薄壁結構的3D打印STL文件是單側外表面三角面網(wǎng)絡，而鋼結構模型體系的3D打印數(shù)據(jù)圖形是由STL三角形沿著結構桿件、連接件各表面圍成的空間三角面混合包絡的集成，這與薄壁三角面網(wǎng)絡存在較大差異。STL文件的復雜程度、單元數(shù)目都大為增加，也增加了STL三角面與有限元網(wǎng)格融合一體的難度?；谒?shù)字圖形模型，很容易得到STL的打印數(shù)據(jù)。為將STL三角面轉換為滿足有限元計算網(wǎng)格單元，需要預處理、清除、歸并奇異點。通過建立結構整體節(jié)點編號和坐標體系，并依據(jù)STL三角面和法線向量，形成簡化的六面體單元，進而形成整體幾何矩陣，為生成有限元網(wǎng)格提供了有效方法，并開發(fā)了依據(jù)轉換流程的計算機應用程序。通過計算實例，表明該方法為3D打印數(shù)據(jù)與有限元計算單元網(wǎng)格融合提供了一條可用的捷徑。

由于計算機圖形學軟硬件的迅速發(fā)展，其處理問題的速度、規(guī)模和方式都有了極大的改善和提高，各種復雜結構都可以迅速準確地建立三維數(shù)字模型。3D打印的圖形處理軟件(例如CURA)可以在已建模型的各個表面形成STL格式的三角形面片包絡體及相應的數(shù)據(jù)格式。可以發(fā)現(xiàn)，將結構離散化進行數(shù)值分析，與3D打印可屬同一類的離散方式。相關研究人員曾對3D打印薄壁結構的打印STL三角面與三維有限元網(wǎng)格進行了研究，在基于單純表面三角形STL網(wǎng)格上，提出了實用有效的薄壁結構3D打印與有限元計算統(tǒng)一網(wǎng)格的方法。對于具有一定厚度、切割打孔加工形狀、焊接栓接等連接方式的鋼結構體系，若采用有限元計算，其實體單元網(wǎng)格劃分則比較困難，通常采用桿單元或簡化連接節(jié)點的種類形式進行計算，單元處理的工作量相當繁瑣巨大。與常規(guī)的STL轉化有限元網(wǎng)格的思路和方法不同，3D打印結構包絡面的STL數(shù)據(jù)體系和逐層增高的各平面切割數(shù)據(jù)，組合成實體的離散化計算單元，僅在數(shù)據(jù)層面上進行調(diào)整，避免了單獨劃分單元的復雜過程，保證了各部分滿足有限單元的協(xié)調(diào)和精度要求。本文以鋼結構體系的數(shù)字圖形模型為例，利用融合方法進行研究，所得到的處理流程和計算結果可推廣到更多的結構體系之中。

1 鋼結構模型3D打印STL格式與有限元網(wǎng)格格式轉換

1.1 3D打印STL格式

任一STL格式包括了三角形三個角點的坐標xi，yi，zi及外法線矢量ni。對于一個具有m個單元的結構而言，其STL文件將包括m段這樣的循環(huán)表達式，格式如下：

       (1，2，…，m個單元)

       solid Object01

       facet normal-7.078 227e-002 8.323 698e-001

5.496 821e-001

       outer loop

       vertex 3.325 273e+002 4.636 763e+002

1.153 948e+002

       vertex 3.474 805e+002 2.071 548e+002

5.057 643e+002

       vertex 3.803 828e+002 2.096 953e+002

5.061 541e+002

       endloop

       endfacet

……………………………………………………

……………………………………………………

       facet normal 9.969 845e-001 7.670 629e-002

1.174 874e-002

       outer loop

       vertex 1.825 676e+003 2.013 525e+003

9.046 692e+001

       vertex 1.872 824e+003 1.396 057e+003

1.208 904e+002

       vertex 1.873 184e+003 1.396 084e+003

9.021 741e+001

       endloop

       endfacet

       endsolid Object01

其中,facet normal為三角形的外法線方向單位矢量，關鍵詞“outer loop”和“end loop”之間包含了三角形的三個頂點x，y，z坐標。

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