本发明涉及梯度点阵结构设计领域，尤其涉及一种梯度点阵结构的设计优化方法及系统。
背景技术：
1、随着近几年柔性材料增材制造技术的进步，柔性梯度点阵结构在医疗、人体防护装备、柔性机器人、吸能装置、3d打印传感器等多个领域的研究快速展开。其中，刚性与柔性梯度点阵结构在个性化医疗器械方面具有极大的研究价值及应用前景，而个性化医疗器械对于梯度点阵结构的设计方法提出了苛刻的要求。
2、目前，主要的梯度点阵结构生成方法为采用拓扑优化的设计方法或采用均匀点阵结构的设计方法，采取拓扑优化的梯度点阵结构设计方法，无法用于生成柔性梯度点阵结构；未采用结构优化方法的梯度点阵结构设计方法，点阵结构的梯度力学性能依赖于设计经验，最终生成的梯度点阵结构受到设计的限制导致梯度点阵结构生成结果不准确。
技术实现思路
1、基于上述问题，本发明提出了一种梯度点阵结构的设计优化方法及系统，解决现有技术无法有效生成并优化柔性梯度点阵结构和过于依赖设计经验导致梯度点阵结构设计结果不准确的问题。
2、为实现上述目的，本发明实施例提供了一种梯度点阵结构的设计优化方法，包括：获取目标梯度点阵结构区域的边界，根据所述目标梯度点阵结构区域的边界，初始化设置第一设计参数；
3、通过在偏移域内对所述第一设计参数进行调整，获取粒子分布参数并生成点云；其中，所述偏移域根据所述目标梯度点阵结构区域的边界创建得到；
4、根据偏移域内四面体网格，通过预设拓扑结构关系对所述偏移域内四面体网格进行拓扑连接，得到所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构；其中，所述偏移域内四面体网格根据所述点云构建得到；
5、将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构投影至所述目标梯度点阵结构区域，将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构的拓扑关系更新至所述目标梯度点阵结构区域，得到投影后目标区域梯度点阵结构；
6、获取所述投影后目标区域梯度点阵结构的第二设计参数，更新调整所述第二设计参数直至最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构。
7、本发明实施例提出一种梯度点阵结构的设计优化方法，采用拥有任意外形轮廓的目标区域生成梯度点阵结构，无需裁切边界单元，保证边界单元的完整性，使得梯度点阵结构边界处的力学性能向内部实现平滑过渡，并且通过偏移域的设置，确保了边界处的梯度点阵结构单元大小与目标值相同；其次，梯度点阵结构的节点分布基于算法控制，可以自动化实现拥有各项异性力学性能的梯度点阵结构；同时，基于重心对偶的梯度点阵结构设计，每个节点与固定的四根杆相连，确保了生成梯度点阵结构的力学性能具有可控性；自动化优化梯度点阵结构的设计参数使得优化的梯度点阵结构能够满足预设力学性能要求；通过结合上述各个手段全自动的生成优化过程，有效的满足各种个性定制设计，各单元的设置分析优化，不依赖于设计经验，大大提高了梯度点阵结构设计的效率和准确度。
8、进一步的，所述获取目标梯度点阵结构区域的边界，根据所述目标梯度点阵结构区域的边界，初始化设置第一设计参数，具体为：
9、获取所述目标梯度点阵结构区域的边界；
10、根据所述目标梯度点阵结构区域的边界，初始化设置第一设计参数满足预设力学性能要求；其中，所述第一设计参数包括：椭球核函数的初始轴半径、初始轴分布方向和梯度点阵结构的初始杆直径。
11、进一步的，所述通过在偏移域内对所述第一设计参数进行调整，获取粒子分布参数并生成点云；其中，所述偏移域根据所述目标梯度点阵结构区域的边界创建得到，具体为：
12、根据所述偏移域，设置目标粒子分布域；其中，所述偏移域根据所述目标梯度点阵结构区域的边界创建得到；
13、根据所述目标粒子分布域，调整所述目标粒子分布域的第一设计参数符合所述偏移域的设计要求，得到粒子分布参数；
14、根据所述粒子分布参数生成点云。
15、进一步的，所述根据所述粒子分布参数生成点云，具体为：
16、根据椭球中心到椭球表面的距离、相邻粒子间坐标差和椭球的轴向分布，计算得到粒子间排斥力；
17、根据所述粒子间排斥力，通过结合所述粒子分布参数，得到所述点云；其中，所述点云可通过设置不同的所述粒子分布参数得到各向异性分布的点云。
18、进一步的，所述根据偏移域内四面体网格，通过预设拓扑结构关系对所述偏移域内四面体网格进行拓扑连接，得到所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构；其中，所述偏移域内四面体网格根据所述点云构建得到，具体为：
19、根据所述偏移域内四面体网格，寻找各个四面体的相邻四面体，连接所述各个四面体与所述相邻四面体的重心，得到所述偏移域内梯度点阵结构的内部结构；
20、根据所述偏移域内四面体网格，寻找边界四面体以及表面三角形，连接所述边界四面体以及所述表面三角形的重心，得到所述偏移域内梯度点阵结构内部与表面的连接结构；
21、根据所述偏移域内四面体网格，寻找表面三角形及所述表面三角形的相邻表面三角形，连接所述表面三角形及所述表面三角形的相邻表面三角形的重心，得到所述偏移域内梯度点阵结构的表面结构；
22、当确定历遍所述偏移域内四面体网格，结合所述偏移域内梯度点阵结构的内部结构、所述偏移域内梯度点阵结构内部与表面的连接结构和所述偏移域内梯度点阵结构的表面结构，得到所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构。
23、进一步的，所述将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构投影至所述目标梯度点阵结构区域，将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构的拓扑关系更新至所述目标梯度点阵结构区域，得到投影后目标区域梯度点阵结构，具体为：
24、遍历所述偏移域内梯度点阵结构的表面结构与所述目标梯度点阵结构区域的边界对应的结构并进行投影，得到对应投影结构；
25、更新所述对应投影结构为所述偏移域内梯度点阵结构的表面结构，并基于所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构的拓扑关系，构建投影后梯度点阵结构的拓扑关系，得到投影后目标区域梯度点阵结构。
26、进一步的，所述获取所述投影后目标区域梯度点阵结构的第二设计参数，更新调整所述第二设计参数直至所述投影后目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构，具体为：
27、通过仿真或实验获取所述投影后目标区域梯度点阵结构的第二设计参数；
28、当确定所述投影后目标区域梯度点阵结构不满足预设力学性能要求，调整更新所述第二设计参数直至所述最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构；
29、当确定所述投影后目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构。
30、进一步的，所述调整更新所述第二设计参数直至所述最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，具体为：
31、调整所述第二设计参数，更新所述点云、所述偏移域内四面体网格和所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构和所述投影后目标区域梯度点阵结构直至所述最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求。
32、本发明还提供一种梯度点阵结构的设计优化系统，包括：初始化模块、点云生成模块、对偶结构构建模块、投影模块和结果优化模块；
33、所述初始化模块用于获取目标梯度点阵结构区域的边界，根据所述目标梯度点阵结构区域的边界，初始化设置第一设计参数；
34、所述点云生成模块用于通过在偏移域内对所述第一设计参数进行调整，获取粒子分布参数并生成点云；其中，所述偏移域根据所述目标梯度点阵结构区域的边界创建得到；
35、所述对偶结构构建模块用于根据偏移域内四面体网格，通过预设拓扑结构关系对所述偏移域内四面体网格进行拓扑连接，得到所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构；其中，所述偏移域内四面体网格根据所述点云构建得到；
36、所述投影模块用于将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构投影至所述目标梯度点阵结构区域，将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构的拓扑关系更新至所述目标梯度点阵结构区域，得到投影后目标区域梯度点阵结构；
37、所述结果优化模块用于获取所述投影后目标区域梯度点阵结构的第二设计参数，更新调整所述第二设计参数直至最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构。
38、本发明实施例提出的一种梯度点阵结构的设计优化系统，采用初始化模块生成任意外形轮廓的目标区域，有效保证边界单元的完整性，使得梯度点阵结构边界处的力学性能向内部实现平滑过渡；通过偏移调整模块对偏移域进行设置，确保了边界处的梯度点阵结构单元大小与目标值相同；通过点云生成模块和四面体网格生成模块实现基于算法控制的梯度点阵结构节点分布，可以自动化实现拥有各项异性力学性能的梯度点阵结构；采用对偶结构构建模块实现每个节点与固定的四根杆相连，确保了生成梯度点阵结构的力学性能具有可控性；最后，优化结果生成模块自动化优化梯度点阵结构的设计参数使得优化的梯度点阵结构能够满足预设力学性能要求。通过各模块的相辅相成能够满足各种个性定制设计，不依赖于设计经验，大大提高了梯度点阵结构设计的效率和准确度。
39、进一步的，所述初始化模块用于获取目标梯度点阵结构区域的边界，根据所述目标梯度点阵结构区域的边界，初始化设置第一设计参数，还包括：
40、目标边界获取单元和第一参数设置单元；
41、所述目标边界获取单元用于获取所述目标梯度点阵结构区域的边界；
42、所述第一参数设置单元用于根据所述目标梯度点阵结构区域的边界，初始化设置第一设计参数满足预设力学性能要求；其中，所述第一设计参数包括：椭球核函数的初始轴半径、初始轴分布方向和梯度点阵结构的初始杆直径。
43、进一步的，所述点云生成模块用于通过在偏移域内对所述第一设计参数进行调整，获取粒子分布参数并生成点云；其中，所述偏移域根据所述目标梯度点阵结构区域的边界创建得到，还包括：
44、粒子分布域获取单元、第二参数设置单元和点云生成单元；
45、所述粒子分布域获取单元用于根据所述偏移域，设置目标粒子分布域；其中，所述偏移域根据所述目标梯度点阵结构区域的边界创建得到；
46、所述第二参数设置单元用于根据所述目标粒子分布域，调整所述目标粒子分布域的第一设计参数符合所述偏移域的设计要求，得到粒子分布参数；
47、所述点云生成单元用于根据所述粒子分布参数生成点云。
48、进一步的，所述点云生成单元用于根据所述粒子分布参数生成点云，还包括：
49、粒子间排斥力计算子单元和点云获取子单元；
50、所述粒子间排斥力计算子单元用于根据椭球中心到椭球表面的距离、相邻粒子间坐标差和椭球的轴向分布，计算得到粒子间排斥力；
51、所述点云获取子单元用于根据所述粒子间排斥力，通过结合所述粒子分布参数，得到所述点云；其中，所述点云可通过设置不同的所述粒子分布参数得到各向异性分布的点云。
52、进一步的，所述对偶结构构建模块用于根据偏移域内四面体网格，通过预设拓扑结构关系对所述偏移域内四面体网格进行拓扑连接，得到所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构；其中，所述偏移域内四面体网格根据所述点云构建得到，还包括：
53、内部结构获取单元、内部与表面连接结构获取单元、表面结构获取单元和对偶结构获取单元；
54、所述内部结构获取单元用于根据所述偏移域内四面体网格，寻找各个四面体的相邻四面体，连接所述各个四面体与所述相邻四面体的重心，得到所述偏移域内梯度点阵结构的内部结构；
55、所述内部与表面连接结构获取单元用于根据所述偏移域内四面体网格，寻找边界四面体以及表面三角形，连接所述边界四面体以及所述表面三角形的重心，得到所述偏移域内梯度点阵结构内部与表面的连接结构；
56、所述表面结构获取单元用于根据所述偏移域内四面体网格，寻找表面三角形及所述表面三角形的相邻表面三角形，连接所述表面三角形及所述表面三角形的相邻表面三角形的重心，得到所述偏移域内梯度点阵结构的表面结构；
57、所述对偶结构获取单元用于当确定历遍所述偏移域内四面体网格，结合所述偏移域内梯度点阵结构的内部结构、所述偏移域内梯度点阵结构内部与表面的连接结构和所述偏移域内梯度点阵结构的表面结构，得到所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构。
58、进一步的，所述投影模块用于将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构投影至所述目标梯度点阵结构区域，将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构的拓扑关系更新至所述目标梯度点阵结构区域，得到投影后目标区域梯度点阵结构，还包括：
59、投影点获取单元和投影梯度点阵结构生成单元；
60、所述投影点获取单元用于遍历所述偏移域内梯度点阵结构的表面结构与所述目标梯度点阵结构区域的边界对应的结构并进行投影，得到对应投影结构；
61、所述投影梯度点阵结构生成单元用于更新所述对应投影结构为所述偏移域内梯度点阵结构的表面结构，并基于所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构的拓扑关系，构建投影后梯度点阵结构的拓扑关系，得到投影后目标区域梯度点阵结构。
62、进一步的，所述结果优化模块用于获取所述投影后目标区域梯度点阵结构的第二设计参数，更新调整所述第二设计参数直至最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构，还包括：
63、第二设计参数获取单元和参数判断及结果获取单元；
64、所述第二设计参数获取单元用于通过仿真或实验获取所述投影后目标区域梯度点阵结构的第二设计参数；
65、所述参数判断及结果获取单元用于当确定所述投影后目标区域梯度点阵结构不满足预设力学性能要求，调整更新所述第二设计参数直至所述最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构；当确定所述投影后目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构。
66、进一步的，所述参数判断及结果获取单元，还包括：
67、结构调整子单元；
68、所述结构调整子单元用于调整所述第二设计参数，更新所述点云、所述偏移域内四面体网格和所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构和所述投影后目标区域梯度点阵结构直至所述最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求。
1.一种梯度点阵结构的设计优化方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种梯度点阵结构的设计优化方法，其特征在于，所述获取目标梯度点阵结构区域的边界，根据所述目标梯度点阵结构区域的边界，初始化设置第一设计参数，具体为：
3.如权利要求2所述的一种梯度点阵结构的设计优化方法，其特征在于，所述通过在偏移域内对所述第一设计参数进行调整，获取粒子分布参数并生成点云；其中，所述偏移域根据所述目标梯度点阵结构区域的边界创建得到，具体为：
4.如权利要求3所述的一种梯度点阵结构的设计优化方法，其特征在于，所述根据所述粒子分布参数生成点云，还包括：
5.如权利要求4所述的一种梯度点阵结构的设计优化方法，其特征在于，所述根据偏移域内四面体网格，通过预设拓扑结构关系对所述偏移域内四面体网格进行拓扑连接，得到所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构；其中，所述偏移域内四面体网格根据所述点云构建得到，具体为：
6.如权利要求5所述的一种梯度点阵结构的设计优化方法，其特征在于，所述将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构投影至所述目标梯度点阵结构区域，将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构的拓扑关系更新至所述目标梯度点阵结构区域，得到投影后目标区域梯度点阵结构，具体为：
7.如权利要求6所述的一种梯度点阵结构的设计优化方法，其特征在于，所述获取所述投影后目标区域梯度点阵结构的第二设计参数，更新调整所述第二设计参数直至所述投影后目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构，具体为：
8.如权利要求7所述的一种梯度点阵结构的设计优化方法，其特征在于，所述调整更新所述第二设计参数直至所述最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，具体为：
9.一种梯度点阵结构的设计优化系统，其特征在于，包括：
10.如权利要求9所述的一种梯度点阵结构的设计优化系统，其特征在于，所述初始化模块用于获取目标梯度点阵结构区域的边界，根据所述目标梯度点阵结构区域的边界，初始化设置第一设计参数，还包括：
11.如权利要求10所述的一种梯度点阵结构的设计优化系统，其特征在于，所述点云生成模块用于通过在偏移域内对所述第一设计参数进行调整，获取粒子分布参数并生成点云；其中，所述偏移域根据所述目标梯度点阵结构区域的边界创建得到，还包括：
12.如权利要求11所述的一种梯度点阵结构的设计优化系统，其特征在于，所述点云生成单元用于根据所述粒子分布参数，获取粒子分布参数并生成点云，还包括：
13.如权利要求12所述的一种梯度点阵结构的设计优化系统，其特征在于，所述对偶结构构建模块用于根据偏移域内四面体网格，通过预设拓扑结构关系对所述偏移域内四面体网格进行拓扑连接，得到所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构；其中，所述偏移域内四面体网格根据所述点云构建得到，还包括：
14.如权利要求13所述的一种梯度点阵结构的设计优化系统，其特征在于，所述投影模块用于将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构投影至所述目标梯度点阵结构区域，将所述偏移域内重心对偶的梯度点阵结构的拓扑关系更新至所述目标梯度点阵结构区域，得到投影后目标区域梯度点阵结构，还包括：
15.如权利要求14所述的一种梯度点阵结构的设计优化系统，其特征在于，所述结果优化模块用于获取所述投影后目标区域梯度点阵结构的第二设计参数，更新调整所述第二设计参数直至最终目标区域梯度点阵结构满足预设力学性能要求，得到优化后的梯度点阵结构，还包括：
16.如权利要求15所述的一种梯度点阵结构的设计优化系统，其特征在于，所述参数判断及结果获取单元，还包括：
