变密度点云数据输出程序，并根据需要调整参数，输出变梯度点云文件。
77.在步骤一中，通过对ansys、comsol、abaqus、msc等常见有限元分析软件进行二次开发，形成运行代码，让有限元分析软件在完成受力分析后，输出一个根据应力自动变化梯度的点云分布文件。需要说明的是，根据构件应力分布而在不同区域具有不同密度的点云分布文件，也就是这些点在应力越大的地方，密度就越高；在应力越小的地方，密度就越低。
78.步骤一具体包括：(1)将构件三维模型导入ansys软件中；(2)根据服役需求，加载应力，并进行受力分析；(3)受力分析后，调整设置，让软件自动根据应力分布情况重划网格，在应力大的地方越密，在应力小的地方越疏；(4)完成以上网格划分后，启动notepad代码编辑器，通过二次开发编程语言，让软件自动打开一个txt文件，获取总结点数、获取最小节点编号，最后让软件按以下排列连续输出所有点的信息：节点x坐标节点y坐标节点z坐标，其中不同坐标值之间有空格隔开，获得的txt文件，即为点云数据文件，可以转换为其他点云文件使用，也可以直接使用。
79.步骤二：打开grasshopper自动voronoi随机多孔结构建模程序，将步骤一输出变梯度点云文件输入到rhinoceros软件中，按需调整控制因子，生成多孔实体模型。
80.在步骤二中，利用rhinoceros软件的grasshopper插件，编程一个可以根据输入的坐标点自动构造voronoi型随机多孔结构的建模程序，该程序可以在一定程度上调整生成多孔结构平均杆径的大小。进而将步骤一中输出的点云数据文件，输入到步骤二的程序中，运行生成最终多孔结构三维实体，并输出cad三维格式文件
81.步骤二具体包括：(1)读取点云：通过gh读取点云文件，并转换为可由gh编辑的一系列点坐标；(2)生成多边形：调用voronoi 3d运算器，并输入点云及其空间位置作为其两个输入值，点云被连线为空间voronoi多边形；(3)对多边形的连接线进行实体化：(4)将(3)中的网格输入到gh中weavebird插件中的weavebird’s catmull
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clark subdivision运算器中，设置细分因子l，输出网格；(5)将此网格输出为犀牛模型，另存为需要的cad三维模型。
82.步骤三：判断生成的多孔实体模型是否满足有限元或实际试验要求，若满足则导出cad三维格式，若不满足则调回步骤二，调整参数后继续生成模型，直到满足要求为止。
83.在具体的实施例中，对生成的变梯度多孔结构模型进行检验处理，得到检验信息，以检验其能否满足服役要求，若不满足服役要求，则根据检验信息中的分析结果确定调整完善方向，调整设计参数，再运行生成新的多孔结构模型，重复此步骤，直到满足要求，则完成了最终的三维模型设计。
84.需要说明的是，设计参数但不限于云数量调节因子、杆径调节因子、曲面精度调节因子；检验处理包括但不限于基于实际服役要求的有限元分析、进行真实试验等方式。
85.本技术实施例提供了一种变梯度多孔结构模型生成装置，包括：应力分布信息获取模块，用于获取应力分布信息；点云数据生成模块，用于根据应力分布信息、预设的点云
数量调节因子生成点云数据；模型生成模块，用于根据点云数据、预设的杆径调节因子、预设的曲面精度调节因子生成变梯度多孔结构模型。
86.本技术提供的装置实现了变梯度多孔结构模型生成方法，在根据应力分布信息生成变梯度多孔结构模型的过程中，引入了点云数量调节因子、杆径调节因子、曲面精度调节因子，分别实现了对模型的点云数量、杆径大小、杆径的曲面精度进行自定义调节，提升了多孔结构模型在医疗植入领域的可用性，提高了多孔结构模型的构建效率。
87.本技术实施例提供了一种变梯度多孔结构模型生成装置，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现：本技术上述任一实施例的变梯度多孔结构模型生成方法。
88.根据本技术实施例的计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于：执行上述实施例的变梯度多孔结构模型生成方法。
89.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
90.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、装置可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd
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rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
91.上面结合附图对本技术实施例作了详细说明，但是本技术不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本技术宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。