本发明属于点阵结构性能表征相关，更具体地，涉及一种非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法与设备。
背景技术：
1、点阵结构是一种由微结构重复排列构成的有序结构，具有力学性能优异且轻质的优点，广泛应用于航空航天航海、轨道交通等领域。当点阵结构用于复杂曲面结构设计时，设计域的非规则性需要引起微结构的随形设计，可通过共形几何映射、等参映射等方法进行规则微结构变形匹配。但点阵结构的性能主要由代表性体积单元(微结构)构型及其分布形式决定，变形后的结构无法在规则域中表达，导致无法采用传统的方法进行弹性性能的计算。
2、均匀化方法是一种常见的用于计算微结构力学属性的性能表征方法，其输入信息为微结构的空间密度分布，输出为微结构的等效弹性矩阵。然而，通过共形几何映射、等参映射等方法变形后的非规则异形微结构，通常只能以离散模型(如.stl、.mesh格式等)的方式进行表达，无法直接生成以矩阵表示的空间密度分布信息，导致微结构等效性能表征困难，进而影响点阵结构的高性能与精细化设计。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法与设备，其能够克服共形几何映射、等参映射等方法变形后的非规则异形微结构性能表征困难的问题。
2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，该方法包括以下步骤：
3、(1)将微结构的三角离散网格模型转换为实体对象模型，进而对实体对象模型进行网格划分，控制单元尺寸大小为结构xyz三个方向中最大长度的a％，从而获取网格节点坐标及索引，进而构建与得到的网格节点坐标的大小区间同比例尺寸的三维正交笛卡尔坐标网格；其中，a为0.1～1；
4、(2)通过对实体网格坐标近似取整得到结构膨胀覆盖区域的网格点集；同时，将离散网格模型的坐标缩放至与笛卡尔坐标同比例大小并计算结构的三角离散网格模型中三角面片的中心点坐标，并通过向下近似取整获取面片在网格中的近似中心点，进而将与面片中心点距离最近的8个网格点构造为过滤蒙版，进而获得所有过滤蒙版的网格点中位于结构外的外部网格点集；
5、(3)基于结构膨胀覆盖区域的网格点集及过滤蒙版中位于结构外部的网格点集，采用布尔运算以获得结构模型内部的内部网格点集；
6、(4)遍历每个笛卡尔坐标网格点与三角离散网格模型中所有三角面片中心点的最小距离，将位于微结构内部的网格点的最小距离置负，得到每个网格点的符号距离；
7、(5)基于符号距离计算每个单元的单元密度，进而得到非规则异形微结构的密度矩阵；
8、(6)根据非规则异形微结构的密度矩阵计算结构的体积分数及等效弹性矩阵，基于得到的体积分数对等效弹性矩阵做归一化处理，得到原结构的等效弹性矩阵，进而得到非规则异形微结构在三个主轴方向的弹性模量。
9、进一步地，根据实体网格建立同比例尺寸的三维正交笛卡尔坐标网格，读取网格节点坐标，查询所有坐标中x,y,z三个坐标的最大值和最小值，计算三个方向上三个坐标最大值与最小值之差，得到结构x,y,z三个方向的尺寸sx,sy,sz：
10、sx＝xmax-xmin
11、sy＝ymax-ymin
12、sz＝zmax-zmin
13、构造尺寸为sx×sy×sz的三维正交笛卡尔坐标网格；
14、将全部网格节点坐标数据按四舍五入近似取整，匹配到坐标网格点；在近似取整后的节点中剔除重复节点的坐标数据，得到结构膨胀覆盖区域的网格点集xexpand。
15、进一步地，读取三角离散网格模型中三角面信息，包括每个三角面片的三个角点位置和法向量，对结构离散网格模型的网格节点坐标数据进行归一化处理，归一化所采用的公式为：
16、
17、式中x＝(x,y,z)为网格节点的x,y,z三个坐标值，xmax和xmin分别为所有坐标值的最大值和最小值，使用该方法将坐标数据归一化到区间[0～1]，然后将坐标放大至与笛卡尔坐标同比例大小。
18、进一步地，根据归一化处理后的三角离散网格模型中三角面片的三个角点位置坐标数据计算每个三角面片的中心点坐标：
19、
20、
21、
22、式中xn,yn,zn分别为每个三角面片的三个角点的x,y,z坐标，xcenter＝(xcenter,ycenter,zcenter)为三角面片的中心点坐标；
23、将得到的所有三角面片中心点坐标向下取整，得到面片在网格中的近似中心点。
24、进一步地，将与面片中心点距离最近的8个网格点构造为过滤蒙版，8个网格点坐标如下：
25、
26、式中xi,yi,zi为s6中三角面片在网格中的近似中心点。
27、进一步地，根据三角面片的中心点与法向量判断过滤蒙版中的网格点与微结构模型的空间位置关系，获得所有过滤蒙版的网格点中位于结构外部的网格点集xout。
28、进一步地，计算过滤蒙版中8个网格点与面中心点构成的向量，并与三角面法向量做内积运算：
29、ni＝(xfilter-xcenter,yfilter-ycenter,yfilter-ycenter),(i＝1,2,...,8)
30、ki＝ni·nd＝(xi,yi,zi)·(xd,yd,zd)＝xixd+yiyd+zizd
31、式中nd为三角离散网格模型中三角面片的法向量，ki为内积计算结果；
32、通过ki的正负性判断过滤蒙版中8个网格点与非规则异形微结构的空间位置关系：若结果为正，则将该点记为非规则异形微结构实体外部点，若结果为负，则将该点记为微结构实体内部点；
33、计算结构膨胀覆盖区域的网格点集与结构外部网格点集的交集：
34、xoutsub＝xexpand∩xout
35、在结构膨胀覆盖区域的网格点集中删除该交集，得到剩余点为实体内部点集：
36、xinter＝xexpand-xoutsub。
37、进一步地，将空间中沿三个坐标轴方向相邻的每八个网格节点构造为一个密度单元，通过八个节点的符号距离计算每个单元的单元密度，得到非规则异形微结构的密度矩阵；对非规则异形微结构的等效弹性矩阵求逆，得到结构的柔度系数矩阵s，进而求得非规则异形微结构在x,y,z三个主轴方向的弹性模量：
38、
39、
40、本发明还提供了一种非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征设备，所述设备包括存储器及处理器，所述存储器储存有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如上所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法。
41、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法与设备主要具有以下有益效果：
42、1.本发明利用微结构三角网格离散模型的有限元网格确定结构的膨胀覆盖区域网格点集，结合三角面片法向量和构造的过滤蒙版确定非规则异形微结构内部的网格点，相较于现有的遍历空间全部网格点的方法，提高了求解网格点与非规则异形微结构相对空间位置的计算效率。
43、2.本发明利用结构的三角离散模型信息和有限元网格信息计算得到结构已符号距离函数表达的隐式模型，实现了非规则异形微结构离散模型的高效几何重构，进而完成了基于重构的微结构性能表征。
44、3.本发明解决了非规则异形微结构等效弹性性能表征难的问题，无需通过有限元仿真或者实验方法表征微结构性能，简化了非规则异形微结构性能表征的步骤，提高了性能求解的效率。
1.一种非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，其特征在于：根据实体网格建立同比例尺寸的三维正交笛卡尔坐标网格，读取网格节点坐标，查询所有坐标中x,y,z三个坐标的最大值和最小值，计算三个方向上三个坐标最大值与最小值之差，得到结构x,y,z三个方向的尺寸sx,sy,sz：
3.如权利要求1所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，其特征在于：读取三角离散网格模型中三角面信息，包括每个三角面片的三个角点位置和法向量，对结构离散网格模型的网格节点坐标数据进行归一化处理，归一化所采用的公式为：
4.如权利要求3所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，其特征在于：根据归一化处理后的三角离散网格模型中三角面片的三个角点位置坐标数据计算每个三角面片的中心点坐标：
5.如权利要求1所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，其特征在于：将与面片中心点距离最近的8个网格点构造为过滤蒙版，8个网格点坐标如下：
6.如权利要求5所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，其特征在于：根据三角面片的中心点与法向量判断过滤蒙版中的网格点与微结构模型的空间位置关系，获得所有过滤蒙版的网格点中位于结构外部的网格点集xout。
7.如权利要求6所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，其特征在于：计算过滤蒙版中8个网格点与面中心点构成的向量，并与三角面法向量做内积运算：
8.如权利要求7所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法，其特征在于：将空间中沿三个坐标轴方向相邻的每八个网格节点构造为一个密度单元，通过八个节点的符号距离计算每个单元的单元密度，得到非规则异形微结构的密度矩阵；对非规则异形微结构的等效弹性矩阵求逆，得到结构的柔度系数矩阵s，进而求得非规则异形微结构在x,y,z三个主轴方向的弹性模量：
9.一种非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征设备，其特征在于：所述设备包括存储器及处理器，所述存储器储存有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行权利要求1-8任一项所述的非规则异形微结构离散模型的重构与性能表征方法。
