CN113536617B - 一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法 - Google Patents

一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，包括以下步骤：在待划分几何模型中等距截取平行于任意基准面的剖面图像，获得剖面图像序列；对剖面图像序列进行预处理，得到二值图像；根据二值图像生成全局网格；确定二值图像的像素值等于零对应的全局网格中的背景网格的位置，并删除全局网格中二值图像的像素值等于零对应的背景网格，得到待划分几何模型的有限元模型。本发明的有限元模型密度均匀，更加容易计算，计算精度高，提高了有限元模型的建立效率，投入少量的人为控制，即可生成具有高计算精度的复杂三维结构有限元模型。

Description

一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法
技术领域
本发明属于计算机辅助工程领域，具体属于一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法。
背景技术
工程设计中的计算机辅助工程CAE(全称：Computer Aided Engineering)，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。建立能反映产品细节构造的精细有限元模型是CAE的关键环节之一。有限元模型是把连续的几何机构离散成有限个单元，有限个单元组成一组仅在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体，在对有限元模型分析时，可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题，其中有限单元划分越精细、数量越多，对模型进行分析的结果与实际值的误差也就越小，网格划分的质量直接的影响有限元计算的精度和计算效率。
目前有限元模型构造的困难在于网格划分，一个模型的完整网格划分时间由划分精度、模型形状、结构复杂程度等一系列因素决定，通常来讲，网格划分有以下五种方式。
1、自由网格划分；在面上自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。对于复杂几何模型而言，自动分网方法省时省力，缺点是单元常常不能达到预想的效果，在某些地方的单元生成时，总是难以控制。
2、映射网格划分：对于三维复杂几何模型而言，利用线面切割功能，将其切割成一系列可处理的四、五或六面体后进行映射网格划分。纯粹的映射划分虽能保证较高的网格质量，但往往需要花费大量的时间精力。
3、拖拉、扫略网格划分：对于由面经过拖拉、旋转、偏移等方式生成的复杂三维实体而言，可先在原始面上生成壳单元形式的面网格，然后在生成体的同时自动形成三维实体网格。这种方法生成的网格往往都是六面体网格。
4、混合网格划分：混合网格划分即在几何模型上，根据各部位的特点，分别采用自由、映射、扫略等多种网格划分方式，以形成综合效果尽量好的有限元模型。
5、子模型等其它手段：子模型是一种先总体、后局部的分析技术(也称为切割边界条件方法)，对于只关心局部区域准确结果的复杂几何模型，可采用此手段，以尽量小的工作量来获得想要的结果。
以上的五种方式，在生成复杂结构的精细有限元模型时，或是自动生成网格，但是效果难以保证，或是以CAE工程师使用专业划分网格的商用软件如HyperMesh等手动划分，需要耗费数周甚至数月的时间。当今仍缺少可以通过少量人为控制生成高质量网格、快速生成复杂三维结构的精细有限元模型的方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，解决目前缺少可以通过少量人为控制生成高质量网格、快速生成复杂三维结构的精细有限元模型的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，包括以下步骤：
在待划分几何模型中等距截取平行于任意基准面的剖面图像，获得剖面图像序列；
对剖面图像序列进行预处理，得到二值图像；
根据二值图像生成全局网格；
确定二值图像的像素值等于零对应的全局网格中的背景网格的位置，并删除全局网格中二值图像的像素值等于零对应的背景网格，得到待划分几何模型的有限元模型。
进一步的，等距剖面图像的获取过程具体如下：确定待划分几何模型中的任意一基准面和截取区间，输入截取间距Δz；
从确定的基准面开始截取第一张剖面图像并保存，然后按照截取间距Δz截取下一张剖面图像，直至截取区间截取完毕。
进一步的，对剖面图像进行预处理的过程如下：
裁剪每张剖面图像的边缘，然后设置灰度标准，比较每张剖面图像的像素值和设置的灰度标准之间的大小关系，并令每个像素值非0即1。
进一步的，比较每张剖面图像的像素值和设置的灰度标准之间的大小关系，并令每个像素值非0即1后，还根据
sp＝l/nl/Δz
将每张剖视图像放大sp倍，式中：l为待划分几何模型中任意一边的尺寸，nl为l对应在剖面图像上的像素数，Δz为待划分几何模型中截取平行于任意基准面的剖面图像的间距。
进一步的，根据二值图像生成全局网格的具体步骤如下：
设定二值图像序列路径、网格边长se、材料属性和待划分几何模型中截取平行于任意基准面的剖面图像的间距Δz；
由二值图像的横向像素数目nw和纵向像素数目nh获得有限元模型的长度a和宽度b，由剖面图像的数目nz和Δz获得有限元模型的h；
创建边长为se的面网格，沿着x轴生成一行面网格，沿着y轴生成一层面网格；
以h为总长，以nz为生成网格的层数，沿z轴方向生成全局网格。
进一步的，所述材料属性包括有限元模型的杨氏模量、泊松比和密度。
进一步的，得到待划分几何模型的有限元模型的具体步骤如下：
获取二值图像的像素值vp＝0的位置，结合网格边长se、剖面图像的数目nz、待划分几何模型中截取平行于任意基准面的剖面图像的间距Δz及二值图像的横向像素数目nw和纵向像素数目nh计算获得像素值vp＝0对应的全局网格中的背景网格的位置，将像素值vp＝0对应的全局网格中的背景网格逐层删除，得到待划分几何模型的有限元模型。
进一步的，在得到待划分几何模型的有限元模型后，根据二值图像生成全局网格中输入的材料属性，设置单元属性，生成供通用有限元分析求解器处理的有限元模型CDB文件。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
目前有限元模型构造的主要困难在于网格划分部分，对于一个具有复杂内部结构的模型的网格划分工作，往往都是十分困难而繁琐的，通常一个十分复杂的有限元模型建立需要几周甚至几个月的工作量。而使用该发明公开的方法，在解决网格构造的时候，将模型截取一组平行于某基准面的剖面图并进行预处理，再在每一层上构造网格，最终建立起整个模型的完整有限元网格。在划分网格时，使用一组脚本命令自动运行代替人工划分有限元网格，从而在保证划分质量的前提下，将网格划分的速度效率大大提升，对于(如图2)复杂内部结构叶片模型的三维有限元模型构建，只花费9分40秒的时间(日志文件如图11a、11b)，即可生成单元数目为2016151，节点数目为2136751的六面体网格有限元模型，并且通过等距截取平行于任意基准面的剖面图像，使得生成的六面体网格都为正方形，从而使有限元模型密度均匀，更加容易计算，计算精度高。本发明可以提高有限元模型的建立效率，投入少量的人为控制，即可生成具有高计算精度的复杂三维结构有限元模型。
进一步的，按照等间距进行截取剖面图像，后续生成的全局网格时每一层网格的高度是相同的，使后续能生成计算效果最好的正六面体网格，提升计算精度和计算效率。
进一步的，对剖面图像进行预处理后得到二值图像，将每张剖面图像的边缘进行了裁剪，增加了剖面图像的尺寸精度，二值图像的横向和纵向像素数即为原模型所能放入的最小直四棱柱的长和宽，减少了后续需要删除的背景网格的数量，提高了有限元网格划分的效率，同时将每张剖面图像的像素值非0即1，方便后续删除背景网格，提高生成模型效率。
进一步的，将每张剖视图像放大sp倍，使剖面图像的尺寸配合待划分几何模型的尺寸，确保后续的网格划分步骤中，一个像素即为一个立方体或是长方体单元网格，即保证后续获取待划分几何模型的有限元模型中，在相邻剖面图像之间恰好生成一层正六面体网格，避免生成的单元边长比例不合理，提高了计算精度。
进一步的，等间距截取剖面图像，并对其进行预处理，转化为二值图像，原模型的信息便存储在了二值图像中，图像间距之和为原模型的高h，二值图像的横向和纵向像素数即为原模型所能放入的最小直四棱柱的长和宽，图像像素值为0的位置为不存在结构的背景位置，像素值为1的位置为存在结构的位置，在得到的二值图像序列的基础上，划分有限元网格，使用一组脚本命令读取二值图像中存储的原模型的信息及少量人为控制的参数就能自动快速地生成原模型的有限元网格，如此操作后使得生成六面体网格的效率和质量都很高，生成的六面体网格有限元模型密度均匀，更加容易计算，计算精度更高。
附图说明
图1本发明复杂结构的精细有限元模型快速生成方法流程示意图；
图2为待划分结构的几何模型图；
图3为二值图像序列图，图3a至3f为不同截取位置的二值图像，
图4为一个面网格图；
图5为一行面网格图；
图6为一层面网格图；
图7为全局网格图；
图8为本发明生成有限元网格过程图，图8a-图8f具体的生成有限元网格过程图；
图9为待划分模型的有限元网格图，图9a-图9c为手动调整的第三视角待划分模型的有限元网格图；
图10为待划分模型的有限元模型不同坐标轴视角图，图10a为待划分模型的有限元模型的正视图，图10b为待划分模型的有限元模型的俯视图-图10c为待划分模型的有限元模型的斜二侧视图；
图11为程序日志文件图；图11a和图11b为程序日志文件的完整记录图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种复杂三维结构的精细有限元模型快速生成方法，包括以下步骤：
首先获取现有的待划分的几何模型的剖面图像序列，如图2所示，为待划分几何模型结构；对于待划分几何模型在CAD等商业软件中截取一组平行于某基准面的剖面图，得到能反映现有待划分几何模型细节的一组等间距剖面图像序列；
其次，对剖面图像序列进行预处理；将第一步得到的剖面图像序列中的剖面图像逐个进行裁剪，阈值分割以及缩放，得到二值图像组成的二值图像序列(如图3a-3f)。
最后，使用TCL代码编制的一组脚本命令，借助HyperMesh高效的网格处理前处理功能划分有限元网格；依据各个二值图像的横向和纵向像素数、网格大小、剖面图像的数目及相邻剖面图像的间距信息生成全局网格，结合二值图像的像素值删除全局网格中的多余背景网格，进而生成最终的有限元网格(如图9a-9c)，根据输入的材料属性等信息，设置单元属性，生成可供通用有限元分析求解器ANSYS处理的有限元模型CDB文件(如图10a-10c)。
具体的，如图1所示，本发明提供的一种复杂三维结构的精细有限元模型快速生成方法的具体步骤如下：
1.首先，获取待划分的几何模型(如图2)的剖面图像序列；
1.1调色；在SOLIDWORKS商业软件中设置待划分几何模型的背景颜色为黑色，待划分几何模型的颜色为白色。
1.2截取剖面图像；基于VB的SOLIDWORKS二次开发，平行于某基准面，按照确定的间距Δz逐层地、连续地截取待划分几何模型的剖面图像，获得能反映待划分几何模型细节的一组等间距剖面图像序列，共nz张。
2.其次，对剖面图像序列进行预处理，得到二值图像序列(如图3a-3f)。在MATLAB平台下，对每张剖面图像进行裁剪、阈值分割和缩放，得到二值图像序列；
2.1剖面图像的裁剪；尽可能地裁剪剖面图像的边缘，即上述剖面图像四周的黑色背景区域，提高后续有限元网格划分的效率。
2.2剖面图像的阈值分割；完成剖面图像的裁剪后，对剖面图像进行阈值分割；设置灰度标准，判断每张剖面图像的像素值与设置的灰度标准之间大小关系，并令每个像素值非0即1，得到二值图像序列。
2.3在比较完每张剖面图像的像素值后，需进行剖面图像的缩放；待划分几何模型某一边的尺寸为l，l对应在剖面图像上的像素数为nl，令sp＝l/nl/Δz，将剖面图像放大sp倍。通过图片缩放，保证后面第三步中能够在相邻剖面图像之间恰好生成一层正六面体网格，避免生成的单元边长比例不合理，提高了计算精度(后续的网格划分步骤中，一个像素即为一个立方体或是长方体单元网格，合并像素的大小形状直接影响着网格划分结果)。
3.最后，在得到的二值图像序列的基础上，基于tcl的HyperMesh二次开发划分有限元网格。
3.1编写参数文件。参数文件四个参数：图片序列的路径、网格边长se、Δz、以及有限元模型的材料属性设置(包括：杨氏模量、泊松比、密度)。
3.2构建全局网格。
3.2.1由二值图像的横向像素数目nw和纵向像素数目nh以及se获得有限元模型的长度a和宽度b，由剖视图像的数目nz及Δz获得有限元模型高度h。
3.2.2如图4所示，创建一个面网格；通过坐标(0,0,0)，(se,0,0)，(0,se,0)，(se,se,0)创建4个临时节点，再由临时节点创建一个边长为se的面网格。
3.2.3如图5所示，沿着x轴生成一行面网格，通过对上述面网格的复制和移动沿着x轴生成一行面网格。
3.2.4如图6所示，生成一层面网格；通过对3.2.3的一行面网格每个网格的复制和移动沿着y轴生成一层面网格。
3.2.5如图7所示，生成最终的全局网格；选取上述划分后的面网格，通过drag命令以h为总长，以nz为生成网格的层数，沿z轴方向(剖面图像序列生成方向)生成最终的全局网格。
3.3如图9a-9c所示，生成最终的有限元网格；获得各张二值图像中vp＝0的位置(即二值图像中显示为黑色的像素的位置)，再结合nw、nh、se、nz及Δz计算获得各张二值图像中vp＝0的位置对应的全局网格中的背景网格的位置，将各张二值图像中vp＝0的位置对应的全局网格中的背景网格逐层删去(如图8a-8f)，便得到了原模型的有限元网格模型。
3.4根据输入的材料属性，设置单元属性，生成可供通用有限元分析求解器ANSYS处理的有限元模型CDB文件(如图10a-10c)。
在一台普通台式机(品牌：华硕，系统制造商：ASUSTeK COMPUTER INC，系统型号：VivoBook_ASUSLaptop X509F，内存：12G,处理器：i7-85651，Windows10 64位，家庭版)，通过本发明的复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，对于(如图2)复杂内部结构叶片模型的三维有限元模型构建，只花费9分40秒的时间(日志文件如图11a、11b)，即可生成单元数目为2016151，节点数目为2136751的六面体网格有限元模型。
本发明的有限元模型快速生成方法，等间距截取剖面图像，并对其进行预处理，转化为二值图像，原模型的信息便存储在了二值图像中，图像间距之和为原模型的高h，二值图像的横向和纵向像素数即为原模型所能放入的最小直四棱柱的长和宽，图像像素值为0的位置为不存在结构的背景位置，像素值为1的位置为存在结构的位置，通过本发明的网格划分，使得生成六面体网格效率很高，在得到的二值图像序列的基础上，基于tcl的HyperMesh二次开发划分有限元网格。通过使用Tcl/Tk语言提前编制好的一组脚本命令获取二值图像中存储的原模型的信息及少量人为控制的参数自动快速地生成原模型的有限元网格。生成六面体网格质量很高；生成的六面体网格有限元模型密度均匀，更加容易计算，计算精度高。截取剖面图像是等间距的，每一层的面网格划分为正方形，六面体网格在计算时的计算精度很高，最终生成的有限元网格。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
在待划分几何模型中等距截取平行于任意基准面的剖面图像，获得剖面图像序列；
对剖面图像序列进行预处理，得到二值图像；
根据二值图像生成全局网格；
确定二值图像的像素值等于零对应的全局网格中的背景网格的位置，并删除全局网格中二值图像的像素值等于零对应的背景网格，得到待划分几何模型的有限元模型；
对剖面图像进行预处理的过程如下：
裁剪每张剖面图像的边缘，然后设置灰度标准，比较每张剖面图像的像素值和设置的灰度标准之间的大小关系，并令每个像素值非0即1；
比较每张剖面图像的像素值和设置的灰度标准之间的大小关系，并令每个像素值非0即1后，还根据
将每张剖视图像放大倍，式中：l为待划分几何模型中任意一边的尺寸，/>为l对应在剖面图像上的像素数，/>为待划分几何模型中截取平行于任意基准面的剖面图像的间距；
根据二值图像生成全局网格的具体步骤如下：
设定二值图像序列路径、网格边长、材料属性和待划分几何模型中截取平行于任意基准面的剖面图像的间距Δz；
由二值图像的横向像素数目和纵向像素数目/>获得有限元模型的长度a和宽度b，由剖面图像的数目/>和Δz获得有限元模型的h；
创建边长为的面网格，沿着x轴生成一行面网格，沿着y轴生成一层面网格；
以h为总长，以为生成网格的层数，沿z轴方向生成全局网格。
2.根据权利要求1所述的一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，其特征在于，等距剖面图像的获取过程具体如下：确定待划分几何模型中的任意一基准面和截取区间，输入截取间距Δz；
从确定的基准面开始截取第一张剖面图像并保存，然后按照截取间距Δz截取下一张剖面图像，直至截取区间截取完毕。
3.根据权利要求1所述的一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，其特征在于，所述材料属性包括有限元模型的杨氏模量、泊松比和密度。
4.根据权利要求1所述的一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，其特征在于，得到待划分几何模型的有限元模型的具体步骤如下：
获取二值图像的像素值v p = 0的位置，结合网格边长、剖面图像的数目/>、待划分几何模型中截取平行于任意基准面的剖面图像的间距Δz及二值图像的横向像素数目/>和纵向像素数目/>计算获得像素值v p = 0对应的全局网格中的背景网格的位置，将像素值v p = 0对应的全局网格中的背景网格逐层删除，得到待划分几何模型的有限元模型。
5.根据权利要求1所述的一种复杂结构的精细有限元模型快速生成方法，其特征在于，在得到待划分几何模型的有限元模型后，根据二值图像生成全局网格中输入的材料属性，设置单元属性，生成供通用有限元分析求解器处理的有限元模型CDB文件。
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