CN112926207B - 等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法及系统 - Google Patents

等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，该方法针对三维等几何拓扑优化问题，对三维等几何拓扑优化结果进行快捷、高效的后处理，达到对其结果模型进行自动构建且可编辑的目的；该方法通过将设计变量作为控制点高一维度的坐标，分层提取三维等几何拓扑优化结果控制点所表示的样条曲面，并对样条曲面的顶部轮廓进行放样，从而简化了等几何拓扑优化模型构建的步骤；本发明直接根据等几何拓扑优化结果构建几何模型，且自动构建的模型具有可选中、可编辑的优点。

Description

等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法及系统
技术领域
本发明涉及等几何拓扑优化技术的研究领域，特别涉及等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法及系统。
背景技术
2005年由Hughes提出的等几何分析，被认为是拓扑优化领域最有发展前景的方向之一。由于其创新地提出了在拓扑优化中使用与计算机图形学中最常用的NURBS基函数作为几何模型的基函数，实现了从CAE到CAD的无缝融合，解决了几十年来CAE和CAD无法直接相通的难题。
目前等几何拓扑优化凭借着其低耗时和高精度的优越性，被广泛应用于各种理论和工程分析问题。然而，三维复杂问题的等几何拓扑优化结果的表示具有很大难度。过往采用的是在整个三维设计域内寻找等高线然后建立三角面片的形式，生成的STL文件由一个个面片最终组成三维实体的表面。但是这种表示方法却使得三维等几何拓扑优化的结果丧失了其原有的优越性，因为STL格式的实体无法在CAD软件中进行任意选中和编辑。为了解决上述难题以及实际三维拓扑优化中存在的问题，需要一种可用于复杂三维等几何拓扑优化问题的的等几何拓扑优化结果可编辑几何模型的自动构建方法，使得最终的优化结果实体可以直接在CAD软件中任意选中、编辑。
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，提供等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法及系统；首先将任意三维等几何拓扑优化问题分解为若干设计域为互相平行的平面域的二维等几何拓扑优化问题，之后在CAD软件中将二维拓扑优化结果处理成可以选中和编辑的特征，从而解决了传统STL格式的优化结果无法选中和编辑的问题。同时本发明具有操作简便、处理时间短、构建结果可以选中和编辑等特点；本方法不局限于等几何拓扑优化。
本发明的第一目的是提供等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法。
本发明的第二目的是提供等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建系统。
本发明的第一目的通过以下的技术方案实现：
基于拓扑优化结果的可编辑模型构建方法，包括以下步骤：
S1、基于等几何完成拓扑优化，得到等几何拓扑优化结果；
S2、以设计变量作为高一维坐标，对等几何拓扑优化结果分层获取各层NURBS模型，得到分层NURBS曲面信息；
S3、将分层NURBS曲面信息按方向坐标自动排列导入CAD软件；
S4、对每个NURBS曲面依次提取顶部轮廓，获得各个层截面几何模型，并建立草图轮廓；
S5、在各个轮廓组对应轮廓之间建立引导线；
S6、判断是否有轮廓存在内部轮廓，若存在内部轮廓则依次进行步骤S7、S8、S10，若不存在内部轮廓则依次进行步骤S9、S10；
S7、对外部轮廓进行连续放样；
S8、对内部轮廓进行连续放样切除；
S9、对各个轮廓进行连续放样；
S10、输出实体，最终得到等几何拓扑优化结果的自动构建模型。
进一步地，所述分层获取各层NURBS模型，具体为：
将等几何拓扑优化结果中不同高度层的控制点直接表示成分层NURBS，即将设计变量作为控制点高一维度的坐标，因此分层NURBS表示的NURBS曲面具有高度变化，得到分层NURBS曲面信息。
进一步地，所述将分层NURBS曲面信息按方向坐标自动排列导入CAD软件，具体为：将获取的分层NURBS曲面信息由分析软件生成后保存为CAD软件能打开的格式，即各层曲面间的参数与优化结果一致。
进一步地，所述对每个曲面依次提取顶部轮廓，具体为：建立一个与输入曲面底部相平行的底部基准面，建立一个平行于底部基准面的相交基准面与输入曲面相交，使用曲面裁剪工具将底部基准面与相交基准面之间的曲面部分裁剪，在相交基准面上建立草图，使用转换实体工具提取顶部轮廓线，得到草图轮廓1-N。
进一步地，所述在各个轮廓组对应轮廓之间建立引导线，具体为：同一组连续放样轮廓的边缘至少有一条首尾相接、自下而上、贯穿整个模型的折线段；所有轮廓草图的每一个尖点处都有至少一条穿过该尖点的折线段。
进一步地，所述判断是否存在内部轮廓，具体方法为：通过几何拓扑特征识别和计算机视觉的方法查看和判断，各个闭合轮廓的内部是否包含着另一个或多个闭合轮廓(组)，这种被另一闭合轮廓包含的闭合轮廓称为内部轮廓，内部轮廓需要进行放样切除。上述基于计算机视觉的判断，例如可以调用OpenCV的pointPolygonTest函数来判断是否存在内部轮廓。
进一步地，所述对外部轮廓进行连续放样，具体为：使用放样拉伸工具，自下而上依次选中各个草图中的对应轮廓作为放样轮廓线，自下而上依次选中与该轮廓组相交的折线段中的每一个线段作为放样引导线。
进一步地，所述输出实体，具体为：若有轮廓草图存在尖点，则实体侧面由若干片样条曲面拼接而成，拼接线为尖点处通过尖点的折线段；若所有草图均不存在尖点，则实体的侧面是一整片样条曲面；最终的模型实体具有可选中、可编辑特点。
本发明的第二目的通过以下技术方案实现：
等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建系统，用于实现等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，包括：三维等几何拓扑优化模块、NURBS模型分层获取模块、分层结果导入模块、曲面顶部轮廓提取模块、引导线建立模块、内部轮廓判断模块、外部轮廓放样拉伸模块、内部轮廓放样切割模块、分散轮廓连续放样模块和结果输出模块；
所述三维等几何拓扑优化模块使用等几何拓扑优化方法求解任意三维优化问题；
所述NURBS模型分层获取模块用于将三维等几何拓扑优化结果按照某方向分层为若干样条曲面，得到各层的NURBS曲面；
所述分层结果导入模块用于将分层获取的等几何拓扑优化的样条曲面结果导入CAD软件；
所述曲面顶部轮廓提取模块用于提取每个输入曲面的顶部轮廓特征；
所述引导线建立模块用于建立按照自下而上的顺序、首尾相连的折线段，并确保每一折线段均贯穿它所对应的轮廓组；
所述内部轮廓判断模块用于判断轮廓草图是否具有内部轮廓，若有则需要对内外轮廓进行分别连续放样拉伸和拉伸切割，若没有则只需要对每一组轮廓分别进行连续放样拉伸即可；
所述外部轮廓放样拉伸模块用于对每一组互相对应的外部轮廓组分别进行连续放样拉伸；
所述内部轮廓放样切割模块用于对每一组互相对应的内部轮廓组分别进行连续放样切除，同时确保切除贯穿实体；
所述分散轮廓连续放样模块用于对无内部轮廓的轮廓组分别进行连续放样拉伸；
所述结果输出模块用于输出放样结束后最终得到的可选中、可编辑的实体。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明无需寻找等高线建立三角面片，将三维拓扑优化问题结果提取为若干样条曲面，整体建模时间大幅缩短，建模过程大幅简化且易于理解。
2、本发明得到的建模结果为基于放样特征的实体，具有可选中、可任意编辑的优点。
3、本发明解决了复杂等几何拓扑优化问题的高效后处理问题，后处理结果更加直观。
附图说明
图1是本发明所述等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法的流程图；
图2是本发明所述实施例1中三维等几何拓扑优化问题的有优化结果的若干NURBS曲面排列示意图；
图3是本发明所述实施例1中单个NURBS曲面进行轮廓提取的过程示意图；
图4是本发明所述实施例1中提取完成的单个轮廓示意图；
图5是本发明所述实施例1中若干层轮廓的排列示意图；
图6是本发明所述实施例1中放样轮廓线与若干层轮廓线的几何关系；
图7是本发明所述实施例1中最终放样完成后的模型示意图；
图8是本发明所述实施例2中等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建系统的结构图。
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。
以等几何拓扑优化中经典的柔性机构优化结果为例来对本发明进行说明，本发明不局限于等几何拓扑优化。
实施例1：
等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，如图1所示，其步骤如下：
步骤S1，进行三维柔性机构的基于等几何分析的拓扑优化。
步骤S2：将三维柔性机构的等几何拓扑优化结果按照z方向也就是自下而上的方向进行分层获取，得到每层的NURBS曲面信息参数。本例中的设计参数为控制点密度，因此将控制点密度作为NURBS曲面的第三维度信息，即高度信息，得到三维的NURBS曲面作为一层的优化信息。
步骤S3：将获取的N个样条曲面对应放置导入CAD软件，得到如图2所示的N个NURBS曲面排列。
步骤S4：对每个曲面依次使用提取轮廓的方法提取顶部轮廓，具体提取操作可如图3所示，并建立草图1-N对应1-N的N个二维等几何拓扑优化结果，本例中N＝6如图4为得到的轮廓之一。本例中最终得到的轮廓序列及其排列方式如图5所示。
步骤S5：绘制多个线段草图形成放样引导线，例如本例中建立了9条贯穿每个轮廓且与轮廓相切的引导线，每个尖点处均有来引导线穿过，最终引导线和轮廓之间的几何关系如图6所示。
步骤S6：判断是否有草图存在内部轮廓，若有则进行步骤S7，若否则进行步骤S9，本例中前三个草图存在内部轮廓，需要进行放样切除操作。
步骤S7：沿建立好的放样引导线对外部轮廓进行连续放样。
步骤S8：沿放样引导线对轮廓1-3的内部轮廓进行连续放样切除，切除直达下个平面之后到步骤S10。
步骤S9：沿放样引导线对各个轮廓进行连续放样。
步骤S10：输出实体，最终得到的等几何拓扑优化结果的自动构建模型如图7所示。
实施例2
等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建系统，如图8所示，用于实现基于拓扑优化结果的可编辑模型构建方法，包括：三维等几何拓扑优化模块、NURBS模型分层获取模块、分层结果导入模块、曲面顶部轮廓提取模块、引导线建立模块、内部轮廓判断模块、外部轮廓放样拉伸模块、内部轮廓放样切割模块、分散轮廓连续放样模块和结果输出模块；
所述三维等几何拓扑优化模块使用等几何拓扑优化方法求解任意三维优化问题；
所述NURBS模型分层获取模块用于将三维等几何拓扑优化结果按照某方向分层为若干样条曲面，得到各层的NURBS曲面；
所述分层结果导入模块用于将分层获取的等几何拓扑优化的样条曲面结果导入CAD软件；
所述曲面顶部轮廓提取模块用于提取每个输入曲面的顶部轮廓特征；
所述引导线建立模块用于建立按照自下而上的顺序、首尾相连的折线段，并确保每一折线段均贯穿它所对应的轮廓组；
所述内部轮廓判断模块用于判断轮廓草图是否具有内部轮廓，若有则需要对内外轮廓进行分别连续放样拉伸和拉伸切割，若没有则只需要对每一组轮廓分别进行连续放样拉伸即可；
所述外部轮廓放样拉伸模块用于对每一组互相对应的外部轮廓组分别进行连续放样拉伸；
所述内部轮廓放样切割模块用于对每一组互相对应的内部轮廓组分别进行连续放样切除，同时确保切除贯穿实体；
所述分散轮廓连续放样模块用于对无内部轮廓的轮廓组分别进行连续放样拉伸；
所述结果输出模块用于输出放样结束后最终得到的可选中、可编辑的实体。
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.等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于等几何方法完成拓扑优化，得到等几何拓扑优化结果；
S2、以设计变量作为高一维坐标，分层获取各层NURBS模型，得到分层NURBS曲面信息；
S3、将分层NURBS曲面信息按方向坐标自动排列导入CAD软件；
S4、对每个曲面依次提取顶部轮廓，获得各个层截面几何模型，并建立草图轮廓；
S5、在各个轮廓组对应轮廓之间建立引导线；
S6、判断是否有轮廓存在内部轮廓，若存在内部轮廓则依次进行步骤S7、S8、S10，若不存在内部轮廓则依次进行步骤S9、S10；
S7、对外部轮廓进行连续放样；
S8、对内部轮廓进行连续放样切除；
S9、对各个轮廓进行连续放样；
S10、输出实体，最终得到等几何拓扑优化结果的自动构建模型。
2.根据权利要求1所述的等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，所述分层获取各层NURBS模型，具体为：
将等几何拓扑优化结果中不同高度层的控制点直接表示成分层NURBS，即将设计变量作为控制点高一维度的坐标，因此分层NURBS表示的NURBS曲面具有高度变化，得到分层NURBS曲面信息。
3.根据权利要求1所述的等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，所述将分层NURBS曲面信息按方向坐标自动排列导入CAD软件，具体为：将获取的分层NURBS曲面信息由分析软件生成后保存为CAD软件能打开的格式，即各层曲面间的参数与优化结果一致。
4.根据权利要求1所述的等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，所述对每个曲面依次提取顶部轮廓，具体为：建立一个与输入曲面底部相平行的底部基准面，建立一个平行于底部基准面的相交基准面与输入曲面相交，使用曲面裁剪工具将底部基准面与相交基准面之间的曲面部分裁剪，在相交基准面上建立草图，使用转换实体工具提取顶部轮廓线，得到N条草图轮廓，N为大于0的整数。
5.根据权利要求1所述的等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，所述在各个轮廓组对应轮廓之间建立引导线，具体为：同一组连续放样轮廓的边缘至少有一条首尾相接、自下而上、贯穿整个模型的折线段；所有轮廓草图的每一个尖点处都有至少一条穿过该尖点的折线段。
6.根据权利要求1所述的等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，所述判断是否有轮廓存在内部轮廓，是基于计算机视觉的判断，具体方法为：通过几何拓扑特征识别或计算机视觉的方法查看和判断，各个闭合轮廓的内部是否包含着另一个或多个闭合轮廓，这种被另一闭合轮廓包含的闭合轮廓称为内部轮廓，内部轮廓需要进行放样切除。
7.根据权利要求1所述的等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，所述对外部轮廓进行连续放样，具体为：使用放样拉伸工具，自下而上依次选中各个草图中的对应轮廓作为放样轮廓线，自下而上依次选中与该轮廓组相交的折线段中的每一个线段作为放样引导线。
8.根据权利要求1所述的等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，所述输出实体，具体为：若有轮廓草图存在尖点，则实体侧面由若干片样条曲面拼接而成，拼接线为尖点处通过尖点的折线段；若所有草图均不存在尖点，则实体的侧面是一整片样条曲面；最终的模型实体具有可选中、可编辑特点。
9.等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建系统，用于实现权利要求1-8任一项权利要求所述的等几何拓扑优化结果的可编辑模型自动构建方法，其特征在于，包括：三维等几何拓扑优化模块、NURBS模型分层获取模块、分层结果导入模块、曲面顶部轮廓提取模块、引导线建立模块、内部轮廓判断模块、外部轮廓放样拉伸模块、内部轮廓放样切割模块、分散轮廓连续放样模块和结果输出模块；
所述三维等几何拓扑优化模块使用等几何拓扑优化方法求解任意三维优化问题；
所述NURBS模型分层获取模块用于将三维等几何拓扑优化结果按照某方向分层为若干样条曲面，得到各层的NURBS曲面；
所述分层结果导入模块用于将分层获取的等几何拓扑优化的样条曲面结果导入CAD软件；
所述曲面顶部轮廓提取模块用于提取每个输入曲面的顶部轮廓特征；
所述引导线建立模块用于建立按照自下而上的顺序、首尾相连的折线段，并确保每一折线段均贯穿它所对应的轮廓组；
所述内部轮廓判断模块用于判断轮廓草图是否具有内部轮廓，若有则需要对内外轮廓进行分别连续放样拉伸和拉伸切割，若没有则只需要对每一组轮廓分别进行连续放样拉伸即可；
所述外部轮廓放样拉伸模块用于对每一组互相对应的外部轮廓组分别进行连续放样拉伸；
所述内部轮廓放样切割模块用于对每一组互相对应的内部轮廓组分别进行连续放样切除，同时确保切除贯穿实体；
所述分散轮廓连续放样模块用于对无内部轮廓的轮廓组分别进行连续放样拉伸；
所述结果输出模块用于输出放样结束后最终得到的可选中、可编辑的实体。
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