13585605056周先生
薄壁结构的3D打印STL文件是单侧外表面三角面网络，而钢结构模型体系的3D打印数据图形是由STL三角形沿着结构杆件、连接件各表面围成的空间三角面混合包络的集成，这与薄壁三角面网络存在较大差异。STL文件的复杂程度、单元数目都大为增加，也增加了STL三角面与有限元网格融合一体的难度。基于所建立数字图形模型，很容易得到STL的打印数据。为将STL三角面转换为满足有限元计算网格单元，需要预处理、清除、归并奇异点。通过建立结构整体节点编号和坐标体系，并依据STL三角面和法线向量，形成简化的六面体单元，进而形成整体几何矩阵，为生成有限元网格提供了有效方法，并开发了依据转换流程的计算机应用程序。通过计算实例，表明该方法为3D打印数据与有限元计算单元网格融合提供了一条可用的捷径。
由于计算机图形学软硬件的迅速发展，其处理问题的速度、规模和方式都有了极大的改善和提高，各种复杂结构都可以迅速准确地建立三维数字模型。3D打印的图形处理软件(例如CURA)可以在已建模型的各个表面形成STL格式的三角形面片包络体及相应的数据格式。可以发现，将结构离散化进行数值分析，与3D打印可属同一类的离散方式。相关研究人员曾对3D打印薄壁结构的打印STL三角面与三维有限元网格进行了研究，在基于单纯表面三角形STL网格上，提出了实用有效的薄壁结构3D打印与有限元计算统一网格的方法。对于具有一定厚度、切割打孔加工形状、焊接栓接等连接方式的钢结构体系，若采用有限元计算，其实体单元网格划分则比较困难，通常采用杆单元或简化连接节点的种类形式进行计算，单元处理的工作量相当繁琐巨大。与常规的STL转化有限元网格的思路和方法不同，3D打印结构包络面的STL数据体系和逐层增高的各平面切割数据，组合成实体的离散化计算单元，仅在数据层面上进行调整，避免了单独划分单元的复杂过程，保证了各部分满足有限单元的协调和精度要求。本文以钢结构体系的数字图形模型为例，利用融合方法进行研究，所得到的处理流程和计算结果可推广到更多的结构体系之中。
1 钢结构模型3D打印STL格式与有限元网格格式转换
1.1 3D打印STL格式
任一STL格式包括了三角形三个角点的坐标xi，yi，zi及外法线矢量ni。对于一个具有m个单元的结构而言，其STL文件将包括m段这样的循环表达式，格式如下：
(1，2，…，m个单元)
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为三角形的外法线方向单位矢量，关键词“outer loop”和“end loop”之间包含了三角形的三个顶点x，y，z坐标。
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