Efficient Representation and Optimization for TPMS-Based Porous Structures

拓扑优化 拓扑(电路) 可控性 壳体(结构) 计算机科学 六面体 多孔性 平滑度 几何学 有限元法 材料科学 数学 机械工程 工程类 数学分析 结构工程 应用数学 组合数学 复合材料
作者
Jiangbei Hu,Shengfa Wang,Baojun Li,Fengqi Li,Zhongxuan Luo,Ligang Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:28 (7): 2615-2627 被引量:26
标识
DOI:10.1109/tvcg.2020.3037697
摘要

In this approach, we present an efficient topology and geometry optimization of triply periodic minimal surfaces (TPMS) based porous shell structures, which can be represented, analyzed, optimized and stored directly using functions. The proposed framework is directly executed on functions instead of remeshing (tetrahedral/hexahedral), and this framework substantially improves the controllability and efficiency. Specifically, a valid TPMS-based porous shell structure is first constructed by function expressions. The porous shell permits continuous and smooth changes of geometry (shell thickness) and topology (porous period). The porous structures also inherit several of the advantageous properties of TPMS, such as smoothness, full connectivity (no closed hollows), and high controllability. Then, the problem of filling an object's interior region with porous shell can be formulated into a constraint optimization problem with two control parameter functions. Finally, an efficient topology and geometry optimization scheme is presented to obtain optimized scale-varying porous shell structures. In contrast to traditional heuristic methods for TPMS, our work directly optimize both the topology and geometry of TPMS-based structures. Various experiments have shown that our proposed porous structures have obvious advantages in terms of efficiency and effectiveness.
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