CN113191061A - 一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法 - Google Patents

一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，通过提出待进行变换的结合体以及待进行特征识别的几何体的外部曲面，通过曲面特征进行相似度的判断，对于判断为一致的待进行变换的结合体以及待进行特征识别的几何体，通过设置相对应的几何特征点，并通过几何特征点完成有限元网格的变换，实现自动化的识别和变化。本发明方法能够快速为一件多用零件自动划分网格形式完全一致的有限元模型，相比传统的手动建模方法能够大幅缩减建模过程，有效避免了零件遗漏、网格不匹配等常见的人因错误。

Description

一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法
技术领域
本发明属于有限元结构建模技术领域，具体地说，一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法。
背景技术
在航空、航天、车辆、船舶、机械等专业领域，同一结构零件在整个系统部件中时常被多次使用，这种设计能够降低系统的零部件数量和CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）结构数模的内存占用，并且有利于工艺加工和装配，这类零件通常被称为一件多用零件。
结构强度设计规范要求一件多用零件的有限元网格必须完全一致。目前对于一件多用零件的有限元建模方法通常为：对初始零件划分有限元网格，人工查找与该零件几何特征相一致的零件，分别在前后两个零件上按照一定的规则选取几何特征点，以几何特征点为参考点手动将之前划分好的网格备份并移动到新的位置。这一过程操作繁多且易于出错，一件多用零件查找不全或者几何特征点选取错误等问题很难避免，特别是在结构设计发生迭代更改时，一件多用零件有限元网格的更新过程将变得异常繁琐，时间和人力成本巨大。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提出了一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，通过提出待进行变换的结合体以及待进行特征识别的几何体的外部曲面，通过曲面特征进行相似度的判断，对于判断为一致的待进行变换的结合体以及待进行特征识别的几何体，通过设置相对应的几何特征点，并通过几何特征点完成有限元网格的变换，实现自动化的识别和变化。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，用于将有限元网格中待进行变换的几何体变换到待进行特征识别的几何体，所述有限元网格变换方法包括以下步骤：
步骤S1：在有限元网格中对待进行变换的几何体获取并进行分组标记；
步骤S2：对待进行变换的几何体进行外部曲面的提取，并在待进行特征识别的几何体上进行几何特征点的标记；
步骤S3：提取待进行变换的几何体的所有外部曲面；
步骤S4：汇总所有待进行特征识别的几何体，建立循环列表，依照循环列表依次筛选出一个待进行特征识别的几何体，对筛选出的待进行特征识别的几何体的每一个外部曲面进行提取；
步骤S5：计算待进行变换的几何体的外部曲面和筛选出的待进行特征识别的几何体的外部曲面之间的相似度系数；
步骤S6：根据步骤S5的计算结果汇总得到待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体的之间的相似度矩阵；并根据相似度矩阵判断待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体是否完全一致；
步骤S7：对于判断为完全一致的待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体，提取出在待进行变换的几何体的外部曲面上标记的几何特征点，并在筛选出的待进行特征识别的几何体上设置对应的几何特征点，然后执行步骤S8的操作；对于判断为不完全一致的待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体，回到步骤S4，筛选循环列表中的下一个待进行特征识别的几何体进行步骤S4及之后的操作，直至处理完整个循环列表；
步骤S8：以待进行变换的几何体上的几何特征点为初始参考点，以待进行特征识别的几何体上的几何特征点为终止参考点，将待进行变换的几何体在有限元网格上进行变换。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S1具体包括：
步骤S1：获取待进行变换的有限元网格F_0对应的待进行变换的几何体Part_0所在分组并记为Comp_0。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S2具体包括：
步骤S2：提取待进行变换的几何体Part_0的所有外部曲面
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，其中m为待进行变换的几何体Part_0外部曲面的总数；标记待进行变换的几何体Part_0中的3个几何特征点，分别记录为
Figure 963620DEST_PATH_IMAGE002
。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S3具体包括：
步骤S3：将待进行特征识别的几何体记为Part_x (x=1,2,⋯,k)，将待进行特征识别的几何体Part_x所在的分组记为Comp_x (x=1,2,⋯,k)，其中k为待进行特征识别的几何体的总数。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S4具体包括：
步骤S4：提取待进行特征识别的几何体Part_x的所有外部曲面
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，其中n为待进行特征识别的几何体Part_x外部曲面的总数。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S5具体包括：
步骤S5：将待进行特征识别的几何体Part_x的每一个曲面
Figure 632498DEST_PATH_IMAGE004
分别和待进行变换的Part_0的每一个曲面
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
进行对比并将对比结果记录为相似度系数
Figure 314278DEST_PATH_IMAGE006
；如果曲面
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
和曲面
Figure 68607DEST_PATH_IMAGE008
几何特征完全一致，则相似度系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，否则相似度系数
Figure 743302DEST_PATH_IMAGE010
。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S6具体包括：
步骤S6：根据待进行特征识别的几何体Part_x的相似度矩阵
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
，确定待进行特征识别的几何体Part_x和待进行变换的几何体Part_0是否完全一致。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S7具体包括：
步骤S7：对判断为和待进行变换的几何体Part_0完全一致的待进行特征识别的几何体Part_x，设置和几何特征点
Figure 453638DEST_PATH_IMAGE012
对应的几何特征点
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
，然后执行步骤S8；对判断为不一致的几何体Part_x，令x=x+1，然后执行步骤S4。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S8具体包括：
步骤S8：以几何特征点
Figure 883482DEST_PATH_IMAGE014
为初始参考点，几何特征点
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
为终止参考点，将有限元网格F_0从Comp_0变换至Comp_x。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
1. 本发明提供了一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，该方法能够快速为一件多用零件自动划分网格形式完全一致的有限元模型，相比传统的手动建模方法能够大幅缩减建模过程，有效避免了零件遗漏、网格不匹配等常见的人因错误；
2. 本发明提供的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法是一种适用于一件多用零件有限元建模的自动化快速建模方法，对于重复零部件使用广泛以及设计迭代频繁的结构设计领域，能够大幅缩短设计周期，保证设计质量。
附图说明
图1是本发明的方法流程框图；
图2是典型的使用一件多用零件的零组件示意图；
图3显示的是图2所示零件Part_0的面网格有限元模型；
图4显示的是按特定规则标记的图2所示零件Part_0的3个几何特征点；
图5显示的是采用本发明方法变换得到的有限元网格模型。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，用于将有限元网格中待进行变换的几何体变换到待进行特征识别的几何体，如图1所示，所述有限元网格变换方法包括以下步骤：
步骤S1：在有限元网格中对待进行变换的几何体获取并进行分组标记；
步骤S2：对待进行变换的几何体进行外部曲面的提取，并在待进行特征识别的几何体上进行几何特征点的标记；
步骤S3：提取待进行变换的几何体的所有外部曲面；
步骤S4：汇总所有待进行特征识别的几何体，建立循环列表，依照循环列表依次筛选出一个待进行特征识别的几何体，对筛选出的待进行特征识别的几何体的每一个外部曲面进行提取；
步骤S5：计算待进行变换的几何体的外部曲面和筛选出的待进行特征识别的几何体的外部曲面之间的相似度系数；
步骤S6：根据步骤S5的计算结果汇总得到待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体的之间的相似度矩阵；并根据相似度矩阵判断待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体是否完全一致；
步骤S7：对于判断为完全一致的待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体，提取出在待进行变换的几何体的外部曲面上标记的几何特征点，并在筛选出的待进行特征识别的几何体上设置对应的几何特征点，然后执行步骤S8的操作；对于判断为不完全一致的待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体，回到步骤S4，筛选循环列表中的下一个待进行特征识别的几何体进行步骤S4及之后的操作，直至处理完整个循环列表；
步骤S8：以待进行变换的几何体上的几何特征点为初始参考点，以待进行特征识别的几何体上的几何特征点为终止参考点，将待进行变换的几何体在有限元网格上进行变换。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图1所示，所述方法具体包括：
步骤S1：获取待进行变换的有限元网格F_0对应的待进行变换的几何体Part_0所在分组并记为Comp_0；
步骤S2：提取待进行变换的几何体Part_0的所有外部曲面
Figure 62791DEST_PATH_IMAGE016
，其中m为待进行变换的几何体Part_0外部曲面的总数；标记待进行变换的几何体Part_0中的3个几何特征点，分别记录为
Figure 337914DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤S3：将待进行特征识别的几何体记为Part_x (x=1,2,⋯,k)，将待进行特征识别的几何体Part_x所在的分组记为Comp_x (x=1,2,⋯,k)，其中k为待进行特征识别的几何体的总数。
步骤S4：提取待进行特征识别的几何体Part_x的所有外部曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，其中n为待进行特征识别的几何体Part_x外部曲面的总数；
步骤S5：将待进行特征识别的几何体Part_x的每一个曲面
Figure 666871DEST_PATH_IMAGE018
分别和待进行变换的Part_0的每一个曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE019
进行对比并将对比结果记录为相似度系数
Figure 939721DEST_PATH_IMAGE020
；如果曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE021
和曲面
Figure 668642DEST_PATH_IMAGE008
几何特征完全一致，则相似度系数
Figure 934407DEST_PATH_IMAGE009
，否则相似度系数
Figure 432385DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤S6：根据待进行特征识别的几何体Part_x的相似度矩阵
Figure 204032DEST_PATH_IMAGE022
，确定待进行特征识别的几何体Part_x和待进行变换的几何体Part_0是否完全一致；
步骤S7：对判断为和待进行变换的几何体Part_0完全一致的待进行特征识别的几何体Part_x，设置和几何特征点
Figure DEST_PATH_IMAGE023
对应的几何特征点
Figure 92353DEST_PATH_IMAGE024
，然后执行步骤S8；对判断为不一致的几何体Part_x，令x=x+1，然后执行步骤S4；
步骤S8：以几何特征点
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为初始参考点，几何特征点
Figure 974859DEST_PATH_IMAGE026
为终止参考点，将有限元网格F_0从Comp_0变换至Comp_x。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，如图1、图2、图3、图4、图5所示，本方法采用Tcl语言进行程序开发，在HyperMesh软件平台下运行。下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
根据本发明的一个方面，提出了一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，所述方法以零件几何体的所有外部曲面为对象，通过识别曲面特征参数来计算零件的相似度矩阵，并以此判断待识别的零件几何体与原零件几何体特征是否一致，对于曲面特征完全一致的零件，通过识别相应的几何特征点，以此为参考完成零件几何体有限元网格的跟随变换。具体方法流程如图1所示。
图2显示的是一种典型的使用一件多用零件的零组件示意图，该零组件由6个零件构成，分别记为Part_x (x=0,1,2,⋯,5)，其中Part_x (x=0,1,2,3) 4个几何体为一件多用零件，几何特征完全一致，Part_4和 Part_5与其余4个零件几何特征不同。初始有限元模型是为Part_0而划分的面网格单元，具体如图3所示。下面结合此实例来说明本发明的具体实施方式：
步骤S1：获取待进行变换的有限元网格F_0对应的待进行变换的几何体Part_0所在分组并记为Comp_0 。
步骤S2：提取待进行变换的几何体Part_0的所有外部曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，待进行变换的几何体Part_0共有19个外部曲面；按照一定的规则标记3个待进行变换的几何体Part_0中的几何特征点，标记点记录为
Figure 15758DEST_PATH_IMAGE028
，如图4所示。
步骤S3：选择需要进行特征识别的待进行特征识别的几何体Part_x (x=1,2,⋯,5)，将待进行特征识别的几何体Part_x所在的分组记为Comp_x (x=1,2,⋯,5)。
步骤S4：提取待进行特征识别的几何体Part_x的所有外部曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，其中n为待进行特征识别的几何体Part_x外部曲面的总数。
步骤S5：将待进行特征识别的几何体Part_x的每一个曲面
Figure 958306DEST_PATH_IMAGE030
分别和Part_0的每一个曲面
Figure 396241DEST_PATH_IMAGE031
进行对比并将对比结果记录为
Figure 754541DEST_PATH_IMAGE032
；如果曲面
Figure 227111DEST_PATH_IMAGE033
和曲面
Figure 340560DEST_PATH_IMAGE034
几何特征完全一致，对比结果
Figure 265791DEST_PATH_IMAGE035
，否则
Figure 677050DEST_PATH_IMAGE036
。
步骤S6：对待进行特征识别的几何体Part_x (x=1,2,3)，相似度矩阵
Figure 738547DEST_PATH_IMAGE037
为
Figure 22897DEST_PATH_IMAGE038
对待进行特征识别的几何体Part_x (x=4,5)，相似度矩阵
Figure 435424DEST_PATH_IMAGE039
为
Figure 401106DEST_PATH_IMAGE040
待进行特征识别的几何体Part_x (x=4,5)共有20个外部曲面，因此对比结构矩阵
Figure 582689DEST_PATH_IMAGE041
维度为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
。
当相似度矩阵
Figure 772362DEST_PATH_IMAGE043
为方阵且满足
Figure DEST_PATH_IMAGE044
判定待进行特征识别的几何体Part_x和待进行变换的几何体Part_0几何特征完全一致；否则，判定待进行特征识别的几何体Part_x和待进行变换的几何体Part_0几何特征不一致。
步骤S7：对和待进行变换的几何体Part_0完全一致的待进行特征识别的几何体Part_x (x=1,2,3)，按照一定的规则提取和
Figure 357670DEST_PATH_IMAGE045
特征对应的标记点
Figure DEST_PATH_IMAGE046
。
步骤S8：以
Figure 923781DEST_PATH_IMAGE047
为初始参考点，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为终止参考点，将有限元网格F_0从Comp_0变换至Comp_x，变换得到的有限元网格模型如图5所示，可以看到，与Part_0几何特征完全一致的Part_x (x=1,2,3)被识别了出来且自动生成了有限元网格，而Part_x (x=4,5)与Part_0几何特征不一致，则没有生成有限元网格。
本发明方法能够快速为一件多用零件自动划分网格形式完全一致的有限元模型，相比传统的手动建模方法能够大幅缩减建模过程，有效避免了零件遗漏、网格不匹配等常见的人因错误。为了使本发明的具体实施方法说明更为简洁明了，本实例选取的零组件零件数目相对较少，结构形式也较为简单，实际工程中应用的一件多用零件数目更大，复杂程度也更高，本发明方法带来的效率提升和设计质量提升效果将更为显著。
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，用于将有限元网格中待进行变换的几何体变换到待进行特征识别的几何体，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在有限元网格中对待进行变换的几何体获取并进行分组标记；
步骤S2：对待进行变换的几何体进行外部曲面的提取，并在待进行特征识别的几何体上进行几何特征点的标记；
步骤S3：提取待进行变换的几何体的所有外部曲面；
步骤S4：汇总所有待进行特征识别的几何体，建立循环列表，依照循环列表依次筛选出一个待进行特征识别的几何体，对筛选出的待进行特征识别的几何体的每一个外部曲面进行提取；
步骤S5：计算待进行变换的几何体的外部曲面和筛选出的待进行特征识别的几何体的外部曲面之间的相似度系数；
步骤S6：根据步骤S5的计算结果汇总得到待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体的之间的相似度矩阵；并根据相似度矩阵判断待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体是否完全一致；
步骤S7：对于判断为完全一致的待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体，提取出在待进行变换的几何体的外部曲面上标记的几何特征点，并在筛选出的待进行特征识别的几何体上设置对应的几何特征点，然后执行步骤S8的操作；对于判断为不完全一致的待进行变换的几何体和筛选出的待进行特征识别的几何体，回到步骤S4，筛选循环列表中的下一个待进行特征识别的几何体进行步骤S4及之后的操作，直至处理完整个循环列表；
步骤S8：以待进行变换的几何体上的几何特征点为初始参考点，以待进行特征识别的几何体上的几何特征点为终止参考点，将待进行变换的几何体在有限元网格上进行变换。
2.如权利要求1所述的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
步骤S1.1：获取待进行变换的有限元网格F_0对应的待进行变换的几何体Part_0所在分组并记为Comp_0。
3.如权利要求2所述的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S2.1：提取待进行变换的几何体Part_0的所有外部曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中m为待进行变换的几何体Part_0外部曲面的总数；标记待进行变换的几何体Part_0中的3个几何特征点，分别记录为
Figure 126431DEST_PATH_IMAGE002
。
4.如权利要求3所述的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤S3.1：将待进行特征识别的几何体记为Part_x (x=1,2,⋯,k)，将待进行特征识别的几何体Part_x所在的分组记为Comp_x (x=1,2,⋯,k)，其中k为待进行特征识别的几何体的总数。
5.如权利要求4所述的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
步骤S4.1：提取待进行特征识别的几何体Part_x的所有外部曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，其中n为待进行特征识别的几何体Part_x外部曲面的总数。
6.如权利要求5所述的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
步骤S5.1：将待进行特征识别的几何体Part_x的每一个曲面
Figure 729057DEST_PATH_IMAGE004
分别和待进行变换的Part_0的每一个曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE005
进行对比并将对比结果记录为相似度系数
Figure 508794DEST_PATH_IMAGE006
；如果曲面
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和曲面
Figure 841686DEST_PATH_IMAGE008
几何特征完全一致，则相似度系数
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，否则相似度系数
Figure 656059DEST_PATH_IMAGE010
。
7.如权利要求6所述的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：
步骤S6.1：根据待进行特征识别的几何体Part_x的相似度矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，确定待进行特征识别的几何体Part_x和待进行变换的几何体Part_0是否完全一致。
8.如权利要求7所述的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：
步骤S7.1：对判断为和待进行变换的几何体Part_0完全一致的待进行特征识别的几何体Part_x，设置和几何特征点
Figure 665472DEST_PATH_IMAGE012
对应的几何特征点
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，然后执行步骤S8；对判断为不一致的几何体Part_x，令x=x+1，然后执行步骤S4。
9.如权利要求8所述的一种基于曲面特征识别的有限元网格变换方法，其特征在于，所述步骤S8具体包括：
步骤S8.1：以几何特征点
Figure 932505DEST_PATH_IMAGE014
为初始参考点，几何特征点
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为终止参考点，将有限元网格F_0从Comp_0变换至Comp_x。
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Citations (4)

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