開(kāi)源免費(fèi)使用，Artisan點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算引擎

來(lái)源： 另維工匠

導(dǎo)讀：增材制造中的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（也稱(chēng)晶格結(jié)構(gòu)）是一種通過(guò)將材料以一定的空間間隔放置成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由一系列相互連接的點(diǎn)陣單元構(gòu)成的，這些點(diǎn)陣單元的數(shù)量、形狀和排列方式可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以用于制造許多不同的組件，例如支撐結(jié)構(gòu)、隔熱層、復(fù)合材料和醫(yī)療植入物等。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)勢(shì)，其中最重要的是其輕量化特性。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以通過(guò)減少材料的使用來(lái)減輕組件的重量，從而降低制造成本并提高組件的運(yùn)行效率。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)還可以在受到?jīng)_擊時(shí)通過(guò)塑性形變來(lái)吸收能量，從而提高組件的抗沖擊性能。通過(guò)對(duì)點(diǎn)陣單元的微觀(guān)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)宏觀(guān)設(shè)計(jì)期望的宏觀(guān)機(jī)械或者熱傳導(dǎo)性能。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有高度的表面積，因此可以增加組件的傳熱能力，例如在熱交換器中使用。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以為設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的自由度和更好的性能，因此在航空航天、汽車(chē)和醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。當(dāng)前主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)是通過(guò)隱式建模技術(shù)，簡(jiǎn)化幾何形狀的計(jì)算。Artisan是一種基于隱式建模技術(shù)的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)生成工具。其底層代碼是基于Python和C++，以結(jié)合開(kāi)發(fā)速度和計(jì)算效率。Artisan通過(guò)C++代碼運(yùn)行大部分重要的數(shù)學(xué)運(yùn)算，并通過(guò)Python進(jìn)行常規(guī)計(jì)算和組織軟件結(jié)構(gòu)。

△Artisan生成的點(diǎn)陣填充鞋中底

△完全基于四面體劃分的共形映射點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

Artisan支持周期性點(diǎn)陣，網(wǎng)格點(diǎn)陣，共形映射點(diǎn)陣。用戶(hù)可以使用集成點(diǎn)陣單元和自定義點(diǎn)陣單元，例如TPMS類(lèi)型的數(shù)學(xué)公式，或者是獨(dú)立的stl幾何，亦或者是自定義點(diǎn)線(xiàn)連接的梁柱結(jié)構(gòu)類(lèi)型的單元（strut)。

用戶(hù)定義的stl幾何單元填充

用戶(hù)可以通過(guò)JSON文件自定義點(diǎn)陣生成步驟。所有的點(diǎn)陣生成過(guò)程具有可再?gòu)?fù)制性，結(jié)構(gòu)清晰明了，可追溯性強(qiáng)。單元幾何特點(diǎn)和最終點(diǎn)陣生成完全由參數(shù)控制。第三方軟件可以非常簡(jiǎn)單導(dǎo)入導(dǎo)出JSON設(shè)置，并通過(guò)控制參數(shù)值來(lái)生成最終結(jié)果。

{"Setup":{      "Type" : "Geometry",
                "Geomfile": ".//sample-obj//Parts02//Parts02.stl",
                "Rot" : [0.0,0.0,0.0],
                "res":[0.8,0.8,0.8],
    "Padding": 3,
                "onGPU": false,
                "memorylimit": 16106127360
                },
"WorkFlow":{
          "1": {"Add_Lattice":{
                    "la_name": "Cubic", "size": [10.0,10.0,10.0], "thk":1.5, "Inv": false, "Fill": true,
                    "Cube_Request": {}
                    }
               },
          "2" :{"HS_Interpolate" : {
                    "la_name": ".//Test_json//CombinedLattices//Parts02_Mesh_Infill_LR.mld",
                    "size": [4.0,4.0,4.0],
                    "thk": 1.5, "pt":[0.0,0.0,0.0],
                    "n_vec":[-1.0,0.0,0.0], "Fill": false, "Cube_Request": {}
                    }},
          "3":{"Export": {"outfile": ".//Test_results/Parts02_Combined_Infill.stl"}}
           },
"PostProcess":{"CombineMeshes": true,
                "RemovePartitionMeshFile": false,
                "RemoveIsolatedParts": true,
                "ExportLazPts": false}
}

△一個(gè)簡(jiǎn)單的共形映射雙拼結(jié)構(gòu)

Artisan可以讀入Ansys, Abaqus和Salome生成的四面體網(wǎng)格，用以生成下圖的網(wǎng)格點(diǎn)陣，或者是四面體點(diǎn)陣填充。Artisan暫時(shí)只支持Salome軟件med格式下六面體網(wǎng)格網(wǎng)格共形映射，未來(lái)將逐步開(kāi)發(fā)對(duì)其他主流軟件的網(wǎng)格格式的支持。需要提到一點(diǎn)的是，Artisan對(duì)共形映射類(lèi)和網(wǎng)格類(lèi)計(jì)算通過(guò)特定算法做了一定速度方面的優(yōu)化，尤其是對(duì)網(wǎng)格類(lèi)點(diǎn)陣計(jì)算，在給定的最優(yōu)條件下，如下圖示例十幾秒就可完成了整個(gè)點(diǎn)陣計(jì)算。

△網(wǎng)格結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣

Artisan內(nèi)含雙點(diǎn)陣（多點(diǎn)陣）融合算法。算法會(huì)將給定點(diǎn)陣自然融合當(dāng)前設(shè)計(jì)主點(diǎn)陣填充樣式中，或者通過(guò)橋接點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)逐步將兩者融合。

△幾何結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣和Cubic單元在共形映射的狀態(tài)下融合

Artisan考慮到計(jì)算資源的消耗的限制和規(guī)劃。隱式建模計(jì)算的一大特點(diǎn)就是海量?jī)?nèi)存消耗和大量的網(wǎng)格計(jì)算，普通用戶(hù)需要配置高端機(jī)器才能達(dá)到比較好的用戶(hù)體驗(yàn)。Artisan自身內(nèi)置的分割計(jì)算方式可以將整個(gè)計(jì)算區(qū)域按照用戶(hù)設(shè)定的內(nèi)存分割計(jì)算，輸出面幾何后再做合并處理。這樣普通內(nèi)存大小的機(jī)器也可以比較順利地做應(yīng)用設(shè)計(jì)。Artisan關(guān)鍵字部分支持GPU計(jì)算，用以減少對(duì)CPU資源的消耗和加速計(jì)算。

Artisan當(dāng)前一個(gè)重要的開(kāi)發(fā)方向是支持和分析軟件的交互和分析結(jié)果的數(shù)據(jù)應(yīng)用。例如，下面的例子中，一個(gè)汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)（俗稱(chēng)羊角）的四面體網(wǎng)格點(diǎn)陣填充根據(jù)有限元分析結(jié)果的應(yīng)力場(chǎng)做了局部材料增強(qiáng)（此示例僅為樣例，和任何產(chǎn)品設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)）。

△轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)陣局部增強(qiáng)

Artisan是閉源保留版權(quán)的軟件，非商業(yè)用戶(hù)可以根據(jù)Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported (CC BY-NC-ND 3.0)授權(quán)自由免費(fèi)使用。

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在線(xiàn)文檔：
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Python版本：Python 3.9.7
Artisan當(dāng)前版本：0.1.4