開源免費使用，Artisan點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計計算引擎

來源： 另維工匠

導(dǎo)讀：增材制造中的點陣結(jié)構(gòu)（也稱晶格結(jié)構(gòu)）是一種通過將材料以一定的空間間隔放置成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由一系列相互連接的點陣單元構(gòu)成的，這些點陣單元的數(shù)量、形狀和排列方式可以在設(shè)計階段進行優(yōu)化。點陣結(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。

點陣結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)勢，其中最重要的是其輕量化特性。點陣結(jié)構(gòu)可以通過減少材料的使用來減輕組件的重量，從而降低制造成本并提高組件的運行效率。點陣結(jié)構(gòu)還可以在受到?jīng)_擊時通過塑性形變來吸收能量，從而提高組件的抗沖擊性能。通過對點陣單元的微觀設(shè)計可以實現(xiàn)宏觀設(shè)計期望的宏觀機械或者熱傳導(dǎo)性能。點陣結(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。點陣結(jié)構(gòu)可以為設(shè)計帶來更多的自由度和更好的性能，因此在航空航天、汽車和醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計是一個重要的挑戰(zhàn)。當(dāng)前主流設(shè)計趨勢是通過隱式建模技術(shù)，簡化幾何形狀的計算。Artisan是一種基于隱式建模技術(shù)的點陣晶格結(jié)構(gòu)生成工具。其底層代碼是基于Python和C++，以結(jié)合開發(fā)速度和計算效率。Artisan通過C++代碼運行大部分重要的數(shù)學(xué)運算，并通過Python進行常規(guī)計算和組織軟件結(jié)構(gòu)。

△Artisan生成的點陣填充鞋中底

△完全基于四面體劃分的共形映射點陣結(jié)構(gòu)

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

用戶定義的stl幾何單元填充

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

△一個簡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)格點陣，或者是四面體點陣填充。Artisan暫時只支持Salome軟件med格式下六面體網(wǎng)格網(wǎng)格共形映射，未來將逐步開發(fā)對其他主流軟件的網(wǎng)格格式的支持。需要提到一點的是，Artisan對共形映射類和網(wǎng)格類計算通過特定算法做了一定速度方面的優(yōu)化，尤其是對網(wǎng)格類點陣計算，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點陣計算。

△網(wǎng)格結(jié)構(gòu)點陣

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

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

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

Artisan當(dāng)前一個重要的開發(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，一個汽車轉(zhuǎn)向節(jié)（俗稱羊角）的四面體網(wǎng)格點陣填充根據(jù)有限元分析結(jié)果的應(yīng)力場做了局部材料增強（此示例僅為樣例，和任何產(chǎn)品設(shè)計無關(guān)）。

△轉(zhuǎn)向節(jié)點陣局部增強

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

獨立運行包，內(nèi)核包和在線文檔可以通過以下地址下載：
http://bleemsys.com/Artisan.html

在線文檔：
http://bleemsys.com/Artisan/docs/index.html

支持操作系統(tǒng): Windows 10 or above.
Python版本：Python 3.9.7
Artisan當(dāng)前版本：0.1.4