TPMS构型自动优化，打破传统仿真路径

4天前浏览123

一、引言

三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surfaces，TPMS）是一类在三个方向上均具有周期性的极小曲面，其平均曲率处处为零，具有光滑连续的表面、高比表面积、良好的力学性能以及实体空腔双连通性质。

以COMSOL为例，“仿真”是一种常用于分析TPMS性能的方法。但是传统的关于TPMS仿真的方法，除了需要同学掌握COMSOL的使用技巧外，往往还需要学习TPMS生成的方法、CAD几何缺陷的修补以及网格划分技巧等内容。而且由于每次生成的TPMS几何模型都是固定的，所以如需进行参数化验证分析，往往需要手动不断重复“生成→几何缺陷修补→网格划分→仿真”等步骤，大大增加了工作量。那么探寻一种“更高效、学习门槛更低的TPMS仿真方法”，成为了一个值得我们团队研究的内容。

二、传统TPMS仿真路径分析

首先基于我们团队近期积累的关于TPMS在COMSOL仿真中的经验，我们先深入分析一下传统的TPMS仿真路径，如图1所示。“TPMS生成”的方法有很多，例如可以使用MSLattice、nTopology等专业成熟的软件对TPMS的几何结构进行建模，如果对编程比较熟练的话也可以使用MATLAB来得到TPMS的几何结构。但是由于TPMS生成方法的限制，通常得到的TPMS几何结构CAD文档都是STL格式的，而STL格式的文档经常会伴有各种缺陷。COMSOL支持STL文档的导入，但是一旦STL文档出现了缺陷，那么在几何处理或者网格划分的时候就会接连产生各种令人头疼的报错。所以“几何修补”“网格划分”这两个步骤通常都是同时复合进行的，在COMSOL导入了STL文档之后，我们可以先不着急设置边界条件，第一步先尝试划分网格，当划分网格出现报错的时候，我们可以定位到具体是什么报错，然后返回修补STL文档。通常STL文档的缺陷都不止一处，所以需要不断重复“几何修补”“网格划分”这两个步骤，直至STL文档能顺利划分网格之后，我们再进行边界条件的设置，最终进行仿真分析。（这里也向大家推荐一款经典的STL文档处理软件Meshmixer，它能在一定程度上对STL文档进行自动修补。）

传统的TPMS仿真路径，既要求大家掌握COMSOL的使用，还要求大家掌握“TPMS生成”的方法，同时还要求大家具备“几何缺陷修补”“网格划分”等技巧，对于知识储备不足的同学来说不可谓不是一座难以逾越的鸿沟！

图1

每位同学擅长的领域都不一样，研究的侧重点也不一样，如果没有太多精力学习“TPMS生成方法”的话，也欢迎考虑一下由我们团队开发的“TPMS生成器”。“TPMS生成器”可以处理TPMS拼接、融合、杂化、梯度生成、多尺度生成等情况，我们提供了试用版[1]，欢迎大家全面试用，也为有意向入手的同学提供一定程度的售前服务。如果我们的“TPMS生成器”能满足大家需求的话，欢迎入手使用。

三、一种新型的TPMS构型自动优化、仿真方法

结合MATLAB和COMSOL，我们团队提出了一种新型的TPMS构型自动优化、仿真方法。对比传统的TPMS仿真路径，我们所提出的方法可以省去“TPMS生成”“几何缺陷修补”等步骤，顺其自然的也让“网格划分”不再困难，大大降低了TPMS仿真的准入门槛。并且能实现在COMSOL仿真中自动对TPMS构型进行优化，该方法具备一定的创新性，适合学术论文的撰写。

如图2所示，为G型片状TPMS结构在流场中的构型自动优化，其中期望的是出入口的压降尽量小，根据实际需要，也可以将期望修改成流阻尽量小。从图2可以看到，TPMS的构型在不断变化，以接近工况需求。