CN112288874A - 基于cad模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，(1)在三维建模软件中建立基本几何和复杂物体的CAD三维几何模型并导出；(2)读取物体的CAD模型，建成表面闭合的CAD三维网格模型库；(3)对于不在模型库内的复杂几何，利用三维网格模型之间的布尔运算进行表达；(4)对放射源所在的几何区域进行采样生成点核；(5)基于CAD三维网格模型进行射线追踪；(6)采用点核方法进行伽马辐射计算。本发明实现仿真场景与辐射计算模型的耦合，辐射建模方法更灵活、高效，计算更简便。

Description

基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法

技术领域

本发明涉及一种伽马辐射建模计算仿真方法，尤其涉及一种基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法。

背景技术

核设施退役环境的重要特点之一是具有放射性，其总体成本、相关风险、安全措施、设备和资源等主要受辐射条件影响，保证工作人员、公众与环境的安全是制约整个核设施退役作业活动的关键，因此辐射安全分析工作是不可或缺的。由于核设施具有高放射性、高复杂性的特点，无法利用实际场景进行人员培训以及安全分析，目前，世界上不同地区的研究者均考虑利用仿真技术进行危险环境下的分析工作，已被证明是一种安全、高效和低成本的研究方式。然而，在核设施退役过程中，设备众多且存在大量切割、拆除工作，会产生不规则形状的放射源和物体，这些不规则形状甚至超出几何模型库所包含的几何范围，并且核设施结构经常发生变化，因此极大地增加了辐射环境建模的难度。因而，针对复杂几何的快速辐射建模计算仿真方法对人员安全分析十分重要。

目前，点核方法是国际上常用的辐射剂量计算方法之一，并开发了相应的辐射剂量计算软件，例如、QAD、Microshield、Mercure等，但大都采用但是大都采用组合几何方法和文本描述建立环境模型，或利用基本几何体对场景进行简化，对于复杂几何建模效率较低。另一种方式是通过CAD(Computer Aided Design)技术建立几何模型，并与点核方法结合，实现复杂几何下的辐射计算，虽然解决了复杂几何建模问题，但是环境描述能力受限于事先建立的模型库。

从上面的分析可以看出，核设施退役过程的辐射剂量评估工作对人员安全分析十分重要。然而现有方法大都依赖于事先建立的模型库，并采用文本及简化建模的方式，导致在结构变化频繁的场景下建模效率较低，缺乏适用范围广的伽马辐射快速建模及计算仿真方法。

综上所述，开发出一套高效且适用范围广的针对核设施退役切割拆除过程的伽马辐射建模计算仿真方法对核设施退役作业人员的安全分析具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服对核设施退役切割拆除过程产生的复杂几何建模存在的效率低、模型库表达范围有限的问题，而提出的一种基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，可以利用CAD技术的强大建模能力对复杂几何进行表达，并利用CAD三维网格模型的布尔运算对超出模型库表达范围的几何进行快速建模，然后基于CAD网格模型进行射线追踪，最后利用点核方法对所考虑区域进行辐射计算，真正实现仿真场景与辐射计算模型的耦合。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，包括如下步骤：

(1)在三维建模软件中建立基本几何和复杂物体的CAD三维几何模型并导出；

(2)读取物体的CAD模型，建成表面闭合的CAD三维网格模型库；

(3)对于不在模型库内的复杂几何，利用三维网格模型之间的布尔运算进行表达；

(4)对放射源所在的几何区域进行采样生成点核；

(5)基于CAD三维网格模型进行射线追踪；

(6)采用点核方法进行伽马辐射计算。

三维网格模型的布尔运算包括：

1)两个CAD网格模型A、B的三角面集合分别记为T₁和T₂；

2)首先从T₁中选择一个三角面ΔABC∈T₁，并从T₁中移除，之后遍历T₂中的三角面。

3)若ΔABC与T₂中的三角面无交集，则重复步骤1)；若ΔXYZ∈T₂，且与ΔABC相交，则将ΔXYZ从T₂中移除。分别计算ΔXYZ与ΔABC各自的三条边在对方内部的交点，构成交点集合J。

4)任选一个交点E∈J，并从J中移除E，以E作为公共顶点，将ΔABC分为三个子三角形ΔEAB，ΔEBC和ΔECA，之后选择另一交点F∈J，并从J中移除F，确定F位于某个子三角形ΔUVW内，并以F为公共顶点将子三角形ΔUVW再次分割为三个子三角形，删除ΔUVW，重复以上过程直到J为空，将最终产生的子三角形放入T₁。按照相同的方式处理ΔXYZ，并将最终产生的子三角形放入T₂；

5)重复步骤2)～4)，直到三角面集合T₁为空，所有未分割的三角面与最终分割产生的三角面构成新的三角面集合TN。

6)遍历TN中的三角面。“交”运算与CAD模型的交集运算相对应，采用运算符“/”进行表示，即A/B，中心点位于模型A、B内部的三角面构成了A、B的交集；“并”运算与CAD模型的并集运算相对应，采用运算符“+”进行表示，即A+B，将中心点位于模型A、B内部的三角面从TN中移除，TN中剩余的三角面构成了A、B的并集；“补”运算与CAD模型的差集运算相对应，采用运算符“-”进行表示，即A-B，将中心点位于模型B外部的三角面构成集合TA，将中心点位于模型A内部的三角面构成集合TB，并将TB三角面顶点顺序反转，反转法线方向，TA与TB组合构成了A、B的差集。

空间点位于CAD模型内部的判断方法为：

CAD模型表面由三角面构成，每个三角面的法线指向模型的外部。以空间点P为起点，向任意方向引发一条射线，计算射线与物体CAD模型的三角面的交点集合J，若无交点，则该P位于模型外部；若存在交点，则在J中选取距离P最近的交点I，构成向量

I点处的法线记为

若

说明P在模型外部；否则，P在物体内部或表面上。

对放射源所在的几何区域进行采样生成点核包括：

1)输入放射源强度，材料信息，设置点核密度为N_m；

2)获取第i个放射源的包围盒B_i，在B_i范围内随机均匀生成采样点作为点核位置。包围盒B_i内的采样点个数N_i＝N_m×V_i，其中V_i为B_i的体积；

3)采样过程中只有位于放射源内部或表面的采样点为有效采样点，在有效采样位置生成一个点核，若采样点位于放射源外部则舍弃，重复以上步骤直至包围盒B_i内的采样数量为N_i，所有有效采样点构成第i个放射源的点核表达形式。

4)重复以上步骤直至遍历完所有放射源区域。

放射源包围盒内的采样点有效性识别方法为：

按照上述空间点位于CAD模型内部的判断方法，判断采样点P是否位于物体外部。若P位于物体外部，则舍弃；否则，在采样点P位置生成一个点核。

基于CAD三维网格模型进行射线追踪包括：

1)构以点核P为起点，探测点T为终点构建一条线段PT；

2)遍历第i个CAD三维网格模型A_i的三角面集合，获得线段PT与A_i三角面的交点集合J，将J中的交点按照距离起始点P由近到远的顺序排序，去除重复点(包括与P、T重复的情况)，共包含k个交点，排序后的交点依次记为J_j(j＝1，2，…，k)；

3)按照上述空间点位于CAD模型内部的判断方法，判断P、T是否在A_i内。若P在A_i外部而T不在A_i外部，按照J₁J₂，J₃J₄，…，J_k-1J_k，J_kT的顺序构造线段；若P、T均在A_i外部，按照J₁J₂，J₃J₄，…，J_k-1J_k的顺序构造线段；若P、T均不在A_i外部，按照PJ₁，J₂J₃，J₄J₅，…，J_kT的顺序构造线段；若P不在A_i外部而T在A_i外部，按照PJ₁，J₂J₃，J₄J₅，…，J_k-1J_k的顺序构造线段。之后，将所有线段的长度进行累加，获得点核与探测点的连线在A_i内的几何距离。

4)按照步骤2)、3)方式遍历所有模型，获得点核与探测点的连线在各个CAD模型所代表的屏蔽体材料内的几何距离。

采用点核方法进行伽马辐射计算包括：

输入探测点位置，采用点核方法进行辐射剂量计算，一个放射源产生的辐射剂量D的计算公式如下：

式中，N为放射源内的点核数量；S是放射源强度；m为能量个数；E为光子能量；C为伽马光子辐射效应转换因子；B是累积因子，从ANSI/ANS-6.4.3以及G-P拟合公式获得；P(E)为放射源发射能量为E的光子概率；t是伽马光子从点核到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程；r_i是第i个点核到探测点的距离。

式中，i为点核与探测点直线穿过的材料编号；m_i(E)为在能量为E时，光子在第i种材料内的质量减弱系数；d_i为点核与探测点的连线在第i种材料内的几何距离。

将所有放射源产生的辐射剂量累加，最终探测点处辐照剂量计算完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明没有依靠手动书写几何模型文件，而是通过将组合几何思想与CAD模型结合，利用CAD技术的强大建模能力来对复杂几何进行表达，并利用CAD三维网格模型的布尔运算对超出模型库表达范围的几何进行快速自动建模，然后基于CAD网格模型进行射线追踪，并在CAD三角网格模型的基础上进行射线追踪，实现仿真场景与辐射计算模型的耦合，辐射建模方法更灵活、高效，计算更简便。

附图说明

图1整体计算程序框图；

图2三维模型布尔运算程序框图；

图3三维模型布尔运算结果图；

图4点核有效性识别图；

图5基于CAD三维网格模型的射线追踪图。

其中，图4中，不规则曲线代表物体，外部长方体边框代表物体的包围盒，方块代表位于物体内的采样点，三角形代表位于物体外的采样点，虚线代表从采样点引出的任意方向的射线，箭头代表射线方向，圆点代表射线与物体的交点，带箭头的实线代表交点处的法线方向；图5中，不规则曲线代表物体，三角形代表点核，正方形代表探测点，带箭头的直线代表点核与探测点的连接线段，圆点代表点核与探测点的连接线段与物体的交点。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明涉及辐射防护领域，主要是对核设施退役切割、拆除过程中产生的具有复杂几何的放射源和屏蔽体等进行快速辐射建模计算仿真。本发明包括：在三维建模软件中建立基本几何和复杂物体的CAD三维几何模型并导出；读取物体的CAD模型，建成表面闭合的CAD三维网格模型库；利用三维网格模型之间的布尔运算进行复杂几何建模；对放射源所在的几何区域进行采样生成点核；基于CAD三维网格模型进行射线追踪；采用点核方法进行伽马辐射计算。

本发明采用以下技术方案：

本发明的软件是以Visual Studio 2017为平台，采用C++编写的，其主要功能为：对三维模型文件进行读取，利用CAD模型的布尔运算进行自动快速建模，对放射源和屏蔽体进行参数设定，最终实现复杂几何和放射源的辐射剂量计算和可视化。

1、利用CAD工具构建工具、管道、设备等的三维虚拟模型，构建包含基本体与复杂几何在内的模型库，作为初始输入；

2、利用CAD三维网格模型的布尔运算进行建模，建模效果如附图3a-d所示，输入几何为正方体和球形，从左到右依次为原图、“交”运算结果、“并”运算结果、“减”运算结果。之后对放射源和屏蔽体进行参数设定；

3、对放射源所在的几何区域进行采样生成点核(图4)：以采样点P为起点，向任意方向引发一条射线，计算射线与CAD网格模型的三角面的交点集合J，若无交点，则该采样点位于物体外部，舍弃；若存在交点，则在J中选取距离P最近的交点I，构成向量

I点处的法线记为

若

说明P在物体外部，舍弃；否则，采样点不在物体外部，则在采样点P位置生成一个点核。

4、基于CAD模型进行射线追踪(图5a-d)：

1)以点核P为起点，探测点T为终点构建一条线段PT，获得线段PT与第i个CAD模型A_i的三角面的交点集合J，如图5a-d中的圆点所示。之后按照距离起始点P由近到远的顺序排序，去除重复点(包括与P、T重复的情况)；

2)PT与物体相交时的情况有图5a-d所示的4种情形，若P在A_i外部而T不在A_i外部，按照J₁J₂，J₃J₄，…，J_k-1J_k，J_kT的顺序构造线段，如图5a所示；若P、T均在A_i外部，按照J₁J₂，J₃J₄，…，J_k-1J_k的顺序构造线段，如图5b所示；若P、T均不在A_i外部，按照PJ₁，J₂J₃，J₄J₅，…，J_kT的顺序构造线段，如图5c所示；若P不在A_i外部而T在A_i外部，按照PJ₁，J₂J₃，J₄J₅，……，J_{k- 1}J_k的顺序构造线段，如图5d所示。之后，将所有线段的长度进行累加，获得点核与探测点的连线在A_i内的几何距离。遍历所有模型，获得点核与探测点的连线在各个CAD模型所代表的屏蔽体材料内的几何距离。

5、采用点核方法进行伽马辐射计算：输入探测点位置，采用点核方法进行辐射剂量计算，辐射剂量D的计算公式如下：

式中，G为放射源数量；N_j为第j个放射源内的点核数量；S_j是第j个放射源的强度；m为能量个数；E为光子能量；C为伽马光子辐射效应转换因子；B是累积因子，从ANSI/ANS-6.4.3以及G-P拟合公式获得；P(E)为放射源发射能量为E的光子概率；t是伽马光子从点核到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程；r_i是第i个点核到探测点的距离。

式中，i为点核与探测点直线穿过的材料编号；μ_i(E)为在能量为E时，光子在第i种材料内的质量减弱系数；d_i为点核与探测点的连线在第i种材料内的几何距离。

Claims (6)

1.一种基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)在三维建模软件中建立基本几何和复杂物体的CAD三维几何模型并导出；

(2)读取物体的CAD模型，建成表面闭合的CAD三维网格模型库；

(3)对于不在模型库内的复杂几何，利用三维网格模型之间的布尔运算进行表达；

(4)对放射源所在的几何区域进行采样生成点核；

(5)基于CAD三维网格模型进行射线追踪；

(6)采用点核方法进行伽马辐射计算。

2.根据权利要求1所述的基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，其特征是，所述三维网格模型之间的布尔运算包括：

1)两个CAD网格模型A、B的三角面集合分别记为T₁和T₂；

2)首先从T₁中选择一个三角面ΔABC∈T₁，并从T₁中移除，之后遍历T₂中的三角面；

3)若ΔABC与T₂中的三角面无交集，则重复步骤1)；若ΔXYZ∈T₂，且与ΔABC相交，则将ΔXYZ从T₂中移除；分别计算ΔXYZ与ΔABC各自的三条边在对方内部的交点，构成交点集合J；

4)任选一个交点E∈J，并从J中移除E，以E作为公共顶点，将ΔABC分为三个子三角形ΔEAB，ΔEBC和ΔECA，之后选择另一交点F∈J，并从J中移除F，确定F位于某个子三角形ΔUVW内，并以F为公共顶点将子三角形ΔUVW再次分割为三个子三角形，删除ΔUVW，重复以上过程直到J为空，将最终产生的子三角形放入T₁；按照相同的方式处理ΔXYZ，并将最终产生的子三角形放入T₂；

5)重复步骤2)～4)，直到三角面集合T₁为空，所有未分割的三角面与最终分割产生的三角面构成新的三角面集合TN；

6)遍历TN中的三角面；“交”运算与CAD模型的交集运算相对应，采用运算符“/”进行表示，即A/B，中心点位于模型A、B内部的三角面构成了A、B的交集；“并”运算与CAD模型的并集运算相对应，采用运算符“+”进行表示，即A+B，将中心点位于模型A、B内部的三角面从TN中移除，TN中剩余的三角面构成了A、B的并集；“补”运算与CAD模型的差集运算相对应，采用运算符“-”进行表示，即A-B，将中心点位于模型B外部的三角面构成集合TA，将中心点位于模型A内部的三角面构成集合TB，并将TB三角面顶点顺序反转，反转法线方向，TA与TB组合构成了A、B的差集。

3.根据权利要求1所述的基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，其特征是，所述三维网格模型之间的布尔运算包括：

4.根据权利要求1所述的基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，其特征是，所述步骤(4)具体为：

1)输入放射源强度，材料信息，设置点核密度为N_m；

2)获取第i个放射源的包围盒B_i，在B_i范围内随机均匀生成采样点作为点核位置；包围盒B_i内的采样点个数N_i＝N_m×V_i，其中V_i为B_i的体积；

3)采样过程中只有位于放射源内部或表面的采样点为有效采样点，在有效采样位置生成一个点核，若采样点位于放射源外部则舍弃，重复以上步骤直至包围盒B_i内的采样数量为N_i，所有有效采样点构成第i个放射源的点核表达形式；

4)重复以上步骤直至遍历完所有放射源区域；

放射源包围盒内的采样点有效性识别方法为；

按照空间点位于CAD模型内部的判断方法，判断采样点P是否位于物体外部；若P位于物体外部，则舍弃；否则，在采样点P位置生成一个点核；

所述空间点位于CAD模型内部的判断方法为：

CAD模型表面由三角面构成，每个三角面的法线指向模型的外部；以空间点P为起点，向任意方向引发一条射线，计算射线与物体CAD模型的三角面的交点集合J，若无交点，则该P位于模型外部；若存在交点，则在J中选取距离P最近的交点I，构成向量

I点处的法线记为

若

说明P在模型外部；否则，P在物体内部或表面上。

5.根据权利要求1所述的基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，其特征是，所述步骤(5)具体为：

1)构以点核P为起点，探测点T为终点构建一条线段PT；

2)遍历第i个CAD三维网格模型A_i的三角面集合，获得线段PT与A_i三角面的交点集合J，将J中的交点按照距离起始点P由近到远的顺序排序，去除重复点(包括与P、T重复的情况)，共包含k个交点，排序后的交点依次记为J_j(j＝1，2，…，k)；

3)按照空间点位于CAD模型内部的判断方法，判断P、T是否在A_i内；若P在A_i外部而T不在A_i外部，按照J₁J₂，J₃J₄，…，J_k-1J_k，J_kT的顺序构造线段；若P、T均在A_i外部，按照J₁J₂，J₃J₄，…，J_k-1J_k的顺序构造线段；若P、T均不在A_i外部，按照PJ₁，J₂J₃，J₄J₅，…，J_kT的顺序构造线段；若P不在A_i外部而T在A_i外部，按照PJ₁，J₂J₃，J₄J₅，…，J_k-1J_k的顺序构造线段；之后，将所有线段的长度进行累加，获得点核与探测点的连线在A_i内的几何距离；

4)按照步骤2)、3)方式遍历所有模型，获得点核与探测点的连线在各个CAD模型所代表的屏蔽体材料内的几何距离。

6.根据权利要求1所述的基于CAD模型与布尔运算的伽马辐射建模计算仿真方法，其特征是，所述步骤(6)具体为：

输入探测点位置，采用点核方法进行辐射剂量计算，一个放射源产生的辐射剂量D的计算公式如下：

式中，N为放射源内的点核数量；S是放射源强度；m为能量个数；E为光子能量；C为伽马光子辐射效应转换因子；B是累积因子，从ANSI/ANS-6.4.3以及G-P拟合公式获得；P(E)为放射源发射能量为E的光子概率；t是伽马光子从点核到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程；r_i是第i个点核到探测点的距离；

式中，i为点核与探测点直线穿过的材料编号；m_i(E)为在能量为E时，光子在第i种材料内的质量减弱系数；d_i为点核与探测点的连线在第i种材料内的几何距离；

将所有放射源产生的辐射剂量累加，最终探测点处辐照剂量计算完成。

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