CN110211234A - 一种网格模型缝合系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种网格模型缝合系统和方法，模型分割模块将三维模型按照几何特征或几何关系分割成至少两个不同的组，每个组包含一个子模型；并行生成网格模块对各个子模型并行执行网格生成，每个线程之间不进行通信；网格合并模块，是将各个子模型对应的网格文件进行合并，最终生成一个完整的网格文件；其中，模型分割模块、并行生成网格模块、网格合并模块依次进行，前一个模块的输出是后一个模块的输入。本发明利用将大规模的模型分割成小的子模型，然后分别对各个子模型进行网格生成，最后再按照各个子模型在原模型中所在的层级关系进行组装，最终形成完整的网格文件，可以降低网格生成对计算机内存的要求。

Description

一种网格模型缝合系统和方法

技术领域

本发明涉及一种应用于大规模网格模型生成及缝合的方法，用于电磁等求解器计算，尤其是涉及一种可减少网格的生成时间、应对超大规格的网格生成的大规模网格模型缝合方法。

背景技术

随着计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)、计算机仿真分析系统等现代化产品设计分析手段的不断成熟和完善，对三维几何模型所表现出来的精度提出了越来越高的要求。

准确详细的网格模型，相对来说，节点和网格的数目更多。而对于电磁这类求解器而言，要求网格的边长与电磁波的波长成一定关系，这将导致网格模型的数量达到上亿级别，如果每个节点坐标按double类型表示，仅节点、单元、边的存贮信息就需要内存6.7G，这对计算机的内存提出很高的要求。

网格过程中要频繁查询节点之间的关联信息，无疑加重了网格生成的时间。随着网格数量的增加，网格生成所需要的时候将呈现指数关系，导致网格生成进行缓慢。对计算机内存要求高，同时网格生成进行缓慢是大规模网格生成面临的主要问题。

发明内容

本申请提供了一种网格模型缝合方法，通过将大模型分成若干子模型，分别对每个子模型并行生成网格，然后再将所有的网格进行合并，形成一个完整的完整文件，从而大幅度降低对计算机内存的占用，同时提高生成网格的速度。

本申请第一个方面提供的网格模型缝合系统，包括：

模型分割模块，用于将三维几何模型按照几何特征或几何零部件分成至少两个不同的组，每个组包含一个子模型；

并行生成网格模块，用于对各个子模型并行执行网格生成，每个线程之间不进行通信；

网格合并模块，用于将各个子模型对应的网格文件进行合并，最终生成一个完整的网格文件；其中，

模型分割模块、并行生成网格模块、网格合并模块依次进行，前一个模块的输出是后一个模块的输入。

本申请第二个方面提供的网格模型缝合方法，包括：

模型分割模块将三维几何模型按照几何特征或几何零部件分成至少两个不同的组，每个组包含一个子模型；

并行生成网格模块对各个子模型并行执行网格生成，每个线程之间不进行通信；网格合并模块，是将各个子模型对应的网格文件进行合并，最终生成一个完整的网格文件；其中，

模型分割模块、并行生成网格模块、网格合并模块依次进行，前一个模块的输出是后一个模块的输入。

在一种优选实施例中，所述至少两个不同的组之间有明确的几何线，但任意两组之间无重叠几何面，并且所有的组的集合，包含三维几何模型的所有几何特征。

在一种优选实施例中，每个子模型单独保存成一个文件；所述按照几何层次关系，将模型信息保存下来。

在一种优选实施例中，所述每个子模型文件放置在一起，即在同一个文件夹内，文件名称表征出几何部件的前后邻接关系。

在一种优选实施例中，所述网格模型缝合系统还包括子模型排序模块，用于按照几何部件的前后邻接关系进行排序，并按照子模型所在的几何层次进行命名。

在一种优选实施例中，系统自动识别可以调用的CPU核数，并在线程池中创建线程。

在一种优选实施例中，所述多个子模型分别运行在不同的线程中，各个线程不进行数据通信。

在一种优选实施例中，所述网格模型缝合系统还包括多线程执行模块，用于根据子模型的个数，在线程池中创建对应数目的线程，每个线程执行一个子模型文件，直到所有的子模型执行。

在一种优选实施例中，所述网格模型缝合系统还包括并发调度模块，用于自动获得主机的CPU核数，根据当前CPU的负载进行均衡分配。

在一种优选实施例中，所述网格合并模块按照如下顺序依次读取每个网格文件：每个网格文件按照几何邻接关系，排成线性序列，依次从前到后进行。

在一种优选实施例中，所述网格模型缝合系统还包括读取输入文件模块，根据文件规格，将读到信息保存在内存中。

更优选地，所述输入文件模块，按行读取文件内容，将读到节点、单元、节点集保存到容器中。

在一种优选实施例中，所述并行生成网格模块，用于读入子模型，根据Delaunay算法进行网格的生成，然后输入网格模型。

更优选地，所述并行生成网格模块，根据Delaunay算法进行网格的生成，不断迭代，每次迭代都进行网格质量的检查，当满足求解器的要求时，停止迭代，然后将生成好的网格写出到文件中。

在一种优选实施例中，所述网格模型缝合系统还包括网格偏移模块，首先计算出前一个网格模型的节点总数和单元总数，然后将当前的节点和单元ID进行偏移。

在一种优选实施例中，所述网格合并模块进行合并的方法包括：每个子模型文件的节点、单元ID都是从1开始的，为了合并前一个网格模型和当前网格模型，当前网格模型的节点、单元ID的起始值为前一个网格模型节点、单元ID的最大值加1。

在一种优选实施例中，所述网格模型缝合系统还包括合并重复节点模块，将合并后的节点ID值更新到当前网格模型中。

在一种优选实施例中，所述网格合并模块判断是否存在重复节点，如果存在重复节点，则将前一个子模型中的节点ID值更新到当前子模型中，即重复节点有两个不同的ID值，取前一个子模型的节点ID值。

在一种优选实施例中，所述网格模型缝合系统还包括判断重复节点模块，用于判断是否存在重复节点。

更优选地，每个网格模型的节点和三角形的起始ID都为1，两个网格模型合并时，要先进行节点、三角形的ID偏移；所述判断重复节点模块，根据两个节点的坐标的x、y、z值是否在一个容差范围内，判断是否是重复节点。

更优选地，先进行节点排序，再进行重复节点的判断。

在一种优选实施例中，所述更新的方法包括：使用节点合并后的ID值来更新当前网格模型中所有节点、单元、节点集对该节点ID值的引用。

在一种优选实施例中，所述生成一个完整的网格文件的方法包括：每执行一次合并操作，将前一个子模型合并到当前子模型中，删除前一个子模型的网格文件，这样子模型文件总数减1，如此迭代，直到最终形成1个网格文件。

本发明上述内容中，通过OCCT技术获取原始.stp或.step内的模型所有数据，然后进行模型分割，按照几何特征或几何零部件分成多个不同的子模型，分别导出并保存成多个fstl文件，并行读取fstl文件进行网格划分，生成网格模型inp文件，根据子模型的几何零部件对网格模型进行排序，依次两两合并，最终生成1个完整的网格模型文件。

本发明上述内容中，利用inp格式文件将网格模型表述成三部分数据，分别是节点数据段，单元数据段，节点集数据段。节点数据段由网格模型所用到的所有节点构成，每个节点由ID和x、y、z坐标值构成，单元数据段由单元的ID和构成单元的节点ID值构成，节点集数据段是由一部分节点ID值构成。

本发明上述内容中，分割线上的节点采用Map容器，Map容器的查寻时间为常量1，而节点和单元的数据存贮在vector中。

本发明上述内容中，节点和单元数据结构采用struct结构体，节点类只包括4个数据成员：节点ID和x、y、z坐标值；单元类只包括4个数据成员：单元ID和三个节点的ID。

本发明利用将大规模的模型分成小的子模型，然后分别对各个子模型进行网格生成，最后再按照各个子模型在原模型中所在的层级关系进行组装，最终形成完整的网格文件。通过多线程并发技术，可以加快网格的生成，同时模型的规模与网格生成的时间呈指数关系，采用子模型远小于整体模型，这无疑进一步加快了网格生成。另外一方面，每个子模型对内存的需求也会远小于整体模型所需要的开销，这样就可以降低网格生成对计算机内存的要求。

附图说明

图1是本申请网格模型缝合方法流程示意图；

图2是本申请网格模型缝合系统的模型分割模块工作流程示意图；

图3是本申请网格模型缝合系统的并行生成网格模块工作流程示意图；

图4是本申请网格模型缝合系统的网格合并模块工作流程示意图。

具体实施方式

本发明网格模型缝合系统包括：模型分割模块，并行生成网格模块，网格合并模块。参照图1，三个模块工作依次进行，前一个模块的输出是后一个模块的输入。

模型分割模块，将三维几何模型按照几何特征或几何零部件分成多个不同的组，组之间有明确的几何线，形成多个子模型，每个子模型单独保存成一个文件，放置在一起。其中，模型分割模块将三维几何模型按照几何特征或几何零部件分成多个不同的组，模型的分组，既可以按零件进行分组，也可以对某个零件按几何面进行分组。组之间有明确的几何线，任意两组之间无重叠几何面，所有组的几何面/体合起来后无几何特征的遗漏，保证分割后模型的完整性和正确性。每个子模型单独保存成一个文件，每个文件保存了原始模型的体、面、线等几何信息，并按照几何层次关系，将模型信息保存下来；每个子模型文件放置在一起，即在同一个文件夹内，文件名称表征出几何部件的前后邻接关系。

并行生成网格模块，通过读取子模型文件，进行网格划分，生成网格文件，多个子模型可以并行处理，充分使用多核CPU提高吞吐量。其中，系统可以自动识别可以调用的CPU核数，在线程池中创建线程，如果创建失败，进行等待，直到可以申请到资源后再进行运行，无需要用户参与。多个子模型分别运行在不同的线程中，各个线程不进行数据通信，这样可以高效地并发作业，每个线程完成时，调用不同的IO实例，将网格模型写入到个自的文件中。

网格合并模块，按照子模型的邻接关系，依次读取网格文件，两两合并，将前一个网格模型合并到下一个网格模型中。对交界线的节点ID进行合并，更新无效节点。由于网格文件两两合并，可以两两并行合并，最终再形成完整的网格文件。其中，读取每个模型文件文件，分别在线程内部调用网格生成算法，不断迭代产生质量较好的三角形，直到满足求解器要求。依次读取每个网格文件时，每个网格文件按照几何邻接关系，排成线性序列，依次从前到后进行；对于第一个文件，里面的节点、单元、分组信息保持不变。两两合并时，每个模型文件的节点、单元ID都是从1开始的，为了合并前一个网格模型和当前网格模型，当前网格模型的节点、单元ID的起始值为前一个网格模型节点、单元ID的最大值加1。对交界线的节点ID进行合并时，前后两个邻接文件可能有重复的节点，如果存在重复节点，需要将前一个网格模型中的节点ID值更新到当前网格模型中，即重复节点有两个不同的ID值，取前一个网格模型的节点ID值；由于重复节点的存在，导致当前网格模型中存在无效的节点ID，因此需要使用节点合并后的ID值来更新当前网格模型中所有节点、单元、节点集对该节点ID值的引用。每执行一次合并操作，将前一个网格模型合并到当前网格模型中，删除前一个网格文件，这样子模型文件总数减1，如此迭代，直到最终形成1个模型文件，即为最终完整网格文件。

举例来讲，所述两两合并，具体而言，对于按邻接关系构成的线性序列，比如ABCDEF六个子模型文件，可以起动三个线程，分别对AB、CD、EF分别执行合并，然后再对合并后的三个文件再执行合并操作，如此并行迭代，不仅可以降低内存占用，还可以提高执行效率。

本申请网格模型缝合系统一种具体实施例中，包括：

(1)模型分割模块：将三维网格零件模型按几何部件，或对同一几何部件的不同几何面进行分组，然后生成fstl文件；

(2)子模型排序模块：按照几何部件的前后邻接关系进行排序，将排序后的文件名存放在list容器中；

(3)多线程执行模块：根据子模型的个数在线程池中创建线程，启动线程，直到线程运行结束，返回主线程；

(4)并发调度模块：获得主机的CPU核数，进行负载均衡，最大限度地使用计算机硬件资源；

(5)并行网格划分模块：根据Delaunay算法进行网格的生成，将生成好的网格写出到文件中；

(6)读取输入文件模块：定义节点和单元结构体，将节点和单元数据放在vector容器中，将节点集中的节点ID存放在vector容器中；

(7)网格偏移模块：将前一个网格的节点和单元总数记录下来，当前网格节点和单元在总数基础上加1；

(8)判断重复节点模块：通过重载比较操作符来比较两个节点是否相同，当两个节点相同时，将重复的两个节点ID记录下来，用于后面的合并重复节点；

(9)合并重复节点模块：遍历当前网格模型中所有的节点、单元、节点集中的数据，如果发现当前节点ID属于重复节，更换当前节点ID为新的ID值；

(10)合并网格文件模块：将前一个网格数据和当前网格数据进行合并，然后将合成后的数据写出到新的文件中，数据写完后删除原来的两个网格文件。

本方法方案的涉及大量的数据检索，合适的数据结构或容器可以降低查寻时间，对于分割线上的节点采用Map容器，Map容器的查寻时间为常量1，而节点和单元的数据存贮在vector中，这样使得数据在内存中是连续的分布,提高内存使用效率。

另外，节点和单元数据结构采用struct结构体，节点类只包括4个数据成员：节点ID以及x、y、z坐标值；单元类只包括4个数据成员：单元ID和三个节点的ID。这样的数据结构在类型上既是平凡的(trival)又是标准的(standard-layout)。

本发明所述的一种大规模网格模型缝合技术的有益效果在于：降低内存占用，如果1亿节点的网格模型存贮信息占用6.7G内存，切割10份，那个每个子模型存贮信息就会降低到原来的1/10，这是一个可观的收益。另外，可以提高网格生成速度，网格规模与生成的时间并不是线性关系，随着网格规模的提高，网格生成的时间呈指数级增长，如果将大规模网格分成10份，并行生成，那么总的网格生成时间将显著缩短。

参照图2，模型分割模块工作方式为：系统读取.stp或.step三维几何模型文件，然后系统查找导入数据文件模型中的零件数目，依照几何零件之间的关系，或对同一几何零件按照拓扑关系分成N个子模型(N为自然数)，分别将子模型保存成N个fstl文件，并记录子模型的几何零部件。

例如，对于一个由长方体零件A和圆柱形零件B组成的装配体Assembly.stp，执行顺序如下：

1.读取Assembly.stp的fstl文件，识别出A、B、C、D零件，将零件名称、ID存到PartList链表容器中；

2.遍历PartList链表，对每一个Part零件进行离散化，分别输出A.fstl、B.fstl、C.fstl、D.fstl文件；

3.读取各个零件之间的几何零部件，比如B和C之间存在交界线，将B和C以及交界线ID在InterSectionList链表中；

4.按照几何零部件对子模型进行排序，存放在MergeList链表中，这里的顺序可以是：从A开始,然后是B，然后是B与C交线，然后是D，也可以反过来。

参照图3，并行生成网格模块工作为：系统读取工作目录下的所有fstl文件，以第i(i为≤N的自然数)个sftl文件为例，根据文件数目创建对应的子线程，并启动子线程；同时系统读取计算机的CPU内核数目，按负载均衡进行调度；在每个子线程内部执行网格生成算法，直到线程执行完毕。

例如，对前面生成的A.fstl、B.fstl、C.fstl、D.fstl文件，执行顺序如下：

1.创建四个子线程，将生成网格算法的函数移入线程中，启动子线程；

2.读取计算机的CPU内核为8，将两个线程调度到两个空闲的内核上；

3.子线程执行网格生成算法，子线程结束时，生成网格文件，分别是A.inp、B.inp、C.inp、D.inp；

4.在网格生成算法中，读取InterSectionList链表，对于存在交界线的，将对应几何线上的节点保存到Group中，Group名称为前后两个Part的名称加连接符，示例中Group的名称为：B-C。

参照图4，合并网格模块工作为：根据排序链表，依次两两执行合并，如果子模型个数大于4，可以启动并行合并算法。合并过程中，先执行节点、单元偏移，再执行交界线节点合并，以及更新无效节点ID，合成后将数据导出到新的inp文件中，同时删除原来的两个文件，再执行合并，直到合成所有的子模型文件。

例如，对前面生成的A.inp、B.inp、C.inp、D.inp文件，执行顺序如下：

1.读取MergeList链表，这里子模型个数大于4，因为分成两个子合并流程，分别是A和B合并，C和D合并；

2.A和B合并过程中，先读取子模型A，将A合并到B中，详细的执行过程如下：

A)读取A.inp文件，将节点、单元、节点集数据分别读入到nodes_A、elems_A、nset_A容器中，同时记录下A模型中的节点总数nodeCount和单元总数eleCount；

B)读取B.inp文件，将节点、单元、节点集数据分别读入到nodes_B、elems_B、nset_B容器中；

C)将nodes_B和nset_B中的每个节点ID改为当前节点ID+nodeCount，每个单元ID改为当前单元ID+eleCount；

D)查寻InterSectionList链表，如果两个子模型有交界线，执行e),如果子模型没有交界线，执行f)；

E)将nset_A与nset_B两个节点集进行排序，然后根据两个节点的x,y,z坐标是否在容差内，判断这两个节点是否相同，如果相同，将这两个节点放在pair数据对中，对nodes_B、elems_B、nset_B执行节点ID替换操作，同时删除nodes_B中重复的节点项；

F)将nodes_A、elems_A、nset_A分别合并到nodes_B、elems_B、nset_B；

G)将合并后的数据导出到新的网格文件，这里是A_B.inp文件；

H)删除A.inp、B.inp；

3.对C和D合并，与上述过程相同，生成C_D.inp文件，删除C.inp、D.inp文件；

4.对两个子合并过程生成的两个文件A_B.inp和C_D.inp文件，再次执行合并操作，具体操作与上述过程相同，生成A_B_C_D.inp文件，删除A_B.inp文件和C_D.inp文件。

本发明所述fstl和inp文件格式简单，只能描述三维物体的网格信息，不支持颜色材质等信息，是描述网格模型的文件格式。

本发明所述OCCT(Open CASCADE Technology)是一个建模工具，OpenCascade提供二维和三维几何体的生成、显示和分析。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但仅是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种网格模型缝合系统，其特征在于，包括：

模型分割模块，用于将三维几何模型按照几何特征或几何零部件关系分成至少两个不同的组，每个组包含一个子模型；

并行生成网格模块，用于对各个子模型并行执行网格生成，每个线程之间不进行通信；

网格合并模块，用于将各个子模型对应的网格文件进行合并，最终生成一个完整的网格文件；其中，

模型分割模块、并行生成网格模块、网格合并模块依次进行，前一个模块的输出是后一个模块的输入。

2.根据权利要求1所述的网格模型缝合系统，其特征在于，所述网格模型缝合系统还包括子模型排序模块，用于按照几何部件的前后邻接关系进行排序，并对子模型进行命名。

3.根据权利要求1所述的网格模型缝合系统，其特征在于，所述网格模型缝合系统还包括多线程执行模块，用于根据子模型的个数，在线程池中创建对应数目的线程，每个线程执行一个子模型文件，直到所有的子模型执行。

4.根据权利要求3所述的网格模型缝合系统，其特征在于，所述网格模型缝合系统还包括并发调度模块，用于自动获得主机的CPU核数，根据当前CPU的负载进行均衡分配。

5.根据权利要求1所述的网格模型缝合系统，其特征在于，所述网格模型缝合系统还包括读取输入文件模块，根据文件规格，将读到信息保存在内存中。

6.根据权利要求1所述的网格模型缝合系统，其特征在于，所述并行生成网格模块，根据Delaunay算法进行网格的生成，不断迭代，每次迭代都进行网格质量的检查，当满足求解器的要求时，停止迭代，然后将生成好的网格写出到文件中。

7.根据权利要求1所述的网格模型缝合系统，其特征在于，所述网格模型缝合系统还包括：

网格偏移模块，首先计算出前一个网格模型的节点总数和单元总数，然后将当前的节点和单元ID进行偏移；

合并重复节点模块，将合并后的节点ID值更新到当前网格模型中；

判断重复节点模块，用于判断是否存在重复节点。

8.一种网格模型缝合方法，其特征在于，包括：

模型分割模块将三维几何模型按照几何特征或几何零部件关系分成至少两个不同的组，每个组包含一个子模型；

并行生成网格模块对各个子模型并行执行网格生成，每个线程之间不进行通信；网格合并模块，是将各个子模型对应的网格文件进行合并，最终生成一个完整的网格文件；其中，

模型分割模块、并行生成网格模块、网格合并模块依次进行，前一个模块的输出是后一个模块的输入。

9.根据权利要求8所述的网格模型缝合方法，其特征在于，所述至少两个不同的组之间有明确的几何线特征，但任意两组之间无重叠几何面，并且所有的组的集合，包含三维几何模型的所有几何特征；

所述每个子模型文件放置在一起，即在同一个文件夹内，文件名称表征出几何部件的前后邻接关系。

10.根据权利要求8所述的网格模型缝合方法，其特征在于，识别可以调用的CPU核数，并在线程池中创建线程；所述多个子模型分别运行在不同的线程中，各个线程不进行数据通信。