CN108389263B - 面向边界元方法求解计算的iges面网格快速生成方法 - Google Patents

Abstract

为满足船舶计算流体力学中边界元法对面网格生成的需求，本发明公开了一种基于IGES(The Initial Graphics Exchange Specification)几何模型的面网格快速生成方法，称为面向边界元方法求解计算的IGES面网格快速生成方法。包括如下步骤：步骤1，导入IGES几何模型，根据几何特征找到特征点；步骤2，根据特征点进行分块，针对每块的固有特征选择不同的网格生成策略。步骤3，在某一固定方向上通过面‑面交的方法提取几何模型上的物面点。步骤4，通过线性插值的方法重建船体表面的剖线点集，进而得到网格控制线。步骤5，通过曲线均分的方法得到物面网格点。步骤6，构建网格拓扑结构。本发明面网格生成过程中人机交互少，网格生成效率、质量较高，可实现船体面网格快速生成。

Description

面向边界元方法求解计算的IGES面网格快速生成方法

技术领域

本发明涉及CFD前处理的网格生成、几何造型领域，尤其涉及一种快速的船舶模型面网格生成算法。

背景技术

IGES格式规范作为目前通用的CAD(Computer Aided Design)与CAM(computerAided Manufacturing)系统之间的数据交换规范，在世界范围内得到了广泛的认可。目前船舶制造领域，通常采用IGES文件规范存储船舶几何模型。工程领域内关于IGES几何模型的面网格自动化生成方法研究较少，部分商业软件生成面网格的过程较复杂，需要大量的人工交互操作。

给定一个IGES几何模型，生成一个具有高正交性的三角形、四边形网格填充的模型，这个问题在面元法求解CFD问题时占有十分重要的地位。为解决这个问题，工程上通常需要应用现有商用软件(如Gambit)将IGES的几何实体进行合并，然后应用插值的方法生成三角形或四边形网格。网格生成周期十分漫长，且操作十分繁琐易出错。在船舶设计过程中，往往需要多次的数值仿真，针对仿真结果对船模进行调整，每次调整后都要重新生成面网格，这一过程在船舶模型的设计过程中往往需要大量的人工操作，工程界通常采用加入大量人工操作的方法解决这一技术难题。

如何实现智能的、快速的面网格生成已经是目前CFD应用领域的一大瓶颈问题，同时也是目前船舶设计领域急需解决的难题。

发明内容

为改善IGES几何模型的面网格生成效率以及网格正交性，本发明提出了一种自动化程度较高的面网格快速生成方法。

步骤1、导入IGES几何文件，将其剖分成自适应大小的三角网格结构以保证其几何特征得以保留。

IGES作为通用的规范，其描述的几何实体有二十余种，非几何实体十余种，可自定义的几何实体十余种。为了保证智能面网格生成算法的鲁棒性，本发明采用了国际上较通用的几何造型开源库OpenCasCade(简称OCC)对IGES几何文件进行解析。OCC是由法国MatraDatavision公司开发的CAD/CAE/CAM软件平台，可以说是世界上最重要的几何造型基础库之一。

步骤2、根据解析后得到的几何实体，对其进行三角剖分，且通过曲率特征自适应的调整网格大小。

这步采用曲率控制三角剖分的大小是为了后面在做面-面相交时，切割同一三角形两边时得到的两个点以及两点确定的直线处于同一平面，以便后续的插值加密和曲线均分更加精确。

步骤3、对剖分后的三角网格进行坐标变换，船艏方向为x轴正方向，船尾为x轴负方向，中截面为y＝0，船身部分为y轴正方向，船底在z＝0平面处，船身为z轴正方向。以船体模型的长度为基准做归一化处理，假设其长度为Len，船体网格的AABB(Axis AlignedBounding Box)盒为Box，则：

Box＝(Xmin，Ymin，Zmin)(Xmax，Ymax，Zmax)

Len＝Xmax-Xmin

其中Xmin，Xmax为所有三角网格顶点坐标中在X轴方向的最小值与最大值，同理Ymin，Ymax为所有三角网格顶点坐标中在Y轴方向的最小值与最大值，Zmin，Zmax为所有三角网格顶点坐标中在Z轴方向的最小值与最大值。

假设船体三角网格的所有网格点为Pijk＝(Xi，Yj，Zk)，则归一化处理可以表示为：

Pijk＝100*(Pijk/Xmax-Xmin)

坐标变换的目的是为了后续的自动分块操作，由于船艏与船艉的几何特征不同，其网格生成策略也不同，分块后需要加以标记。

归一化处理的目的是为了适应不同尺寸的船体模型或实体模型的大小。

步骤4、计算船艏特征点Pb、船尾特征点Ps处的空间坐标，同时根据船体模型的吃水深度，将船模自动分割成5块，分别记为b1，b2，b3，b4，b5。

(1)船艏部分记为b1，其网格生成策略采用三角形网格构成。

(2)船模主体部分记为b2，其网格生成策略采用四边形网格构成，可以有效的减少网格数量，减轻CPU以及内存的运算压力。

(3)船艉部分轴包套以上记为b3，其网格生成策略采用三角形和四边形混合网格构成。

(4)船艉轴包套部分记为b4，其网格生成策略采用三角形和四边形混合网格构成。

(5)吃水线以上部分记为b5，因其不参与求解计算，切割后不生成网格。

其中Pb的坐标设定为(Xmax–Len/25，0，0)，Ps的位置选取船艉柱上拐点(艉柱点)，通过计算船艉柱上的曲率变化确定该点的空间坐标。

步骤5，根据求解计算对的网格大小以及网格数量要求，计算网格生成的控制步长：Δx，Δz。

针对b1块，以Pb为轴心点，创建X＝Pb.x平面旋转至Y＝0平面，切割船体模型，得到船体模型物面点。

针对b2块主要以几何特征缓变的主船体组成，在水平方向将x轴分为Xi＝{Pb.x，Pb.x-Δx，Pb.x-2*Δx，......，Ps.x}。以X＝Xi创建平面切割船体模型，得到船体模型物面点。

针对b3块，在水平方向将x轴分为Xi＝{Ps.x，Ps.x-Δx，Ps.x-2*Δx，......，Xmin}。以X＝Xi创建平面切割船体模型，得到船体模型物面点。

针对b4块，在水平方向将x轴分为Xi＝{Ps.x，Ps.x-Δx，Ps.x-2*Δx，......，X4min}。以X＝Xi创建平面切割船体模型，得到船体模型物面点。其中，X4min为b4块的AABB盒的x轴最小值。

步骤6，将步骤5得到的船体模型物面剖线点集通过线性插值的方法加密，即网格控制线。然后通过曲线均分的算法将其离散成均匀的网格点。

步骤2保证了网格控制线上的任意两点及两点确定的直线在同一平面上，所以采用线性插值即可保证计算速度，也可以保证计算精度。

步骤7，依据步骤4的网格生成策略，根据求解计算要求的法向，针对各块要求创建网格的拓扑结构。将各块网格组合成一个整体，通过去除重复点算法，重构船体模型的整体网格。依据求解计算的格式要求，输出网格。

本发明的生成面网格方法相较于常用的商业软件面网格需要人工参与较少，生成网格速度快。且针对面元法对面网格正交性的要求，对特殊区域做特殊处理，使得网格的精度更高，可实现面网格的快速生成。

附图说明

图1是本发明的算法流程图

图2是IGES经OCC解析后得到的几何实体示意图

图3是IGES几何文件经三角剖分后的三角网格示意图

图4是根据三角剖分后的网格自动寻找特征点以及自动分块示意图

图5是坐标变换前后的船体模型示意图

图6是根据线-面相交方法得到物面点的示意图

图7是通过线性插值以及均分后得到的网格点示意图

图8是依据船体固有几何特征形成三角形、四边形网格示意图

图9是kvlcc2手动生成的面网格与本发明生成的面网格计算精度对比图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明方法实施例的流程如图1所示。

步骤1，输入的IGES几何模型，实施例模型采用MOERI油轮的第二个变体kvlcc2模型作为实验模型，经OCC解析后的几何实体模型如图2所示。从图中可以看出该模型有许多几何结构组成，若多每一步部分单独生成面网格，则网格质量极难控制，且很容易生成质量很差的网格单元。

步骤2，对解析后的几何实体进行三角剖分，通过曲率控制三角网格的大小，保证几何模型的几何特征得以保留。

船舶模型一般采用Nurbs曲线\曲面来描述其几何结构，且在边界还会存在其他几何描述，直接对实体进行切割的方法是一项十分复杂的工作，所以本发明采用先三角剖分，然后统一切割三角网格的方法。

如图3-a所示，在船艏，船艉及棱角处曲率变化较大的区域，会采用极小的三角网格进行剖分，在曲率变化平缓的区域采用较大的三角网格进行剖分。这样既可以保留模型的几何特征，又保证了计算速度。

本发明的图形显示采用自主研发的基于OpenGL的图形显示框架，可以显示法向方向。从图3-b中可以看到，标模的法向并不统一。

步骤3，对三角剖分后的船体模型进行坐标变换，变换前后的船体模型如图4所示。

以水平方向为基准，所有模型的的长度统一为100，以适应任何尺度的船体模型。

步骤4，根据波浪增阻求解计算的要求计算水平控制步长以及垂直控制步长。水平控制步长，水平步长宽度由船模长度以及网格数量求得，垂直控制步长由网格控制线弧长以及网格数量求得。

步骤5，计算Pb与Ps的坐标如图5中的的标识所示，并根据两个特征点以及吃水深度将船体模型自动分成5个部分：b1，b2，b3，b4，b5。其中b5仅做正确性验证显示，不参与后续网格生成运算。

步骤6，b1～b4按照上述的取点策略进行船模剖线点集提取，如图6所示。通过线性插值进行加密以及均分，如图7所示。

步骤7，将得到的网格点以逆时针方向创建网格拓扑结构，将网格点实行上述的坐标变换的反变换。导出网格至求解器要求的格式，如图8所示。

步骤8，将本算法生成的面网格与使用商业软件(Gambit)手动生成的面网格同时输入求解器求解计算后得到的结果进行对比，对比图如图9所示。

Claims (7)

1.一种基于IGES文件的面网格快速生成方法，其特征在于，如下步骤：

步骤1，输入一个IGES几何模型，将其转换成几何实体，对其进行三角剖分，并根据船模的几何特征以及曲率变化自适应的调整三角网格的大小；

步骤2，对剖分后的三角网格进行坐标变换，使其可以实现自动分块功能，同时可以适应不同尺寸船舶模型的面网格生成；

步骤3，根据船舶模型的几何特征计算其特征点的空间坐标，并根据特征点实现船体模型的自动分块功能；

步骤4，依据波浪增阻求解计算的要求，计算网格水平方向和垂直方向的控制步长，通过面-面相交的方法获取船模物面上的网格点坐标； 然后通过线性插值的方法重构船体物面曲线，即船体剖线点集；

步骤5，通过迭代均分曲线的方法划分船体剖线点集，在垂直方向得到尽量均匀的网格点，在边界处通过相邻两点的距离与其他相邻两点的距离的差值作为迭代判断条件；

步骤6，根据自动分块后的各块固有几何特征，构建网格的拓扑结构。

2.如权利要求1所述面网格快速生成方法，其特征在于，输入一个IGES几何模型，并根据其几何特征自适应调整网格大小：

步骤1-1：通过对IGES几何模型的解析，将其转换成算法可识别的实体结构；

步骤1-2：根据船体模型的几何特征自适应的调整三角剖分过程中的网格大小。

3.如权利要求1所述面网格快速生成方法，其特征在于，将剖分后的三角网格的坐标变换至统一的坐标系下，以便于本发明可以适应不同尺度、空间位置的船模。

4.如权利要求1所述面网格快速生成方法，其特征在于，船舶模型的前后两个特征点用于将模型曲率变化较大的船艏、船艉与中间部分进行分块处理，所以其空间坐标的准确性将直接影响生成的网格质量。

5.如权利要求 1所述面网格快速生成方法，其特征在于，生成网格的大小需要控制步长进行控制； 通过水平控制步长和面-面相交的方法提取物面上的点，然后通过线性插值的方法形成网格控制线；

步骤5-1，水平方向的控制步长通过各块的长度以及网格数控制，垂直方向的步长由网格控制线的弧长和网格数控制；

步骤5-2，在水平控制步长上创建平面并与三角网格进行相交判断，将交点组成点集，即物面剖线点集；

步骤5-3，将物面剖线点集进行线性插值已得到足够密的网格控制线。

6.如权利要求5所述面网格快速生成方法，其特征在于，由上一步得到的足够密的网格控制线点集，通过曲线均分的方法可以在垂直方向得到均匀的网格点； 并在边界处进行多次迭代运算，以保证所有点的均匀性。

7.如权利要求1所述面网格快速生成方法，其特征在于，根据船舶模型的几何特征，其球鼻艏与轴包套部位的曲率变化较大，采用三角网格构建面网格可以更好的保留几何特征；在主船体部分，几何特征变化较平缓，采用四边形网格可以减少网格的数量且保证计算精度。

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