面向增材制造的仿生微结构建模及质量检测技术研究

论文摘要

随着增材制造技术的快速发展,设计过程不再受制造的约束,可以设计更多具有优良力学性能或是具有特殊功能的零部件。晶格是一类具有诸多优良力学特性的结构,具有轻质、高比强和多功能等特点,成为增材制造设计研究的热点。本文面向增材制造的晶格点阵微结构力学性能驱动的建模方法及质量检测技术进行了研究,主要的研究内容如下:(1)针对增材制件高硬度与高韧性不可共存的问题,提出了多级晶格力学性能建模方法。建立了单级和多级晶格力学分析模型,使用水平集方法实现梯度建模并解决了晶格间的连接问题,利用有限元应力云图驱动晶格孔隙率变化以实现力学性能调控,最后将该方法运用于生物模型的制作,并验证了模型的有效性。(2)针对增材制造复杂点阵镂空结构特征几何尺寸提取困难和稳定性不足等问题,提出了一种基于三维骨架特征线识别的点阵几何尺寸快速检测方法,具有较强的抗噪声能力和优良的鲁棒性。算法与高精度设备对晶格尺寸测量结果相似度约为90%,具有较高的测量准确度。(3)针对晶格点阵微结构内部杆件表面粗糙度无法测量的问题,提出基于MicroCT影像切片轮廓的增材制造晶格点阵微结构表面粗糙度检测技术,结合Harris角点检测技术将晶格上下表面轮廓进行分离,并构建了增材制造晶格点阵微结构表面粗糙度数学模型,实验表明该方法误差率仅为10.91%,具有较高的测量精度。以VS2013作为软件开发平台,基于OpenCV计算机视觉库,开发了增材制造晶格点阵微结构尺寸特征以及表面质量检测的软件模块,并取得了较好的量化评价效果。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 缩略词
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 仿生微结构建模技术研究现状
•     1.2.1 非周期性微结构几何建模技术
•     1.2.2 周期性微结构几何建模技术
•   1.3 增材制造点阵结构无损检测技术研究现状
•     1.3.1 CT影像边缘轮廓提取技术
•     1.3.2 表面粗糙度检测技术
•   1.4 本文选题背景及研究内容
•     1.4.1 选题背景及意义
•     1.4.2 本文研究内容
• 第二章 多级晶格仿生微结构力学性能建模技术
•   2.1 引言
•   2.2 晶格结构设计
•     2.2.1 均质化理论
•     2.2.2 晶格模型族构建
•     2.2.3 多级晶格微结构力学性能调控原理
•   2.3 多级微结构建模
•     2.3.1 多级晶格填充
•     2.3.2 基于水平集的梯度建模方法
•     2.3.3 空间力学性能调控
•   2.4 实验及分析
•     2.4.1 压力实验
•     2.4.2 冲击实验
•   2.5 多级仿生微结构设计案例
•   2.6 本章小结
• 第三章 三维打印晶格点阵结构几何尺寸特征检测技术
•   3.1 引言
•   3.2 适用晶格标准
•   3.3 CT切片图像数据处理
•   3.4 图像表面轮廓提取技术
•   3.5 基于三维骨架线的点阵尺寸特征检测技术
•     3.5.1 数据结构构建
•     3.5.2 点阵结构夹角尺寸检测
•     3.5.3 点阵结构周期间距尺寸检测
•   3.6 误差分析
•     3.6.1 数据获取误差
•     3.6.2 随机误差
•   3.7 实验及分析
•     3.7.1 相同模型制造设备不同材质的数据对比
•     3.7.2 相同模型制造设备不同尺寸的数据对比
•   3.8 本章小结
• 第四章 三维打印晶格点阵结构表面粗糙度检测技术
•   4.1 引言
•   4.2 SLM金属增材制件表面粗糙度检测技术
•     4.2.1 触针式表面粗糙度测量技术
•     4.2.2 基于光学轮廓测量的表面粗糙度检测技术
•     4.2.3 基于切片层厚预测的表面粗糙度测量技术
•     4.2.4 基于MicroCT的表面粗糙度测量技术
•   4.3 点阵结构杆件上下表面轮廓提取技术
•     4.3.1 基于Harris角点检测的上下表面轮廓分离技术
•     4.3.2 面向SLM点阵结构的角点检测优化技术
•   4.4 点阵结构粗糙度计算数学模型
•     4.4.1 理想状态下点阵结构表面粗糙度数学模型
•     4.4.2 真实状态下点阵结构表面粗糙度数学模型
•   4.5 表面粗糙度误差分析
•     4.5.1 图像阶梯效应所引起的误差
•     4.5.2 表面粗糙度数值统计误差
•   4.6 实验及分析
•     4.6.1 表面粗糙度测量技术指标合理性评价
•     4.6.2 实验结果分析
•   4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 喻长江

导师: 程筱胜

关键词: 仿生微结构,晶格点阵结构,增材制造,几何尺寸,粗糙度测量

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,计算机软件及计算机应用

单位: 南京航空航天大学

分类号: TP391.41;Q811

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.001654

总页数: 70

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