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    上海鋼結構公司帶你認識鋼結構模型3D打印與有限元網格的融合方法

    時間:2020-05-17 來源:

    薄壁結構的3D打印STL文件是單側外表面三角面網絡,而鋼結構模型體系的3D打印數據圖形是由STL三角形沿著結構桿件、連接件各表面圍成的空間三角面混合包絡的集成,這與薄壁三角面網絡存在較大差異。STL文件的復雜程度、單元數目都大為增加,也增加了STL三角面與有限元網格融合一體的難度?;谒底謭D形模型,很容易得到STL的打印數據。為將STL三角面轉換為滿足有限元計算網格單元,需要預處理、清除、歸并奇異點。通過建立結構整體節點編號和坐標體系,并依據STL三角面和法線向量,形成簡化的六面體單元,進而形成整體幾何矩陣,為生成有限元網格提供了有效方法,并開發了依據轉換流程的計算機應用程序。通過計算實例,表明該方法為3D打印數據與有限元計算單元網格融合提供了一條可用的捷徑。

    由于計算機圖形學軟硬件的迅速發展,其處理問題的速度、規模和方式都有了極大的改善和提高,各種復雜結構都可以迅速準確地建立三維數字模型。3D打印的圖形處理軟件(例如CURA)可以在已建模型的各個表面形成STL格式的三角形面片包絡體及相應的數據格式??梢园l現,將結構離散化進行數值分析,與3D打印可屬同一類的離散方式。相關研究人員曾對3D打印薄壁結構的打印STL三角面與三維有限元網格進行了研究,在基于單純表面三角形STL網格上,提出了實用有效的薄壁結構3D打印與有限元計算統一網格的方法。對于具有一定厚度、切割打孔加工形狀、焊接栓接等連接方式的鋼結構體系,若采用有限元計算,其實體單元網格劃分則比較困難,通常采用桿單元或簡化連接節點的種類形式進行計算,單元處理的工作量相當繁瑣巨大。與常規的STL轉化有限元網格的思路和方法不同,3D打印結構包絡面的STL數據體系和逐層增高的各平面切割數據,組合成實體的離散化計算單元,僅在數據層面上進行調整,避免了單獨劃分單元的復雜過程,保證了各部分滿足有限單元的協調和精度要求。本文以鋼結構體系的數字圖形模型為例,利用融合方法進行研究,所得到的處理流程和計算結果可推廣到更多的結構體系之中。


    1 鋼結構模型3D打印STL格式與有限元網格格式轉換

    1.1 3D打印STL格式

    任一STL格式包括了三角形三個角點的坐標xi,yi,zi及外法線矢量ni。對于一個具有m個單元的結構而言,其STL文件將包括m段這樣的循環表達式,格式如下:

           (1,2,…,m個單元)

           solid Object01

           facet normal-7.078 227e-002 8.323 698e-001

    5.496 821e-001

           outer loop

           vertex 3.325 273e+002 4.636 763e+002

    1.153 948e+002

           vertex 3.474 805e+002 2.071 548e+002

    5.057 643e+002

           vertex 3.803 828e+002 2.096 953e+002

    5.061 541e+002

           endloop

           endfacet

    ……………………………………………………

    ……………………………………………………

           facet normal 9.969 845e-001 7.670 629e-002

    1.174 874e-002

           outer loop

           vertex 1.825 676e+003 2.013 525e+003

    9.046 692e+001

           vertex 1.872 824e+003 1.396 057e+003

    1.208 904e+002

           vertex 1.873 184e+003 1.396 084e+003

    9.021 741e+001

           endloop

           endfacet

           endsolid Object01


    其中,facet normal為三角形的外法線方向單位矢量,關鍵詞“outer loop”和“end loop”之間包含了三角形的三個頂點x,y,z坐標。

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