2.工具路徑-網格交叉模塊

工具路徑-網格交叉模塊計算增材制造過程中使用的各種工具路徑和被制造零件的有限元網格之間的幾何交叉點。

2.1工具路徑-網格交叉工具路徑表示

刀具軌跡表示機床的一個給定部件的運動，例如激光源、重涂輥或送絲噴嘴。工具路徑是由附著在沿著路徑移動的參考點上的幾何形狀定義的。路徑是通過連接空間和時間上的點集合來定義的。事件系列定義了點的集合。事件系列中定義的第一個字段描述了該工具的狀態，例如激光功率、重涂輥的“開/關”狀態或送絲噴嘴。這個字段在兩個連續點之間假定為常數。值為零的字段表示工具的“關閉”狀態。

工具路徑-網格的交點考慮了三種形狀:一個點，一條無限的線，和一個盒子(見圖1)。這些形狀提供了不同的抽象層次來描述工具的形狀，這取決于特定的應用。除了這三種形狀之外，還可以使用掃描樣式來描述工具的理想運動，而不是運動的實際路徑。下面的主題列出了由工具路徑-網格交叉模塊為每個形狀和掃描樣式計算的一些數量。有關模塊計算的數量的完整列表，請參閱數據檢索功能程序中的表。

2.2點形狀工具路徑-網格交叉

當工具的行動區域相比較于網格尺寸，非常小時，工具形狀的點表示是有用的，此時可以將工具形狀理想化為一個點；例如，當激光束的半徑與單元的尺寸相比，非常小的時候。

圖1描述一個點工具路徑與一個有限元網格E的交叉點。工具路徑通過時間（t1,t2,t3,t4…..）時的路徑連接點（X1,X2,X3…….）定義。假設工具在連接路徑上兩個連續點的線段上以恒定的速度運動。事件系列中定義的第一個字段表示工具的狀態，比如激光功率。為點Xn定義的字段，在連接Xn和Xn 1的分段上，保持固定。工具處于“on”狀態的路徑分段必須與全局Zg方向垂直。對于一個給定的單元，工具-網格交叉點模塊計算工具路徑交叉點的數量，開始點和結束點的坐標（分別是ζs,和ζe,在單元參考坐標系中表示），每個交叉的起始和結束時間（ts,te）。

2.3無限長的線表示的工具路徑-網格交叉

刀具形狀的無限長的線形狀表示，對于描述材料逐層沉積的過程是有用的，例如重涂輥在粉末床加工中的操作。

圖1描述了無限長的線形狀工具路徑與有限單元E的交叉點。工具軌跡被定義為連接到一個沿著軌跡連結點(X1,X2, X3,…,Xn)移動的參考點的無限長的線，例如在時間ti,Xi位置的參考點。假設工具在路徑上連接兩個連續點的線段上以恒定的速度運動，而無限長的直線垂直于線段。事件序列中定義的第一個字段表示工具的狀態，例如重涂輥的“開/關”狀態。為點Xn定義的字段在連接Xn和Xn 1的線段上保持固定。當工具處于“開”狀態時，所有路徑線段必須垂直于全局Zg方向。對于給定的單元，工具路徑-網格交叉點模塊計算工具路徑交叉點的數量m，每個交叉點的體積分數vf。體積分數等于z平面（由沿該路徑運動的無限直線定義）以下部分單元的體積與單元總體積的比值。該模塊還計算面積A；z平面與單元的交叉部分的中心的坐標Xa，參考于單元參考坐標系，以及面積分數af（對于每個交叉，在z平面下的所有邊（i=1到單元邊面的數量））。

2.4盒子形狀工具路徑-網格交叉

當工具的動作最好描述為空間變化分布的情形時，盒子形狀功能是最適合的。例子包括建模Goldak的雙橢球熱源和聚合物擠壓材料沉積時使用細網格。

一個盒子的工具路徑和一個網格的交叉可以使用兩種不同的算法或方法計算；即子分段法和子單元法。對于子分段和子單元方法，可以將局部xl方向的盒子長設置為0，以獲得長方形的工具路徑。

2.4.1使用子分段方法

圖1描述了使用子分段方法，盒子工具路徑與有限元單元E的交叉。使用依附在一個沿著路徑連接點（X1,X2,X3……）的參考點（例如時間Ti時的參考點Xi）上的盒子定義工具路徑。使用矢量x1,y1,z1定義一個特定分段的局部坐標系。矢量1沿著連接兩個連續點的分段，z1是一個用戶指定的矢量。局部坐標系的原點是分段的起始點。盒子沿著局部坐標系方向定位，中心位于分段參考點固定用戶指定的偏離F。盒子被分割成用戶指定數量的小盒子。假設子分段從每個小線段的中心開始，并與主線段平行。用戶定義的權重與每個子段相關聯。權重值與與主線段相關的字段相乘，得到與子線段相關的字段。所有子線段的權值之和通常等于1。對于給定的單元，工具路徑-網格交叉模塊計算子線段與該單元的交叉點數量，以及每個交叉點的起始點和結束點的坐標（ξs和ξe分表表示單元的參考坐標系）以及起始和結束時間（分別是ts和te）。

2.4.2使用子單元方法

在子單元方法中，盒子不被分割成小盒子。而是，單元按照相同的拓撲分割成子單元（如圖2）。模塊根據單元的大小和盒子的最小尺寸自動設置單元分割成的子單元的數量。工具路徑-網格交叉模塊計算中心位于盒子路徑內的子單元的數量、子單元中心的坐標、子單元的體積，以及盒子通過子單元中心的開始和結束時間。