仿生微结构几何建模技术研究

发布时间：2017-09-08 19:36

  本文关键词：仿生微结构几何建模技术研究

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【摘要】：仿生作为人类学习自然的手段,为工业技术的创新注入了新的活力。随着生物仿生原理的日益完善,高精度微尺度的仿生数字化几何建模成为一项具有挑战性的工作。本文在对仿生微结构理论分析的基础上,开展了仿生微结构几何建模的研究。论文主要研究工作如下:(1)针对微结构单元的几何建模问题,分别提出了内、外微结构单元的参数化设计方法。首先,表面微结构以三维重建的鲨鱼皮盾鳞模型为样本,提出了基于功能的参数定义,构建了形状变形编辑的表面单元结构参数化设计系统。其次,内部微结构以基于隐式曲面构造的多孔结构作为研究对象,提出了密度可控的多孔结构几何建模算法。(2)针对表面微结构单元的排布几何建模问题,提出了基于表面矢量场的排布优化算法。首先,研究了生物表面微结构单元的排布规律;然后,采用离散网格表面矢量场传播算法,并结合Centroidal Voronoi Tessellations算法实现表面微结构单元方向场控制与目标表面区域划分;最后,通过网格融合技术使得微结构单元与目标网格表面无缝融合,最终实现了微结构单元的排布几何建模。(3)针对基于物理属性的多孔微结构建模技术,提出了密度可控的内部多孔结构生成方法。首先,研究了基于应力分布的内部微结构优化算法,通过截面分析获得在给定载荷条件下的应力分布,以此估算模型的最小填充率,再采用密度可控的多孔结构建模方法,使多孔填充结构达到最优比强度。其次,研究了质心分布可控的内部微结构优化算法,通过构建“密度-质心”优化方程,以给定的质心、质量为约束条件进行密度优化求解,实现了模型的平衡性优化几何建模。
【关键词】：仿生微结构 鲨鱼皮 多孔结构 结构优化 平衡性
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB391;TB303
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12-13
• 1.2 仿生微结构发展现状及应用13-16
• 1.2.1 表面微结构仿生14
• 1.2.2 多孔微结构仿生14-16
• 1.3 仿生微结构几何建模技术概述16-19
• 1.3.1 表面微结构几何建模技术16-17
• 1.3.2 内部微结构几何建模技术17-19
• 1.4 基于物理属性几何建模技术概述19-21
• 1.5 本文选题背景及研究内容21-24
• 1.5.1 选题背景及意义21
• 1.5.2 课题研究内容21-24
• 第二章 微结构单元的参数化设计技术24-38
• 2.1 引言24-25
• 2.2 基于网格变形技术的表面微结构单元参数化设计25-33
• 2.2.1 表面微结构单元数据采集25-27
• 2.2.2 表面微结构单元语义参数定义27-28
• 2.2.3 基于Laplacian变形的参数化几何编辑系统构建28-30
• 2.2.4 基于语义参数的几何约束条件构建30-31
• 2.2.5 盾鳞模型参数化设计实例31-33
• 2.3 基于隐函数建模的多孔微结构参数化设计33-37
• 2.3.1 基于隐式表达的多孔结构设计33-34
• 2.3.2 曲面单元结构的几何属性分析34-35
• 2.3.3 密度可控的梯度结构建模35-36
• 2.3.4 多孔结构曲面三角化36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 表面鳞状微结构排布几何建模技术38-50
• 3.1 引言38-39
• 3.2 生物表面几何纹理排布规律探究39-40
• 3.3 基于生物表面微结构排布规律的区域划分40-45
• 3.3.1 离散网格的矢量场传播算法40-42
• 3.3.2 基于CVT技术的表面区域划分42-45
• 3.4 基于网格融合技术的表面鳞状微结构排布45-48
• 3.4.1 鳞状微结构参数化46
• 3.4.2 鳞状微结构裁剪46-48
• 3.4.3 鳞状微结构融合48
• 3.5 设计实例与分析48-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第四章 基于物理属性的多孔微结构建模50-64
• 4.1 引言50-51
• 4.2 基于应力分布可控的内部微结构优化51-58
• 4.2.1 基于泊松重建的网格偏置技术51-52
• 4.2.2 应力状态分析52-54
• 4.2.3 最小填充率估算54-55
• 4.2.4 内部结构迭代优化55-56
• 4.2.5 实验分析与比较56-58
• 4.3 基于质心可控的内部微结构优化58-63
• 4.3.1 模型预处理58-59
• 4.3.2 密度-质心优化方程构建59-60
• 4.3.3 质心与质量约束60-61
• 4.3.4 密度优化求解61
• 4.3.5 实验分析与比较61-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 总结与展望64-67
• 5.1 总结64-65
• 5.2 展望65-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-74
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文74-75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 姚远;郭明;;模型体结构可控装配方法[J];计算机辅助设计与图形学学报;2014年10期

2 刘宝胜;吴为;曾元松;;鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述[J];塑性工程学报;2014年04期

3 董洪伟;;网格变形综述[J];中国图象图形学报;2011年12期

4 张德远;蔡军;李翔;姜兴刚;韩鑫;陈博;;仿生制造的生物成形方法[J];机械工程学报;2010年05期

5 ;Study on the micro-replication of shark skin[J];Science in China(Series E:Technological Sciences);2008年07期

6 龚奇伟;张李超;莫健华;;STL模型自动镂空的算法与应用[J];计算机辅助设计与图形学学报;2007年01期

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本文编号：815963