本技術(shù)屬于增材制造，更具體地，涉及用于增材制造連續(xù)纖維的多因素約束路徑規(guī)劃方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、基于熔融沉積成型（fdm）的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（cfrc）3d打印技術(shù)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化、數(shù)字化制造提供了新途徑。該技術(shù)通過將連續(xù)纖維（如碳纖維、玻璃纖維）與熱塑性聚合物基體（如pla、pa、peek）結(jié)合，顯著提升了制件的比強(qiáng)度和比剛度，在航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。

2、然而，該技術(shù)的核心挑戰(zhàn)之一在于打印路徑的規(guī)劃。路徑規(guī)劃不僅關(guān)乎打印過程的可行性，更直接決定構(gòu)件的最終幾何精度與力學(xué)性能。當(dāng)前研究多聚焦于如何使纖維取向與結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力方向相匹配，以最大化發(fā)揮纖維的軸向承載優(yōu)勢，或致力于規(guī)劃復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)的連續(xù)無中斷路徑。相比之下，對于薄壁結(jié)構(gòu)成型精度，尤其是復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處的打印質(zhì)量調(diào)控問題，則關(guān)注不足，導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用面臨兩大瓶頸：1）轉(zhuǎn)角成型精度差，連續(xù)纖維預(yù)浸長絲具有較高的彎曲模量，且其直徑與噴嘴出口直徑存在差異，使其在打印路徑的轉(zhuǎn)角處靈活性受限。這導(dǎo)致長絲無法完全依照設(shè)計(jì)的纖維路徑成形，轉(zhuǎn)角越大，實(shí)際打印路徑與理論路徑的偏差也越大，嚴(yán)重降低了構(gòu)件的幾何精度。2）復(fù)雜節(jié)點(diǎn)質(zhì)量難控，在打印具有復(fù)雜格柵或多高度數(shù)節(jié)點(diǎn)的模型時(shí)，打印路徑不可避免地會(huì)產(chǎn)生交叉與重疊。這些交叉點(diǎn)易引發(fā)噴嘴擠壓、刮擦已成型纖維，造成纖維損傷甚至打印頭堵塞。更為關(guān)鍵的是，路徑交叉會(huì)在構(gòu)件內(nèi)部形成局部材料堆積、厚度不均、樹脂富集區(qū)及應(yīng)力集中點(diǎn)，顯著劣化節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和整體結(jié)構(gòu)的承載能力。

3、為應(yīng)對路徑交叉問題，有研究提出基于歐拉圖論生成自不相交的平滑連續(xù)路徑的方法。該方法能有效避免交叉引起的缺陷，最大限度保持纖維連續(xù)性。然而，純粹的“無交叉”策略存在固有局限：它可能導(dǎo)致纖維在低應(yīng)力區(qū)域過度迂回，而在高應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域分布密度不足，無法實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)力學(xué)性能分配。此外，對于某些需通過纖維交叉纏繞來增強(qiáng)特定方向剛度或?qū)崿F(xiàn)各向同性性能的結(jié)構(gòu)（如承受多向載荷的連接件），單一的無交叉連續(xù)打印路徑難以滿足復(fù)雜的力學(xué)需求。

4、因此，現(xiàn)有方法難以實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)質(zhì)量和轉(zhuǎn)彎角度的并行優(yōu)化，無法兼顧連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的可增材制造性和力學(xué)性能，未能最大化地挖掘出連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本技術(shù)的目的在于提供用于增材制造連續(xù)纖維的多因素約束路徑規(guī)劃方法及系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有路徑規(guī)劃方法難以對打印路徑的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量和轉(zhuǎn)彎角度并行優(yōu)化，進(jìn)而無法提升打印構(gòu)件質(zhì)量并提升其性能的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本技術(shù)提供了用于增材制造連續(xù)纖維的多因素約束路徑規(guī)劃方法，包括：

3、s1將三維模型文件進(jìn)行切片處理，并基于切片數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和對應(yīng)的鄰接關(guān)系信息；

4、s2基于所述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和鄰接關(guān)系信息建立圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對所述圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理，使待求解的連續(xù)打印路徑滿足有解條件；

5、s3基于預(yù)處理后的圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用深度優(yōu)先搜索算法，分別以節(jié)點(diǎn)全交叉和節(jié)點(diǎn)無交叉為約束，求解對應(yīng)的轉(zhuǎn)角優(yōu)化后的全交叉連續(xù)打印路徑與無交叉連續(xù)打印路徑；

6、s4使用層間混合路徑策略獲取節(jié)點(diǎn)優(yōu)化打印路徑，所述節(jié)點(diǎn)優(yōu)化打印路徑中，所述全交叉連續(xù)打印路徑與無交叉連續(xù)打印路徑在不同層間交替進(jìn)行。

7、進(jìn)一步的，步驟s1中，基于切片數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和鄰接關(guān)系信息的方法為：

8、s101對切片平面與三維模型文件中的三角面片求交計(jì)算，獲得多段線段，并將該些線段首尾拼接成連續(xù)且封閉的有序多段線；

9、s102對所述有序多段線均勻重采樣，獲得點(diǎn)坐標(biāo)；

10、s103對靠近預(yù)設(shè)合并閾值的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行合并，將弧長小于預(yù)設(shè)倍數(shù)的單束打印線寬度的孤立線段濾除，獲得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)集合；

11、s104按照所述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)集合中的坐標(biāo)點(diǎn)在所述有序多段線上出現(xiàn)的先后順序，獲取所述鄰接關(guān)系信息。

12、進(jìn)一步的，步驟s2中，所述有解條件為：所述圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所有頂點(diǎn)的度數(shù)為偶數(shù)；若所述圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中存在任意頂點(diǎn)的度數(shù)為奇數(shù)，則將所有度數(shù)為奇點(diǎn)的頂點(diǎn)兩兩配對并對對應(yīng)的相接邊加倍，直至所有頂點(diǎn)的度數(shù)為偶數(shù)；若無法將度數(shù)為奇點(diǎn)的頂點(diǎn)配對，則將所述圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的所有邊進(jìn)行復(fù)制，使得所有頂點(diǎn)的度數(shù)為偶數(shù)。

13、進(jìn)一步的，步驟s3中，在所述深度優(yōu)先搜索算法中引入節(jié)點(diǎn)無交叉的約束和節(jié)點(diǎn)全交叉的約束的方法為：

14、s301計(jì)算第一向量和第二向量間的叉乘det，其中，第一向量為當(dāng)前頂點(diǎn) vc指向前一個(gè)訪問過的頂點(diǎn) vp的向量，所述第二向量為當(dāng)前頂點(diǎn) vc指向下一個(gè)待訪問的頂點(diǎn) vi的向量；

15、s302基于所述叉乘det，計(jì)算第一向量和第二向量在順時(shí)針方向的夾角；

16、s303重復(fù)步驟s301至s302，直至獲得所有頂點(diǎn)對應(yīng)的夾角，并將所述夾角中的最大值和最小值對應(yīng)的頂點(diǎn)作為第一點(diǎn)集l1，其余頂點(diǎn)作為第二點(diǎn)集l2；將從所述第一點(diǎn)集l1中選取任意頂點(diǎn)作為下一個(gè)待訪問頂點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)無交叉的約束，將從第二點(diǎn)集中選取任意頂點(diǎn)作為下一個(gè)待訪問頂點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)全交叉的約束。

17、進(jìn)一步的，步驟s3中，轉(zhuǎn)角優(yōu)化的方法為：

18、s311分別計(jì)算出每個(gè)當(dāng)前頂點(diǎn)與其對應(yīng)的前一個(gè)訪問過的頂點(diǎn)和下一個(gè)待訪問的頂點(diǎn)之間形成的轉(zhuǎn)向角αi；

19、s312設(shè)定最大轉(zhuǎn)向角度閾值為αmax，將小于αmax的轉(zhuǎn)向角對應(yīng)的頂點(diǎn)按順序優(yōu)先訪問；將不小于αmax的轉(zhuǎn)向角對應(yīng)的頂點(diǎn)按順序滯后訪問；若所有轉(zhuǎn)向角均超過最大轉(zhuǎn)向角度閾值αmax，則選擇最小轉(zhuǎn)向角對應(yīng)的頂點(diǎn)作為新的下一個(gè)待訪問的頂點(diǎn) vn。

20、進(jìn)一步的，步驟s4中，所述層間混合路徑策略獲取優(yōu)化打印路徑的方法為：基于所述層間混合路徑策略的周期，使所述全交叉連續(xù)打印路徑和無交叉連續(xù)打印路徑在所述周期內(nèi)的比例滿足以下公式：

21、

22、其中，a為全交叉連續(xù)打印路徑中的節(jié)點(diǎn)遍歷次數(shù)，b為無交叉連續(xù)打印路徑中的節(jié)點(diǎn)遍歷次數(shù)； ni為全交叉連續(xù)打印路徑的層數(shù)， nj為無交叉連續(xù)打印路徑的層數(shù)。

23、進(jìn)一步的，步驟s1中，在步驟s4之后，先將增材制造工藝參數(shù)中的溫度信息寫入g-code代碼，然后按照每層中的打印路徑的節(jié)點(diǎn)遍歷順序，將所述節(jié)點(diǎn)優(yōu)化打印路徑中的坐標(biāo)信息以及每一層對應(yīng)的打印參數(shù)信息寫入所述g-code代碼中，以生成多因素預(yù)設(shè)路徑打印文件。

24、根據(jù)本技術(shù)的第二方面，還提供一種用于實(shí)現(xiàn)如前任意一項(xiàng)所述的多因素約束路徑規(guī)劃方法的系統(tǒng)，包括：

25、切片處理模塊，用于將三維模型文件進(jìn)行切片處理，并基于切片數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和對應(yīng)的鄰接關(guān)系信息；

26、圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理模塊，用于基于所述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和鄰接關(guān)系信息建立圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對所述圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理，使待求解的連續(xù)打印路徑滿足有解條件；

27、連續(xù)打印路徑求解模塊，用于基于預(yù)處理后的圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用深度優(yōu)先搜索算法，分別以節(jié)點(diǎn)全交叉和節(jié)點(diǎn)無交叉為約束，求解對應(yīng)的轉(zhuǎn)角優(yōu)化后的全交叉連續(xù)打印路徑與無交叉連續(xù)打印路徑；

28、優(yōu)化打印路徑獲取模塊，用于使用層間混合路徑策略獲取節(jié)點(diǎn)優(yōu)化打印路徑，所述節(jié)點(diǎn)優(yōu)化打印路徑中，所述全交叉連續(xù)打印路徑與無交叉連續(xù)打印路徑在不同層間交替進(jìn)行。

29、進(jìn)一步的，所述切片處理模塊包括：

30、有序多段線獲取單元，用于對切片平面與三維模型文件中的三角面片求交計(jì)算，獲得多段線段，并將該些線段首尾拼接成連續(xù)且封閉的有序多段線；

31、點(diǎn)坐標(biāo)重采樣單元，用于對所述有序多段線均勻重采樣，獲得點(diǎn)坐標(biāo)；

32、合并處理單元，用于對靠近預(yù)設(shè)合并閾值的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行合并，將弧長小于預(yù)設(shè)倍數(shù)的單束打印線寬度的孤立線段濾除，獲得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)集合；

33、鄰接關(guān)系信息獲取單元，用于按照所述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)集合中的坐標(biāo)點(diǎn)在所述有序多段線上出現(xiàn)的先后順序，獲取所述鄰接關(guān)系信息。

34、進(jìn)一步的，所述連續(xù)打印路徑求解模塊包括：

35、叉乘獲取單元，用于計(jì)算第一向量和第二向量間的叉乘det，其中，第一向量為當(dāng)前頂點(diǎn) vc指向前一個(gè)訪問過的頂點(diǎn) vp的向量，所述第二向量為當(dāng)前頂點(diǎn) vc指向下一個(gè)待訪問的頂點(diǎn) vi的向量；

36、夾角獲取單元，用于基于所述叉乘det，計(jì)算第一向量和第二向量在順時(shí)針方向的夾角；

37、約束獲取單元，用于將所述夾角中的最大值和最小值對應(yīng)的頂點(diǎn)作為第一點(diǎn)集l1，其余頂點(diǎn)作為第二點(diǎn)集l2；并基于所述第一點(diǎn)集l1獲取所述節(jié)點(diǎn)無交叉的約束，基于所述第二點(diǎn)集獲取所述節(jié)點(diǎn)全交叉的約束；

38、轉(zhuǎn)角優(yōu)化單元，用于分別計(jì)算出每個(gè)當(dāng)前頂點(diǎn)與其對應(yīng)的前一個(gè)訪問過的頂點(diǎn)和下一個(gè)待訪問的頂點(diǎn)之間形成的轉(zhuǎn)向角αi；用于設(shè)定最大轉(zhuǎn)向角度閾值為αmax，將小于αmax的轉(zhuǎn)向角對應(yīng)的頂點(diǎn)按順序優(yōu)先訪問；將不小于αmax的轉(zhuǎn)向角對應(yīng)的頂點(diǎn)按順序滯后訪問；若所有轉(zhuǎn)向角均超過最大轉(zhuǎn)向角度閾值αmax，則選擇最小轉(zhuǎn)向角對應(yīng)的頂點(diǎn)作為新的下一個(gè)待訪問的頂點(diǎn) vn。

39、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以參見上述第一方面中的相關(guān)描述，在此不再贅述。

40、總體而言，通過本技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

41、（1）本技術(shù)方法針對打印構(gòu)件中易出現(xiàn)的缺陷，引入了相應(yīng)節(jié)點(diǎn)全交叉約束和節(jié)點(diǎn)無交叉約束進(jìn)行連續(xù)打印路徑的求解，既能通過節(jié)點(diǎn)無交叉連續(xù)打印路徑層獲得優(yōu)異的整體纖維連續(xù)性和基體性能，又能借助節(jié)點(diǎn)全交叉連續(xù)打印路徑層在關(guān)鍵連接處或高應(yīng)力梯度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)類似“縫合”或“纏繞”的局部增強(qiáng)效果，適應(yīng)復(fù)雜的多向載荷需求，同時(shí)降低了對復(fù)雜幾何進(jìn)行路徑規(guī)劃的難度，進(jìn)而有效提升結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量和力學(xué)性能。

42、（2）本技術(shù)中交叉工藝問題被分散到不同的層，避免了單一層內(nèi)缺陷過度集中，進(jìn)而在宏觀上改善了打印構(gòu)件的整體質(zhì)量；本技術(shù)允許根據(jù)構(gòu)件的具體受力情況，進(jìn)行更精細(xì)化的“性能定制”，在相鄰層之間交錯(cuò)使用全交叉與無交叉的打印回路以優(yōu)化節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，求解的連續(xù)性回路可以保證在層間自然切換，無需剪切線材或額外的空行程，適用于復(fù)雜的2.5d薄壁結(jié)構(gòu)和3d晶格結(jié)構(gòu)，可以在保證層內(nèi)和層間打印路徑連續(xù)性的同時(shí)，最大化地避免結(jié)構(gòu)的缺陷。

43、（3）本技術(shù)基于深度優(yōu)先搜索原理算法，使用簡單的邏輯實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的路徑求解，獲取具有節(jié)點(diǎn)全交叉和節(jié)點(diǎn)無交叉的連續(xù)打印路徑，并且在此基礎(chǔ)上還能有效減少路徑中的急轉(zhuǎn)彎；避免了現(xiàn)有路徑規(guī)劃方法只能單一地生成連續(xù)性路徑或匹配載荷分布的纖維路徑，難以實(shí)現(xiàn)對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)角并行優(yōu)化，進(jìn)而難以提升結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，且難以最大化發(fā)揮結(jié)構(gòu)性能的問題。