CN112329321A - 一种空间离散网格点重归整化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间离散网格点重归整化方法，属于有限元数值模拟中的网格自动生成领域，针对有限元网格自动生成与网格变形技术在一些问题的局限性，从而提出采用结构、非结构混合的方式实现局部形状改变下复杂外形有限元网格的全自动生成。但因非结构网格是无序排列的，故需对无序排列的离散网格点进行重归整化以形成网格算法能使用的数据结构；本发明适用于四边形结构网格，通过网格点的连接关系对离散网格点进行分类，运用递归查找的方式逐步搜索相邻网格点，并依照此方式逐网格块逐行将空间离散网格点进行重归整化。

Description

一种空间离散网格点重归整化方法

技术领域

本发明涉及CAE数值模拟离散网格生成领域，尤其涉及有限元数值模拟中的网格自动生成领域，具体为一种空间离散网格点重归整化方法。

背景技术

伴随计算机硬件与数值仿真算法的快速发展和成熟，基于有限元（FiniteElement Method, FEM）方法的数值模拟技术逐步在众多领域得到广泛应用，为探索行业未来潜力提供强有力工具，支撑众多行业的持续发展。网格作为有限元数值仿真的离散基础，决定了仿真结果的精准度，是影响仿真收敛和效率的重要因素。但复杂形状的有限元网格生成仍然是充满挑战性的工作，费时费力，很多情况下良好网格的生成极度依赖人员常年的经验积累。

尤其对于优化设计、可靠性分析等问题，需要生成几百甚至几万个计算状态的有限元网格，人工生成面临巨大的挑战和不确定性，有限元网格自动生成是解决这类问题的主要途径。然而，目前的自动生成方法多采用整体一体生成的方式，需要解决数模修补、参数调整等众多问题，状态众多时仍然十分耗时费力。另一方面，当前基于非结构化单元的自动生成方法无法维持单元拓扑关系，可能引入不确定性的数值离散误差，带来掩盖可靠性分析、优化设计结果真值的风险。而网格变形技术能够维持网格单元的拓扑关系，避免引入全新的离散误差，但对于相贯线改变的情况，如曲面打孔，网格变形技术显得无能为力。

针对这一难题，可以采用结构、非结构混合的方式实现局部形状改变下复杂外形有限元网格的全自动生成。例如，用非结构方式生成不变外形部分的基础网格，而用结构方式生成变形外形部分的网格，从而可以维持形状变形后网格单元的拓扑关系。然后将两部分网格进行合并，形成全新的有限元计算网格。但新的混合网格生成思路又将带来新的问题，即界面位置数据的匹配。非结构网格在界面位置的网格点是无序排列的，需要对这些无序排列的离散网格点进行重归整化，形成结构网格算法能够识别和使用的数据结构。

当前，尚未有方法对该问题进行过研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种空间离散网格点重归整化方法，即将空间中离散的网格点通过点与点之间相邻连接关系，运用递归查找点的方式将混乱的网格点重归整化为标准规则的网格。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种空间离散网格点重归整化方法，包括以下步骤：

S1:定义网格点结构体数组和网格块结构体数组，网格点结构体数组用于存放网格点信息，网格块结构体数组用于存放网格块信息，

网格点的结构体包括：网格点序号、网格点变量、网格点坐标，

网格块的结构体包括：四个网格点的拓扑关系信息，每个网格块的拓扑关系为每个网格块中网格点序号的连接方式；

S2:将所有需要重归整化的网格点数据信息分别存入网格点结构体数组和网格块结构体数组中；

S3:通过遍历网格点结构体数组和网格块结构体数组对所有需要重归整化的网格点分类，包括网格边界点、网格角点和网格内点；

S4:任意选取一个S3中确定的网格角点作为空间网格重归整化的起始点；

S5:确定与S4中起始点在同一行的所有需归整出的网格点，具体为：

S51:定义一个临时的单个网格块结构体，依次遍历每个网格块的拓扑关系中的网格点序号，直到找到一个网格点序号与起始点的序号相等，将找出的网格点所在的单个网格块存放到定义的临时单个网格块结构体中，同时将该网格点所在的单个网格块中表示网格点序号的值全部赋为零；

S52:通过嵌套遍历临时单个网格块结构体与网格点结构体数组，在网格点结构体中找到与临时单个网格体中某一网格点序号相等的网格点序号，确定临时单个网格块结构体中四个网格点的结构体；

S53:定义包含四个网格点的临时结构数组,用于存放临时单个网格块结构体中网格点变更后的信息；

S54:从临时结构数组中定义一个网格点结构体为临时角点，定义初始值为0的网格点计数变量，循环S51-S54，循环一次网格点计数变量加一，直到临时结构数组中出现某一网格点的网格变量为零，结束循环，完成该行网格点的重归整化；

S55:从临时结构数组中定义与起始点相邻的网格点为下一行的起始点，循环S51-S55，完成对该行的网格点重归整化；

S56：重复S51-S56，直到完成所有的网格点重归整化。

在上述技术方案中，在重新归整出的网格是结构网格，归整出的网格角点只与两个网格点相连且只存在于一个网格块中；网格边界点只与三个网格点相连且存在于两个网格块的交点处，网格内点与四个网格点相连且存在于四个网格块的交点处。

在上述技术方案中，若网格点结构体数组中某一网格点序号与单个网格块的拓扑关系中某一网格点序号相等，则令网格点结构体数组中的网格点变量加一，以此类推，遍历完成后，值为一的便是网格角点，值为二的便是网格边界点，值为四便是网格内点。

在上述技术方案中，在S4中，遍历网格点结构体数组中所有网格点变量，找到第一个值为一的网格点变量，将该网格点作为空间网格重归整化的起始点，同时结束遍历。

在上述技术方案中，在S5中单独对第n-1行和n行网格点进行重归整化时，n为自然数，具体为：

当归整第n-1行时，定义一个包含有与网格点计数变量数值相等的网格点结构体数组用来存放第n行归整出的网格点，循环S51-S54，

当第一次临时结构数组中出现某一网格点的网格点变量为零时，循环结束，

同时将临时结构数组中出现的网格点变量为零的网格点存入到网格点结构体数组，直到网格点计数变量数值次临时结构数组中出现某一网格点的网格点变量为零时，将临时结构中出现的网格点变量为零网格点存入到网格点结构体数组后，循环S51-S54，直到完成n-1行和第n行网格点的重归整化。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明根据网格点之间的拓扑连接关系，对网格点进行分类，通过数据更新和递归调用，实现界面离散网格点重归整化，能够为混合网格生成中的结构网格部分提供可使用的边界面网格数据。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1归整化前网格点分布及网格点结构体数组示意图；

图2网格块拓扑连接和网格块结构体数组示意图；

图3归整出的结构网格示意图；

图4未归整前的网格点分类结果示意图；

图5网格块重归整化示意图；

图6第一行网格点重归整化示意图；

图7第一行和第二行网格点重归整化示意图；

图8第三行网格点重归整化时出错的示意图；

图9所有网格点重归整化后的分布示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

步骤一：定义网格点结构体数组Node用于存放网格点信息，定义网格块结构体数组Block用于存放网格块信息。每个网格点的结构体[Node _i]内包含网格点序号[Node _i]_index、网格点变量[Node _i]_var（判断网格点类型的变量）、网格点坐标[Node _i] _xyz 。

图1中每个网格节点处序号1～20代表网格点序号[Node _i]_index；图1中（1）、（2）、（4）代表网格点变量[Node _i]_var，其中（1）代表该网格点为角点网格点，（2）代表该网格点为边界网格点，（4）代表该网格点为内部网格点；图1中x _1， y _1， z ₁～x _20， y _20， z ₂₀分别代表每个网格点坐标[Node _i] _xyz 。网格块结构体数组Block如图2中（b）部分所示，图中上端12代表网格块结构体数组Block包含12个网格块，其中每个网格块的结构体[Block _i]包含该网格块四个网格点的拓扑关系信息[Block _i]_link，图中12行每行的4个序号代表每个网格块的拓扑关系[Block _i]_link，即为每个网格块中网格点序号的连接方式，框中的第三个网格块的拓扑关系[Block ₃]_link即网格点8、2、9、12顺时针依次首尾连接，图2中（a）部分表示网格块三首尾连接后的网格块，即需要重新归整出的原本结构化网格块，归整出的结果如图3所示，按照原本网格块的拓扑关系将乱序输入的网格点重新排列出规则的四边形结构网格。

步骤二：将图2需要重归整的20个网格点数据信息分别存入到步骤一所定义的网格点结构体数组Node和网格块结构体数组Block中。

步骤三：通过遍历网格点结构体数组Node和网格块结构体数组Block对所有需要重归整化的网格点分类。因需要重新归整出的网格是结构网格，故归整出的网格角点只与两个网格点相连且只存在于一个网格块中，如图3中所示的4个角点，其网格点序号分别为15、11、19、6；网格边界点只与三个网格点相连且存在于两个网格块的交点处，如图3中所示的10个边界点，其网格点序号分别为20、8、2、7、17、18、3、13、10、4；网格内点与四个网格点相连且存在于四个网格块的交点处，如图3中所示的6个内点，其网格点序号分别为16、12、9、14、5、1。

根据上述角点、边界点、内点的特性，嵌套遍历网格点结构体数组Node和网格块结构体数组Block，若Node中的某一网格点序号[Node _i]_index与[Block _i]_link中某一网格点序号数值相等，则令Node中的[Node _i]_var加一，其中所有网格点[Node _i]_var初始值为零，以此类推，遍历完成后，[Node _i]_var数值为一的则是角点，[Node _i]_var 表示为（1）；[Node _i]_var数值为二的则是边界点，[Node _i]_var 表示为（2）；[Node _i]_var数值为四的则是内点，[Node _i]_var表示为（4），从而完成对网格点的分类。对需要重归整的网格点分类后，可得到图4，表示需要规整的网格点分类结果示意图。

步骤四：确定空间网格重归整化的起始点[Node _star]，任意选取一个步骤三中确定的角点作为起始点。具体方法为，遍历网格点结构体数组中表示网格点类型的变量[Node _i]_var，找到第一个[Node _i]_var数值等于一的点，该点即可作为空间网格重归整化的起始点[Node _star]，同时结束遍历，此处找到网格点序号为15、网格点变量为（1）的点作为起始点。

步骤五：确定与步骤四中起始点[Node _star]在同一行的所有需归整出的网格点。方法如下：

（1）定义一个临时单个网格块结构体，记作[Block _temp]，其性质与每个网格块的结构体相同。首先依次遍历每个网格块[Block _i]_link中的网格点序号，即图2中（b）部分表示每个网格块中网格点拓扑关系的网格点序号，直到找到某一网格点序号为15，其与步骤三中确定的起始点[Node _star]的网格点序号相等，将找出的该网格点所在的网格块中网格点序号15、20、16、4依次存放到临时单个网格块结构体[Block _temp]中，同时将该网格点所在的单个网格块中表示网格点序号的值全部赋为零，如图5中（b）部分所示，表示第一个网格块已经归整。

（2）其次，找出临时单个网格块结构体[Block _temp]中每个网格点的结构体[Node _i]。方法为嵌套遍历[Block _temp]与Node，找到与[Block _temp]中网格点序号15相等的[Node _i]_index，即表示找到[Block _temp]中的该网格点所在的网格点结构体 [Node _i]，同理遍历找出网格点序号为20、16、4所在的网格点结构体，从而找出临时单个网格块结构体[Block _temp]中四个网格点的结构体[Node _i]。

（3）接着，定义包含四个网格点的临时结构体数组Node ₄用于存放[Block _temp]中网格点结构体[Node _i]变更后的信息，方法为把上一步骤找出的[Block _temp]中每个网格点结构体[Node _i]的网格点变量[Node _i]_var减一，将变更信息后的四个网格点信息存放到Node ₄中，四个网格点的网格点序号依次为15、20、16、4，网格点变量（0）、（1）、（3）、（1），如图5中（a）部分所示。

（4）接着，从Node ₄中定义网格点结构体[Node _now]作为临时角点，选取任意一个与起始点紧邻的网格点，此处选择Node ₄中网格点序号为20的网格点，在（3）步骤中[Node _i]表示网格点类型的变量[Node _i]_var均减一，所以此时[Node _now]变成了临时意义上的角点，即寻找该行下一个网格点的起始点。同时定义初始值为0的网格点计数变量num，表示归整出的一行网格点个数，循环步骤（1）-（4），该行每归整出一个网格点，num数值加一，直到Node ₄中出现某一网格点的网格点变量[Node _i]_var为零。循环步骤（1）-（4）结束，即该行完成网格点的重归整化，如图6所示，并且得到该行网格点个数num。图6中（a）部分表示重归正化后的第一行网格点排序。第一行网格点个数num为5。

（5）接着，从Node ₄中定义网格点结构体[Node _next]，[Node _next]是下一行的起始点，选取任意一个与起始点紧邻的网格点，此处选择Node ₄中网格点序号为④的网格点，在上一步骤中[Node _i]表示网格点类型的变量[Node _i]_var均减一，所以[Node _next]变成了临时意义上的角点，即下一行的起始点。找出下一行的起始点[Node _next]，循环（1）-（5），直到完成前2行的网格点重归整化，如图7所示，表示第二行完成网格点的重归整化后的网格点排序。图7中（a）部分表示重归整化后的第一行和第二行网格点排序。

（6）最后，由于在归整第3行时，（3）步骤定义的Node ₄中网格点变量[Node _i]_var会在归整第一个网格点时出现为零的情况，如图8中（a）部分中所示的网格点⑥在归整时网格点变量变为零，导致（4）步骤该行网格点的重归整化结束，因此需单独对第3行和第4行网格点进行重归整化。方法如下，归整第3行时，定义一个包含5个网格点结构体数组Node ₅用来存放第4行归整出的网格点，循环（1）-（4）步骤，当第一次Node ₄中出现某一网格点的网格点变量[Node _i]_var为零时，循环不结束，同时将Node ₄中出现的网格点变量[Node _i]_var为零的网格点存入到Node ₅，直到第5次Node ₄中出现某一网格点的网格点变量[Node _i]_var为零时，将Node ₄中出现的网格点变量[Node _i]_var为零的网格点存入到Node ₅后，（1）-（4）步骤循环结束，至此完成第3行和第4行网格点的重归整化。如图9所示，即是所有网格点重归整化后的分布示意图。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种空间离散网格点重归整化方法，其特征在于包括以下步骤：

S1:定义网格点结构体数组和网格块结构体数组，网格点结构体数组用于存放网格点信息，网格块结构体数组用于存放网格块信息，

网格点的结构体包括：网格点序号、网格点变量、网格点坐标，

网格块的结构体包括：四个网格点的拓扑关系信息，每个网格块的拓扑关系为每个网格块中网格点序号的连接方式；

S2:将所有需要重归整化的网格点数据信息分别存入网格点结构体数组和网格块结构体数组中；

S3:通过遍历网格点结构体数组和网格块结构体数组对所有需要重归整化的网格点分类，包括网格边界点、网格角点和网格内点；

S4:任意选取一个S3中确定的网格角点作为空间网格重归整化的起始点；

S5:确定与S4中起始点在同一行的所有需归整出的网格点，具体为：

S51:定义一个临时的单个网格块结构体，依次遍历每个网格块的拓扑关系中的网格点序号，直到找到一个网格点序号与起始点的序号相等，将找出的网格点所在的单个网格块存放到定义的临时单个网格块结构体中，同时将该网格点所在的单个网格块中表示网格点序号的值全部赋为零；

S52:通过嵌套遍历临时单个网格块结构体与网格点结构体数组，在网格点结构体中找到与临时单个网格体中某一网格点序号相等的网格点序号，确定临时单个网格块结构体中四个网格点的结构体；

S53:定义包含四个网格点的临时结构数组,用于存放临时单个网格块结构体中网格点变更后的信息；

S54:从临时结构数组中定义一个网格点结构体为临时角点，定义初始值为0的网格点计数变量，循环S51-S54，循环一次网格点计数变量加一，直到临时结构数组中出现某一网格点的网格变量为零，结束循环，完成该行网格点的重归整化；

S55:从临时结构数组中定义与起始点相邻的网格点为下一行的起始点，循环S51-S55，完成对该行的网格点重归整化；

S56：重复S51-S56，直到完成所有的网格点重归整化。

2.根据权利要求1所述的一种空间离散网格点重归整化方法，其特征在于在重新归整出的网格是结构网格，归整出的网格角点只与两个网格点相连且只存在于一个网格块中；网格边界点只与三个网格点相连且存在于两个网格块的交点处，网格内点与四个网格点相连且存在于四个网格块的交点处。

3.根据权利要求2所述的一种空间离散网格点重归整化方法，其特征在于：若网格点结构体数组中某一网格点序号与单个网格块的拓扑关系中某一网格点序号相等，则令网格点结构体数组中的网格点变量加一，以此类推，遍历完成后，值为一的便是网格角点，值为二的便是网格边界点，值为四便是网格内点。

4.根据权利要求1所述的一种空间离散网格点重归整化方法，其特征在于在S4中，遍历网格点结构体数组中所有网格点变量，找到第一个值为一的网格点变量，将该网格点作为空间网格重归整化的起始点，同时结束遍历。

5.根据权利要求1所述的一种空间离散网格点重归整化方法，其特征在于在S5中单独对第n-1行和n行网格点进行重归整化时，n为自然数，具体为：

当归整第n-1行时，定义一个包含有与网格点计数变量数值相等的网格点结构体数组用来存放第n行归整出的网格点，循环S51-S54，

当第一次临时结构数组中出现某一网格点的网格点变量为零时，循环结束，

同时将临时结构数组中出现的网格点变量为零的网格点存入到网格点结构体数组，直到网格点计数变量数值次临时结构数组中出现某一网格点的网格点变量为零时，将临时结构中出现的网格点变量为零网格点存入到网格点结构体数组后，循环S51-S54，直到完成n-1行和第n行网格点的重归整化。

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