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【6h】

面向增材制造的非均质点阵填充结构快速建模技术与软件开发

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目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 大规模点阵填充结构几何模型生成研究现状

1.2.1 点阵填充结构几何模型生成

1.2.2 CAD模型表达方法

1.2.3 单胞填充结构建模效率评估

1.3 大规模点阵填充结构几何模型快速可视化研究现状

1.3.1 模型简化算法

1.3.2 优化绘制处理算法

1.4 本文主要研究内容

2 基于单胞包围盒的点阵填充结构模型生成

2.1 引言

2.2 点阵填充结构关键配置参数分析

2.2.1 点阵单胞包围盒

2.2.2 点阵单胞配置参数归类分析

2.2.3 点阵填充结构参数化描述格式

2.3 点阵填充结构参数化模型生成

2.3.1 面向封闭填充域的点阵填充结构参数化模型生成

2.3.2 面向开放填充域的点阵填充结构参数化模型生成

2.4 点阵填充结构几何模型生成并行算法

2.4.1 TBB并行程序库

2.4.2 点阵微桁架几何模型生成并行算法

2.5 本章小结

3 大规模点阵填充结构模型快速可视化方法

3.1 引言

3.2 大规模点阵填充结构模型简化技术

3.2.1 问题描述

3.2.2 基于LOD的大规模点阵填充结构简化技术

3.2.3 基于面片消隐的大规模点阵填充结构渲染加速技术

3.3 基于VBO的大规模填充结构几何模型绘制

3.4 本章小结

4 大规模点阵填充结构建模软件TopoBench的设计与实现

4.1 背景技术介绍

4.1.1 第三方开源库

4.1.2 MVC软件架构模式

4.2 TopoBench软件需求分析

4.2.1 大规模微结构填充软件性能需求分析

4.2.2 用户交互系统功能需求分析

4.2.3 软件可扩展性需求分析

4.2.4 软件完备性需求分析

4.3 TopoBench软件设计及需求实现

4.3.1 TopoBench整体功能实现

4.3.2 TopoBench整体架构设计及可扩展性需求实现

4.3.3 大规模微结构填充的性能需求实现

4.4 应用测试

4.4.1 封闭填充域点阵微结构填充测试

4.4.2 开放填充域点阵微结构填充测试

4.5 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

增材制造技术能够制备几何高度复杂的结构,保证了具有高承载效率的点阵填充结构的可制造性,催生了点阵填充结构的研发。研究点阵填充结构的建模方法,几何参数化描述形式以及生成可用于增材制造的模型文件,成为重要的研究课题。使用传统基于边界表达法的实体建模软件进行大规模点阵填充结构建模,会非常繁琐耗时,且在实体模型向面片STL模型转换时,会出现精度丢失、面片破洞等问题;并且所产生的模型文件缺乏参数化信息,无法与仿真优化过程有效衔接。另外,传统CAD建模软件在对大规模点阵填充结构进行交互渲染时,会遇到渲染卡顿、交互不畅等问题,严重影响建模效率。因此研究面向大规模点阵填充结构几何模型生成的快速算法及高效的可视化软件平台,具有重要意义。本文从大规模点阵填充结构的几何模型快速生成和高效可视化两方面展开,提出了基于单胞包围盒的点阵填充结构快速几何建模方法,实现了对面片模型、实体模型以及曲面模型的点阵填充结构建模;通过层次化显示技术和交互期面片消隐算法,实现了面片模型的动态简化,显著提升了点阵填充结构几何模型渲染时的帧速率;开发了大规模点阵填充结构交互式建模软件TopoBench。论文具体研究内容和成果如下: (1)异形结构点阵单胞包围盒生成算法。分析确认了决定点阵填充结构的关键配置参数和单胞几何参数,制定了点阵填充结构参数化模型的标准文件格式(.lat文件),以此为点阵填充结构建模提供核心数据文件;设计实现了面向封闭填充域和开放曲面填充域的单胞包围盒生成算法及点阵填充结构参数化模型生成算法; (2)点阵填充结构并行混合建模算法(paraHGM)。提出了一种直接生成点阵填充结构STL文件的并行混合建模算法,实现了点阵填充结构几何模型的快速自动生成,数值算例结果表明,该算法在满足几何模型生成功能的同时,具备良好的并行效果和加速比,建模效率得到很大地提升。 (3)大规模点阵填充结构快速交互可视化方法。利用层次化细节显示技术及交互期面片消隐算法,实现了面片模型的动态简化;结合顶点缓存对象技术,显著提升了大规模点阵填充结构几何模型渲染时的帧速率。数值算例验证了系列算法的有效性和高效性。 (4)开发了面向增材制造的点阵填充结构快速建模与高效可视化软件TopoBench。通过整合、封装本文实现的大规模点阵填充结构交互建模算法和快速可视化算法,开发了基于MVC(Model-View-Controller)架构体系的大规模点阵填充结构快速建模与高效可视化软件TopoBench,通过若干实例验证了软件在交互式点阵填充结构建模方面的可靠性和高效性。

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