CN108230441A - 一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法 - Google Patents

一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法，本发明是通过采用61um分辨率nano Voxel型X射线三维显微镜拍摄整个烟支的图像，利用Avizo Fire 8.1软件把整个烟支的图像合成一个三维图像并去除烟丝中孤立的孔隙和孔隙中孤立的烟丝，抽取烟支三维图像中一定数量且间隔一致的径向二值化图贴三角面片形成多个烟支薄片的STL文件，导入Geomagic Spark软件中进行逆向工程三维建模得到烟支薄片三维实体模型STP文件，选取一定数量烟支薄片实体模型导入ICEM CFD软件进行网格划分并将进行拼接，从而形成整个烟支网格化模型。该方法能够最大程度上还原烟支三维模型，提高模拟计算的真实性、可靠性，并在此基础优化烟支三维流道，降低了模型划分网格难度，提高了后续模拟仿真计算的效率。

Description

一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法
技术领域
本发明涉及卷烟烟支三维模型建立的技术领域，特别涉及一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法。
背景技术
近些年来，国内外学者通过建立卷烟烟支模型，利用数学和物理方法分析烟支燃烧的过程，来解决实验方法不能够测定或者难以测定的物理过程和相关参数变化后的吸燃过程规律性。工业上也可通过预测模拟工艺参数和烟支物理模型对吸燃过程的影响，对卷烟烟支生产有一定的指导意义。因此，建立正确的卷烟烟支模型对后续模拟是否准确起到决定性的作用。
通常建立卷烟烟支模型，并没有依照烟支实际三维模型，致使模型与烟支实际模型误差大，可能导致后续模拟数据不可靠。因此，迫切需要一种能够真实还原烟支三维模型建立的烟支模型来实现更可靠的烟支燃烧模拟。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法，包括以下步骤：
(1)采用三维显微镜拍摄整个烟支的图像，将整个烟支的图像合成一个三维图像并去除烟丝中孤立的孔隙和孔隙中孤立的烟丝，从三维图像中按设定间距61um抽取N个径向二值化图贴三角面片，得到多个烟支薄片STL文件；
(2)将烟支薄片STL文件导入Geomagic Spark软件中，采用逆向工程三维重构的方式优化烟支薄片并建立烟支薄片实体模型，得到烟支薄片模型的STP文件；
(3)将烟支薄片实体模型STP文件导入网格划分软件中进行网格划分并行网格拉伸拼接，得到整个烟支网格化模型。
作为优选的技术方案，步骤(1)中，所述三维显微镜采用61um分辨率nanoVoxel型X射线三维显微镜，拍摄的整个烟支图像是去除烟支滤嘴，采用Avizo Fire 8.1软件去除烟丝中孤立的孔隙和孔隙中孤立的烟丝，即去除体积小于106um3的孔隙和烟丝。
作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，从烟支三维图像抽取径向二值化图的间距及数量分别为：每隔61um抽取一张径向二值化图，按顺序抽取11张，贴三角面片形成一个烟支薄片STL文件。
作为优选的技术方案，所述步骤(2)中优化烟支薄片并建立烟支薄片实体模型的具体方法为：
Ⅰ.在薄片上选取一个烟丝三维流道，在烟支薄片的正反两面分别画出该流道的轮廓曲线，对于特殊的流道可采用样条曲线命令使得绘画出的流道尽量逼近烟丝的真实流道，依次画出烟丝中的所有三维流道；
Ⅱ.将所有烟丝中的三维流道的轮廓样条曲线通过混合命令形成流道的实体；
Ⅲ.画出一个等同于烟支薄片大小的圆柱实体将烟支薄片完全覆盖，采用布尔命令，将该圆柱实体依次与步骤Ⅱ中绘画的烟丝三维流道进行布尔减运算，得到三维重建后的烟支薄片。
作为优选的技术方案，所述采用逆向工程三维重建后的烟支薄片是没有三角面片的边线，能够清楚的看见真实烟丝的三维流道的实心几何体。
作为优选的技术方案，所述步骤(3)中烟支薄片实体模型网格划分采用非模型四面体网格。
作为优选的技术方案，所述步骤(3)中整个烟支模型网格划分质量控制在0.3以上。
作为优选的技术方案，所述步骤(3)中，网格划分软件采用ICEM CFD软件或Gambit软件。
作为优选的技术方案，所述烟支薄片是由一个个三角面片贴合而成的空心几何外壳。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过从烟支图像到烟支实体模型最大程度还原烟支三维模型而建立模型，提高模拟计算的真实性、可靠性，并在此基础优化烟支三维流道，降低了模型划分网格难度，提高了后续模拟仿真计算的效率。
附图说明
图1为构建烟支三维模型的流程图；
图2为Avizo Fire 8.1软件合成的整个烟支三维图像；
图3为烟支径向二值化图示例；
图4为STL文件下的烟支薄片；
图5为烟支薄片实体模型；
图6为整个烟支网格化模型。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
选取某品牌卷烟，剪去滤嘴部分，测得其烟支部分长度为50.61mm，直径为8mm。
基于上述真实烟支实体参数，本实施例一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)采用61um分辨率nanoVoxel型X射线三维显微镜拍摄整个烟支的图像，利用Avizo Fire 8.1软件把整个烟支的图像合成一个三维图像，如图2所示。去除烟丝中孤立的孔隙和孔隙中孤立的烟丝，每隔61um抽取一张径向二值化图，如图3所示为烟支径向二值化图示例，按顺序抽取11张，贴三角面片形成一个厚度为610um烟支薄片，如图4所示，以此类推依次得到五个烟支薄片STL文件。
(2)烟支薄片STL文件导入Geomagic Spark软件中，采用逆向工程三维重构的方式优化烟支薄片并建立烟支薄片实体模型，得到烟支薄片模型的STP文件。其具体方法为：
Ⅰ.在薄片上选取一个烟丝三维流道，在烟支薄片的正反两面分别画出该流道的轮廓样条曲线，对于特殊的流道可采用其它的绘图命令使得绘画出的流到尽量逼近烟丝的真实流道，依次画出烟丝中的所有三维流道。
Ⅱ.将所有烟丝中的三维流道的轮廓样条曲线通过混合命令形成流道的实体。
Ⅲ.画出一个直径为8mm，厚度为610um的圆柱实体将烟支薄片完全覆盖，采用布尔命令，将该圆柱实体依次与步骤Ⅱ中绘画的烟丝三维流道进行布尔减运算，得到三维重建后的烟支薄片，如图5所示。
(3)在ICEM CFD中对烟支五个烟支薄片进行网格划分，对前四段烟支薄片网格分别拉伸至12.5mm并进行拼接，从而形成整个烟支长度为50.61mm的网格化模型，如图6所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用三维显微镜拍摄整个烟支的图像，将整个烟支的图像合成一个三维图像并去除烟丝中孤立的孔隙和孔隙中孤立的烟丝，从三维图像中按设定间距61um抽取N个径向二值化图贴三角面片，得到多个烟支薄片STL文件；
(2)将烟支薄片STL文件导入Geomagic Spark软件中，采用逆向工程三维重构的方式优化烟支薄片并建立烟支薄片实体模型，得到烟支薄片模型的STP文件；
(3)将烟支薄片实体模型STP文件导入网格划分软件中进行网格划分并行网格拉伸拼接，得到整个烟支网格化模型。
2.根据权利要求1所述的构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述三维显微镜采用61um分辨率nanoVoxel型X射线三维显微镜，拍摄的整个烟支图像是去除烟支滤嘴，采用Avizo Fire 8.1软件去除烟丝中孤立的孔隙和孔隙中孤立的烟丝，即去除体积小于106um3的孔隙和烟丝。
3.根据权利要求1所述的构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，从烟支三维图像抽取径向二值化图的间距及数量分别为：每隔61um抽取一张径向二值化图，按顺序抽取11张，贴三角面片形成一个烟支薄片STL文件。
4.根据权利要求1所述的构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，所述步骤(2)中优化烟支薄片并建立烟支薄片实体模型的具体方法为：
Ⅰ.在薄片上选取一个烟丝三维流道，在烟支薄片的正反两面分别画出该流道的轮廓曲线，对于特殊的流道可采用样条曲线命令使得绘画出的流道尽量逼近烟丝的真实流道，依次画出烟丝中的所有三维流道；
Ⅱ.将所有烟丝中的三维流道的轮廓样条曲线通过混合命令形成流道的实体；
Ⅲ.画出一个等同于烟支薄片大小的圆柱实体将烟支薄片完全覆盖，采用布尔命令，将该圆柱实体依次与步骤Ⅱ中绘画的烟丝三维流道进行布尔减运算，得到三维重建后的烟支薄片。
5.根据权利要求4所述的构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，所述采用逆向工程三维重建后的烟支薄片是没有三角面片的边线，能够清楚的看见真实烟丝的三维流道的实心几何体。
6.根据权利要求1所述的构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，所述步骤(3)中烟支薄片实体模型网格划分采用非模型四面体网格。
7.根据权利要求1所述的构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，所述步骤(3)中整个烟支模型网格划分质量控制在0.3以上。
8.根据权利要求3所述的构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，网格划分软件采用ICEM CFD软件或Gambit软件。
9.根据权利要求3所述的构建烟支三维模型及其流道优化的方法，其特征在于，所述烟支薄片是由一个个三角面片贴合而成的空心几何外壳。
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