CN100580709C - 面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，尤其适用于有限元网格生成的前处理阶段。该方法包括在带有VC++6.0平台的公知计算机上装入ACIS16开发软件包的步骤，其特征在于还包括以下步骤，打开模型文件，将模型转换成以面为单元的集合体、基于条件匹配原则对每个面单元进行圆角特征识别、计算圆角特征的曲率半径，从中设定一阈值或自定义一阀值，将较大的圆角特征排除在外，将满足条件的圆角特征着色，并放入列表中和最后保存模型文件。本发明可以很好的识别出各种类型的圆角特征，由于采用了根据曲面曲率半径大小为圆角特征设定阈值的方法，从而能更好的自动识别出影响工程分析效率的微小圆角特征。

Description

面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法

技术领域

本发明涉及一种面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，尤其适用于有限元网格生成的前处理阶段。

背景技术

本发明涉及的研究内容在国外是研究热点，人们在这方面做了大量的工作。其中最具代表的是Sashikumar和Sohoni提出的圆角特征识别方法，仅适用于基于滚动球技术产生的不变半径的圆角特征。该方法对零件模型中每个面进行识别，如果该面上各点的最大曲率值相等，且都等于过渡半径的倒数，则此面为圆角特征。

Zhu H，Menq C H提出的圆角特征识别方法也仅仅能处理基于滚动球技术产生的不变半径的圆角特征。该方法优点在于将圆角特征分为圆环面、圆柱面以及球面三类，而这三类圆角特征都拥有自己的几何特性和拓扑特性，以此作为识别条件对零件模型的圆角特征进行识别。

国内圆角特征的自动识别方面的研究才刚刚起步，处于初级阶段。崔秀芬，高曙明提出了一种能够处理任意类型圆角特征的识别方法。该方法通过归纳圆角特征的具体特性，能够较好的解决可变半径的圆角特征，以及多圆角特征相交情况下的特征识别问题。

上述的方法中，大多集中在处理基于滚动球技术产生的不变半径圆角特征方面，且具有一个共同点：目的在于有效地降低模型的复杂度，提高后续特征识别的准确性和效率。而本发明的目的在于提高有限元网格划分质量和划分速度，提高工程分析效率和准确度。因此，本发明的圆角特征自动识别方法，与上述方法相比，在识别条件的设定以及利用这些条件进行识别的方法上具有自己的独特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能更好的自动识别出影响工程分析效率的微小圆角特征的方法。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，包括在带有VC++6.0平台的公知计算机上装入ACIS16开发软件包的步骤，其特征在于：还包括以下步骤：

(1.1)将模型转换成以面为单元的集合体；

(1.2)基于(1.2.1)判断面单元的方向数为单向；

(1.2.2)判断面单元的类型为非平面；

(1.2.3)判断面单元各条边中包含光滑边；

(1.2.4)判断面单元中所有光滑边对应的邻接面不平行和

(1.2.5)判断圆柱类型面单元的边界弧度不超过3.14的条件匹配原则，对每个面单元进行圆角特征识别；

(1.3)对符合步骤(1.2)的圆角特征求取曲面上的边界点及其中心点曲率半径，从中设定一阈值或自定义一阀值，将较大的圆角特征排除在外，将满足条件的圆角特征着色，并放入列表中。

所述的步骤(1.2.3)的光滑边判断中，对于判断两单位矢量是否相等时的允许误差为1e^-3。

所述的步骤(1.2.4)的平行判断中，对圆角特征与其它特征相交导致光滑边被分割的情况，采用判断被分割边是否为共享曲线的方法进行处理。

所述的步骤(1.2.5)的边界弧度判断，采取求解圆柱横截面边界圆弧弧度的方法进行处理。

所述的步骤(1.3)的求曲面上点的曲率半径时，采用取两主方向上曲率半径的较小值的方法。

所述的步骤(1.3)在求曲面曲率半径时，对于自由曲面边界点或中心点曲率半径趋近于正无穷的情况，采用较大值回避的方法加以处理。

与现有技术相比较，本发明的优点主要表现在对叠加圆角特征、变半径圆角特征、退化圆角特征，以及与其他特征相交的圆角特征的识别全部适用，扩大了圆角特征可识别范围；并采用根据曲面曲率半径大小为圆角特征设定阈值的方法，从而更好的自动识别出影响工程分析效率的微小圆角特征。

附图说明

本发明有附图18幅，其中：

图1为圆角特征识别流程图。

图2为一个游戏杆底座模型的轴测投影图。

图3为一个多维度形体轴测图。

图4为判断圆角特征光滑边的示意图。

图5为光滑边对应邻面平行的示意图。

图6为光滑边对应邻面不平行的示意图。

图7为圆角特征与其它特征相交导致光滑边对应邻面平行的局部示意图。

图8为图7的I部区域放大后示意图。

图9为图8的另一角度示意图。

图10为圆柱型圆角特征特殊识别条件的示意图。

图11为图10的俯视图。

图12为求曲面曲率半径的原理示意图。

图13为图12的II部区域放大图。

图14为确定曲面曲率半径时一种特殊情况处理方法的示意图。

图15为图14的III部区域放大图。

图16是游戏杆底座模型在没有曲率半径阈值设定情况下的圆角特征识别示意图。

图17是游戏杆底座模型在设定曲率半径阈值情况下的圆角特征识别示意图。

图18是本发明的功能模块框图。

具体实施方式

如图1-图18所示。一种面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，包括在带有VC++6.0平台的公知计算机上装入ACIS16开发软件包的步骤，其特征在于还包括以下步骤：

1.1将模型转换成以面为单元的集合体；

1.2基于条件匹配原则，对每个面单元进行圆角特征识别；

1.3计算圆角特征的曲率半径，从中设定一阈值或自定义一阀值，将较大的圆角特征排除在外，将满足条件的圆角特征着色，并放入列表中。

下面结合附图，对其工艺过程进行具体描述：

本发明利用ACIS16开发包，在VC++6.0开发环境中实现，并通过HOOPS图形系统，验证三维模型微小圆角特征自动识别方法的实现效果。

图1为圆角特征识别流程图。根据图1，先将模型转换成以面为单元的集合体；判断面的方向数是否为单向；判断面的类型是否为平面类型；判断面的各条边中是否包含光滑边；判断面中所有光滑边对应的邻接面是否存在平行关系；判断圆柱类型面的边界弧度是否超过3.14；和通过设定的阈值，将较大的圆角特征排除在外，将满足条件的圆角特征着色，并放入一列表中。

图2为导入的CAD模型，利用ACIS提供的api函数api_get_faces将模型BODY转化为面FACE的列表，然后对每个面进行识别。判断过程包括，首先利用FACE类中的sides函数求得此面的方向数，如果此方向数为SINGLE_SIDED，说明此面为单向面，然后进行后续处理，否则此面不在识别范围内。

图3为一个多维度形体，其中f1边含有四个有向边，其中两个有向边位于一个双向外部面上，也就是图中悬面F。

对于一个非二边流形体或多维度模型来说，一个边可以连接到任意数量的面上，同时，面本身可能是内部面、外部面或者是单向面、双向面。这就造成模型数据结构的复杂性。所以对于本发明，首先利用FACE类中的sides函数求得此面的方向数，如果此方向数为SINGLE_SIDED，说明此面为单向面，然后进行后续处理，否则此面不在识别范围内。

图4说明光滑边的判定方法。首先，利用ACIS提供的api函数api_get_edges得到每个面的边EDGE的列表，然后对此面F中的每条边进行检验。

由于只对单向面进行处理，所以每条边对应两条共边COEDGE。对于边f有两条共边，一条在此面F上定义为f1，一条在该面的邻面F1上定义为f2，且方向相反，利用共边类的start_pos函数取f1的起点，利用end_pos函数取f2的终点，可知为同一点v1，同时利用surface类中eval_normal函数求得此两点分别在所在面F1、F2上的单位法矢，判断是否相等，相等则为光滑边，不等则不是。

这里应注意的是，由于不同系统造型精度上的不同，在判断上面提到的两个单位法矢是否相等时，允许存在一定误差，设定为1e^-3。

图5、图6说明如何判断所有光滑边对应的邻面是否平行的方法。先将所有光滑边对应的邻接平面放入一面FACE的列表中，依次作为比较面，与其他面进行判断。

由于对两个曲面的平行判断尚属一个难题，我们只对平面进行平行判断。通过plane类的数据成员normal求得平面单位法矢，判断两个平面的单位法矢是否相等，相等则平行，如图5，F1、F2两面平行，判别面F不是圆角特征；否则不平行，如图6，F1、F2两面不平行，判别面F是圆角特征。这里，在判断单位法矢是否相等时，图4中所提到的允许误差同样适用。

图7、8、9说明判断所有光滑边所对应的邻面是否平行的一种特殊情况处理方法，图8、9为图7I部区域放大后的不同角度示意图。

从图8、9中可看出，对于判别面F，其中的两条光滑边f1、f2所对应的邻面F1、F2平行，根据上述的判别条件，应得出此面不是圆角特征的错误判断。但此种情况是由于圆角特征与其它特征相交，使同一条光滑边被分割成两段而导致的。根据共享曲线的方法，只须获取其中的一条光滑边，然后再对其对应的邻面进行平行判断。可利用EDGE类的geometry函数求得每条光滑边对应CURVE类的曲线变量，将它们放入一个列表中，同时查看列表中实体(ENTITY)个数，如没有变化，则说明这次加入的此条光滑边存在共享曲线，允许将其排除掉。对于图8、9中的这两条光滑边f1、f2，可被识别为共享曲线，于是只须获取其中的一条边来进行邻面平行判断。

图10、11说明圆柱型圆角特征的特殊识别条件。如图10，对于图中圆柱判别面F，判断过程应首先求出此圆柱面的主轴方向向量，利用CONE类的direction函数求得圆柱面基面椭圆的单位法矢量，即圆柱主轴方向单位法矢(SPAunit_vector)。再由类SPApar_box中的mid函数求出对应参数中点(SPApar_pos)，再由surface类中的eval_position函数将此参数中点转化为三维空间上的点(SPAposition)。

以此中点为圆心，主轴单位法矢为法矢量，做一个半径足够大(与圆柱面边界相交)的圆盘面C，利用api_fafa_int函数求得相交线L1，如图11所示，可知此相交线为一圆弧，以EDGE类的length函数求得此相交线L1的长度。

再利用CONE类的major_axis函数求得圆柱面基面椭圆的长轴法矢量(SPAunit_vector)，由SPAvector类的len函数求得此法矢量的长度，即长轴长度，由于是圆柱面，所以此长轴长度即为基面半径。由弧度公式θ＝L/R，其中θ代表相交线的弧度，L代表相交线的长度，R代表圆柱面基面半径，求得圆弧弧度θ，弧度θ应小于3.14。

图12、13为求曲面曲率半径的原理示意图，其中图13为图12的II部区域放大图。由于曲面上的点沿不同的曲线对应不同切矢量，即对应不同的法曲率，而对于取得极值点的法曲率我们称之为主曲率，其所在方向为主方向。可以利用surface类中的eval_prin_curv函数获得曲面上一点的主曲率。曲面上非脐点处存在两个主曲率(极大、极小)，我们取两个主曲率中的极大值作为此点的曲率；脐点处的两个主曲率相等为一个常数，取这个常数作为此点的曲率。最后，取倒数便为该点在曲面上的曲率半径。如图13所示，由上述方法我们可以得到判别面F所有边界点f2、f3、f4、f5(这里我们取每条边的起点)以及中心点f1的曲率半径，规定取其中较大的一个值作为判别面的曲率半径。

图14、15说明确定判别面的曲率半径时的一种特殊情况处理方法，其中图15为图14的III部区域放大图。如图15所示，根据上述求曲面上点的曲率半径的方法，我们可求得曲面F中心点f1的曲率半径趋近于正无穷，得出曲面F的曲率半径为正无穷的错误结论。对于这种情况，我们采用较大值回避的方法加以处理。首先，将曲面F上所有边界点f2、f3、f4、f5、f6、f7以及中心点f1的曲率半径放入一double型数组中，求得其中最小值；然后，将其它数值依次与其比较，如果比值超过1e3，将此数值设置为0；最后，求数组中最大的值，并将该值设为该曲面F的曲率半径。

图16、图17表明设定阈值前后所识别的圆角特征。将所有识别出的圆角特征的曲率半径存入一double型数组中，对其从小到大进行排序，输出前6个数值，供进行参考设定阈值，其默认值为倒数第5小的值。对于比设定阈值大的圆角特征将被排除在外。

对照图1可知，图16是没有设定阈值所识别出的圆角特征，即图中灰白色部分；图17则为设定阈值后所识别出的圆角特征，即图中灰白色部分。

Claims (6)

1、一种面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，包括在带有VC++6.0平台的公知计算机上装入ACIS16开发软件包的步骤，其特征在于：还包括以下步骤：

(1.1)将模型转换成以面为单元的集合体；

(1.2)基于(1.2.1)判断面单元的方向数为单向；

         (1.2.2)判断面单元的类型为非平面；

         (1.2.3)判断面单元各条边中包含光滑边；

         (1.2.4)判断面单元中所有光滑边对应的邻接面不平行和

         (1.2.5)判断圆柱类型面单元的边界弧度不超过3.14的条件匹配

                原则，对所述的每个面单元进行圆角特征识别；

(1.3)对符合步骤(1.2)的圆角特征求取曲面上的边界点及其中心点的曲率半径，从中设定一阈值或自定义一阀值，将曲率半径较大的圆角特征排除在外，将满足条件的圆角特征着色，并放入列表中。

2、根据权利要求1所述的面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，其特征在于：步骤(1.2.3)所述的光滑边判断中，对于判断两单位矢量是否相等时的允许误差为1e^-3。

3、根据权利要求2所述的面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，其特征在于：步骤(1.2.4)所述的平行判断中，对圆角特征与其它特征相交导致光滑边被分割的情况，采用判断被分割边是否为共享曲线的方法进行处理。

4、根据权利要求3所述的面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，其特征在于：步骤(1.2.5)所述的边界弧度判断，采取求解圆柱轴截面边界圆弧弧度的方法进行处理。

5、根据权利要求4所述的面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，其特征在于：步骤(1.3)所述的求曲面上点的曲率半径时，采用取两主方向上曲率半径的较小值的方法。

6、根据权利要求5所述的面向工程分析的微小圆角特征自动识别方法，其特征在于：步骤(1.3)所述的求取曲面曲率半径时，对于自由曲面边界点或中心点曲率半径趋近于正无穷的情况，采用较大值省略的方法加以处理。

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