CN114781073B - 基于法向量的有限元网格几何清理方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于法向量的有限元网格几何清理方法、设备及介质。方法包括：从CAE软件获取板壳结构零件的三维几何特征；将所述三维几何特征中的每个曲面向对应的二维平面投影，得到对应的二维几何特征，并识别所述二维几何特征的二维轮廓点环路；将每个曲面的二维轮廓点环路映射回三维空间，得到每个曲面的三维轮廓点环路；根据所述三维轮廓点环路，计算任一目标曲面与相邻曲面在公共边上多个位置处的法向量；根据所述目标曲面与所述相邻曲面在每个位置处的法向量夹角，确定是否清理所述公共边。本实施例实现三维曲面的自动化几何清理。

Description

基于法向量的有限元网格几何清理方法、设备及介质

技术领域

本发明实施例涉及有限元仿真技术领域，尤其涉及一种基于法向量的有限元网格几何清理方法、设备及介质。

背景技术

汽车车身结构性能开发过程中，CAE性能仿真是必不可少的环节，而整个CAE仿真过程中汽车结构有限元网格划分占据了60%-80%的时间。几何清理作为网格生成的前提，是汽车结构有限元网格划分过程的重要环节。

现有技术中的几何清理主要由人工来完成，耗时耗力，无法满足项目开发周期的要求。虽然有些软件提供了几何清理的功能，如HyperMesh，ANSA，但也需要人工选中特征再点击删除、替换、合并等选项，其实质还是人工操作。

发明内容

本发明实施例提供一种基于法向量的有限元网格几何清理方法、设备及介质，以曲面结构的自动化几何清理。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于法向量的有限元网格几何清理方法，包括：

从CAE软件获取板壳结构零件的三维几何特征；

将所述三维几何特征中的每个曲面向对应的二维平面投影，得到对应的二维几何特征，并识别所述二维几何特征的二维轮廓点环路；

将每个曲面的二维轮廓点环路映射回三维空间，得到每个曲面的三维轮廓点环路；

根据所述三维轮廓点环路，计算任一目标曲面与相邻曲面在公共边上多个位置处的法向量；

根据所述目标曲面与所述相邻曲面在每个位置处的法向量夹角，确定是否清理所述公共边。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行上述方法。

本发明实施例将三维特征中的每个曲面转换为二维几何特征，通过二维轮廓点序列识别曲面的三维轮廓点序列，降低了计算维度以及后续几何清理的复杂度；利用三维轮廓点序列中的向量，计算曲面在公共边多个位置处的法向量，体现曲面的弯曲特性，准确反映公共边处的几何信息；通过两个曲面在每个位置处的法向量夹角，体现两个曲面的曲率变化，从而判断是否清理公共面，实现了三维曲面的自动化几何清理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于法向量的有限元网格几何清理方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的一种二维轮廓点环路的示意图。

图3是本发明实施例提供的一种目标曲面和相邻曲面集合的示意图。

图4是本发明实施例提供的一种法向量计算的示意图。

图5是本发明实施例提供的另一种法向量计算的示意图。

图6是本发明实施例提供的一种二维凸包和二维外形轮廓的示意图。

图7是本发明实施例提供的一种顺时针方向的二维轮廓点环路的示意图。

图8是本发明实施例提供的一种逆时针方向的二维轮廓点环路的示意图。

图9是本发明实施例提供的另一种二维轮廓点环路的示意图。

图10是本发明实施例提供的一种第二向量分类的示意图。

图11是本发明实施例提供的另一种第二向量分类的示意图。

图12是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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；可以是直接相连，也可以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。

汽车钣金冲压板壳零件包括加强筋结构、倒角结构和曲面结构等，零结构形状会随着工程师的设计要求灵活变化，并包含一定的随机性，是几何清理的重点对象。本发明实施例提供一种基于法向量的有限元网格几何清理方法，适用于清理三维曲面之间的公共边界线段的情况。该方法由电子设备执行，如图1所示，具体包括如下步骤：

S110、从CAE软件获取板壳结构零件的三维几何特征。

将板壳结构零件的CAD模型导入到CAE软件中，得到该零件的三维几何特征。可选的，通过二次开发的程序从CAE软件中读取三维几何特征，包括点、线、面的数据，具体包括各点的编号、在整车坐标系中的坐标，线段的编号，面的编号等，为后续步骤提供数据输入。

S120、将所述三维几何特征中的每个曲面向对应的二维平面投影，得到对应的二维几何特征，并识别所述二维几何特征的二维轮廓点环路。

每个曲面的数据包括组成曲面的线段数据和点数据，但这些线段和点是无序的，计算机并不能通过这些数据直接获取曲面的轮廓信息。考虑到三维几何特征的复杂性，本实施例将三维曲面投影到二维平面，通过二维几何特征的外形轮廓反映曲面的轮廓信息。具体的，将所述三维几何特征中任一曲面的点特征向对应的二维平面进行投影，使得到的二维几何特征面积最大；确定所述二维几何特征的二维凸包，作为所述二维几何特征的二维轮廓点环路；沿所述二维轮廓点环路的方向，依次确定所述二维轮廓点环路中每个二维轮廓点与下一二维轮廓点之间遗漏的二维轮廓点并插入，得到最终的二维轮廓点环路，如图2所示。其中，所述二维轮廓点环路的方向包括顺时针方向和逆时针方向。

需要说明的是，每个曲面投影的二维平面各不相同，满足投影后的二维几何特征面积足够大，能够反映足够多的二维形状信息即可。二维平面的选取方式有多种，例如，根据任一曲面的三维凸包，找到面积最大的外轮廓三角平面，作为投影的二维平面；或在预设的多个二维平面上投影，选取面积最大的二维几何特征对应的平面作为最终的二维平面等。本实施例不作具体限制。

S130、将每个曲面的二维轮廓点环路映射回三维空间，得到每个曲面的三维轮廓点环路。

三维轮廓点环路将曲面中原本无序的点数据转换为有序的向量环路，直观反映曲面的空间轮廓。具体的，对于每个曲面而言，二维轮廓点由三维点特征投影而来，根据任一曲面的二维轮廓点环路的方向，将所述二维轮廓点环路中每个二维轮廓点在投影前对应的三维点特征顺序连接，即可得到所述曲面的三维轮廓点环路。例如，在投影过程中保持点的编号不变，通过编号即可索引到对应的三维点特征。

S140、根据所述三维轮廓点环路，计算任一目标曲面与相邻曲面在公共边上多个位置处的法向量。

两个曲面的法向量用于表征两曲面的曲率变化。由于曲面在不同位置处的法向量是不同的，本步骤选取公共边上多个位置处的法向量，来判断两曲面的曲率变化。在一具体实施方式中，选取公共边的两个端点作为多个法向量夹角的计算位置，这是因为对于曲率稳定的曲线公共边而言，两个端点处的法向量是相差最大的，最能反映曲面的特征。

可选的，首先，确定任一目标曲面的多个相邻曲面，其中每个相邻曲面与所述目标曲面存在一条公共边。从CAE软件中获取的曲面特征包括多条边界线，如图3所示，将任一曲面F作为目标曲面，遍历F的每条边界线，找到与F相邻的曲面集合，曲面集合中的每个相邻曲面与F有一条公共边。

然后，根据任一公共边在所述目标曲面的三维轮廓点环路中对应的第一向量，确定所述目标曲面在所述公共边两端点处的法向量。同时，根据所述公共边在对应的相邻曲面的三维轮廓点环路中对应的第二向量，确定所述相邻曲面在所述公共边两端点处的法向量。众所周知，法向量的计算方法有多种，本实施例充分利用现有数据，通过三维轮廓点环路中的向量计算两个曲面在公共处的法向量，准确反映公共边处的几何信息，为是否清理公共边界提供准确的决策依据。

S150、根据所述目标曲面与所述相邻曲面在每个位置处的法向量夹角，确定是否清理所述公共边。

如果所述目标曲面与所述相邻曲面每个位置处的法向量夹角均小于设定阈值（例如5°），说明两个曲面的曲率变化较小，则确定清理所述公共边，将两个曲面合为一个曲面。如果所述目标曲面与所述相邻曲面在至少一个位置处的法向量夹角大于或等于设定阈值，说明两个曲面的曲率变化较大，则保留所述公共边。所述设定阈值根据实际钣金冲压结构中拔模角度进行设置，通常的拔模角度≈5°。

本实施例将三维特征中的每个曲面转换为二维几何特征，通过二维轮廓点序列识别曲面的三维轮廓点序列，降低了计算维度以及几何清理的复杂度；利用三维轮廓点序列中的向量，计算曲面在公共边多个位置处的法向量，体现曲面的弯曲特性，准确反映公共边处的几何信息；通过两个曲面在每个位置处的法向量夹角，判断两个曲面的曲率变化，将曲率变化小的曲面合为一个曲面，曲率变化大的曲面保留公共边，实现了三维曲面的自动化几何清理。

在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对曲面法向量及法向量夹角的计算进行细化。可选的，所述根据任一公共边在所述目标曲面的三维轮廓点环路中对应的第三向量，确定所述目标曲面在所述公共边两端点处的法向量，包括：确定任一公共边在所述目标曲面的三维轮廓点环路中对应的第三向量，以及所述第三向量的前一向量和后一向量；计算所述第三向量和所述前一向量的叉积，作为所述目标曲面在所述第三向量和所述前一向量的公共端点处的法向量；计算所述第三向量和所述后一向量的叉积，作为目标曲面在所述第三向量和所述后一向量的公共端点处的法向量。

以图4为例，确定公共边P₁P₂在目标曲面F的三维轮廓点环路中的第三向量V ₁，以及V ₁的前一向量V ₂和后一向量V ₃；计算向量叉积V ₁×V ₂，作为曲面F在V ₁和V ₂的公共端点P1处的法向量V _L1；计算向量叉积V ₁×V ₃，作为曲面F在V ₂和V ₃的公共端点P2处的法向量V _L2。

同理，所述根据所述公共边在对应的相邻曲面的三维轮廓点环路中对应的第四向量，确定所述相邻曲面在所述公共边两端点处的法向量，包括：确定所述公共边在对应的相邻曲面的三维轮廓点环路中对应的第四向量，以及所述第四向量的前一向量和后一向量；计算所述第四向量和所述前一向量的叉积，作为相邻曲面在所述第四向量和所述前一向量的公共端点处的法向量；计算所述第四向量和所述后一向量的叉积，作为相邻曲面在所述第四向量和所述后一向量的公共端点处的法向量。

仍以图4为例，确定公共边P₁P₂在对应的相邻曲面SF的三维轮廓点环路中的第四向量V _S1，以及V _S1的前一向量V _S2和后一向量V _S3；计算向量叉积V _S1×V _S2，作为曲面SF在V _S1和V _S2的公共端点P1处的法向量V _SL1；计算向量叉积V _S2×V _S3，作为曲面SF在V _S2和V _S3的公共端点P2处的法向量V _SL2。

得到四个法向量后，分别计算目标曲面和相邻曲面在每个端点处的法向量的夹角。如果每个端点处的法向量夹角均小于设定阈值，则清理所述公共边；否则，保留所述公共边。对于冲压的板壳结构，其结构过渡相对平滑，不会出现两曲面之间法向量夹角大于90°的钝角，否则冲压后无法实现拔模。但由于本实施例采用叉积计算曲面的法向量，则根据第三向量和第四向量的方向，所述根据所述目标曲面与所述相邻曲面在所述多个位置处的法向量夹角，确定是否清理所述公共边，包括以下两种实施方式：

第一种实施方式，第三向量和第四向量的方向相同。如图4所示，V ₁和V _S1方向相同，分别计算V _L1和V _SL1的夹角，以及V _L1和V _SL1的夹角，两个夹角均不会出现大于或等于90°的情况。这时直接用每个夹角与设定阈值比较，如果每个夹角均小于设定阈值，则清理所述公共边；否则，保留所述公共边。

第二种实施方式，第三向量和所述第四向量的方向相反。如图5所示，V ₁和V _S1方向相反，分别计算端点P₁处的法向量V _L1和V _SL1的夹角，以及端点P₂处的法向量V _L2和V _SL2的夹角。由于V ₁和V _S1方向相反，则可能出现法向量夹角大于或等于90°的情况，造成误判。这时，如果一端点处的法向量夹角大于或等于90°，用180°减去所述法向量夹角，作为所述端点处最终的法向量夹角。如果每个夹角最终的值均小于设定阈值，则清理所述公共边；否则，保留所述公共边。

本实施例通过各曲面轮廓点序列中向量的叉积，计算各曲面在公共边两端点处的法向量，并通过公共边在各曲面轮廓点序列中对应的向量方向，对计算得到的法向量夹角进行修正，保证最终得到的法向量夹角均小于90°，与板壳零件的实际结构相符，避免造成误判。

在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对曲面对应的二维轮廓点环路的确定过程进行细化。如上述实施例所述，得到曲面的二维凸包后，将二维凸包作为曲面的二维轮廓点环路（如图2）。凸包中的所有点均为二维几何特征的边界轮廓点，但每两个点之间的线段并不一定为二维几何特征的公共边。这是因为凸包中每个点都是凸的，但实际应用多数特征的外轮廓既有凹的，也有凸的。对于凹的外轮廓，在相邻两个凸包点之间可能存在遗漏的二维轮廓点。更具体的，以图6为例，假设图中的实线为二维特征的真实外形轮廓，则识别出的凸包为点环路A—>B—>C—>D—>E—>A。五个凸包点均为该特征的轮廓点，但线段EA却不是该特征的公共边。其中，轮廓点C是凹的，并没有作为凸包点识别出来，该点即为凸包点B和A之间遗漏的二维轮廓点。因此，沿不同的方向确定每两个轮廓点之间遗漏的轮廓点，并将插入到每两个轮廓点之间，从而不断更新轮廓点环路。

可选的，沿所述二维轮廓点环路的方向，依次确定所述二维轮廓点环路中每个二维轮廓点与下一二维轮廓点之间遗漏的二维轮廓点并插入，得到最终的二维轮廓点环路，具体包括如下步骤：

步骤一、选取所述二维轮廓点环路中的任一二维轮廓点作为目标二维轮廓点。本实施例将遍历二维轮廓点环路中的每个目标二维轮廓点，并依次识别目标二维轮廓点和下一二维轮廓点之间可能遗漏的二维轮廓点。

步骤二、获取所述二维几何特征中的、以所述目标二维轮廓点为端点的至少一个线段特征。从二维几何特征的线段集中获取以目标二维轮廓点为端点的所有线段特征，这些线段特征均有可能是二维几何特征的真实外轮廓线段。

步骤三、根据所述至少一个线段特征和所述二维轮廓点环路的方向，确定所述目标二维轮廓点和下一二维轮廓点之间是否存在遗漏的二维轮廓点。如果存在，将所述遗漏的二维轮廓点插入所述目标二维轮廓点和所述下一二维轮廓点之间，并选取所述遗漏的二维轮廓点作为新的目标二维轮廓点，返回至少一个线段特征的获取操作，直到最终的二维轮廓点环路中所有的二维轮廓点均被选取完毕。如果不存在，选取所述下一二维轮廓点作为新的目标二维轮廓点，返回至少一个线段特征的获取操作，直到最终的二维轮廓点环路中所有的二维轮廓点均被选取完毕。

根据线段特征的和二维轮廓点环路的方向，本步骤包括以下几种实施方式。

第一种实施方式，所述至少一个线段特征的数量为一个，且所述线段特征的另一端点为所述目标二维轮廓点的下一二维轮廓点。这时可以确定所述目标二维轮廓点与所述下一二维轮廓点之间不存在遗漏的二维轮廓点，该线段特征即为二维几何特征的真实外轮廓。以图6中的目标二维轮廓点B为例，以B为端点的线段特征只有BC，而BC的另一端点C就是B的下一二维轮廓点，则可以确定B与C之间不存在遗漏的二维轮廓点。

这一情况下，选取所述下一二维轮廓点作为新的目标二维轮廓点，返回执行步骤二和步骤三；循环往复，直到最终的二维轮廓点环路中所有的二维轮廓点均被选取完毕。仍以图6中的目标二维轮廓点B为例，将下一二维轮廓点C作为新的目标二维轮廓点，进行下一轮循环，即确定C和D之间遗漏的二维轮廓点并插入，直到所有轮廓点均被选取完毕。

第二种实施方式，所述至少一个线段特征的数量为一个，且所述线段特征的另一端点不为所述目标二维轮廓点的下一二维轮廓点。这时可以确定将所述另一端点为所述目标二维轮廓点和所述下一二维轮廓点之间遗漏的二维轮廓点，该线段特征即为二维几何特征的真实外轮廓线段。以图6中的目标二维轮廓点E为例，以E为端点的线段特征只有EF，但EF的另一端点F不是E的下一二维轮廓点A，则可以确定F为E和A之间遗漏的二维轮廓点。

这一情况下，将所述遗漏的二维轮廓点插入所述二维轮廓点环路，并选取所述遗漏的二维轮廓点作为新的目标二维轮廓点，返回执行步骤二和步骤三；循环往复，直到最终的二维轮廓点环路中所有的二维轮廓点均被选取完毕。仍以图6中的目标二维轮廓点E为例，将遗漏的二维轮廓点F插入二维轮廓点环路A—>B—>C—>D—>E—>A中的E—>A之间，得到新的二维轮廓点环路A—>B—>C—>D—>E—>F—>A；并将F作为新的目标二维轮廓点，进行下一轮循环，即确定F和A之间遗漏的二维轮廓点并插入，直到所有轮廓点均被选取完毕。

第三种实施方式，所述至少一个线段特征的数量为多个，这时需要根据二维轮廓点环路的方向进一步判断目标二维轮廓点与下一二维轮廓点之间是否存在遗漏的二维轮廓点。如果存在，将所述遗漏的二维轮廓点插入所述目标二维轮廓点和所述下一二维轮廓点之间，并选取所述遗漏的二维轮廓点作为新的目标二维轮廓点，返回至少一个线段特征的获取操作，直到最终的二维轮廓点环路中所有的二维轮廓点均被选取完毕。如果不存在，选取所述下一二维轮廓点作为新的目标二维轮廓点，返回至少一个线段特征的获取操作，直到最终的二维轮廓点环路中所有的二维轮廓点均被选取完毕。

可选的，所述根据所述至少一个线段特征和所述二维轮廓点环路的方向，确定所述目标二维轮廓点和下一二维轮廓点之间是否存在遗漏的二维轮廓点，具体包括如下步骤：

步骤A、构建所述目标二维轮廓点到所述目标二维轮廓点的上一二维轮廓点的第一向量；沿所述二维轮廓点环路的方向，选取距离所述第一向量最近的线段特征。所述最近的线段特征为以目标二维轮廓点为端点的、真实的外轮廓线段。进一步的，如果所述二维轮廓点环路的方向为顺时针方向，选取沿顺时针方向距离第一向量最近的线段特征；如果所述二维轮廓点环路的方向为逆时针方向，选取沿逆时针方向距离第一向量最近的线段特征。

以图7和图8为例，实线向量均对应真实的外轮廓线段，虚线向量对应包括在轮廓 点序列中但并不是真实的外轮廓线段的向量，以轮廓点E为端点的多条线段特征均包括EF 和EG。参照图7，二维轮廓点环路的方向A—>B—>C—>D—>E—>A为顺时针方向，以目标二维 轮廓点E的第一向量

为起始位置，沿顺时针方向在E为圆心的圆形区域内扫描，则所述 多条线段特征EF和EG中最先与扫描线重合的线段一定为下一条真实的外轮廓线段EF，这是 由“几何结构的外轮廓一定位于结构最外部”的特性决定的。根据这一特性，在真实的外轮 廓线段未知的情况下，选取沿顺时针方向距离第一向量最近的线段特征作为下一条真实的 外轮廓线段。

同理，参照图8，二维轮廓点环路的A—>E—>D—>C—>B—>A的方向为逆时针方向， 以目标二维轮廓点E的第一向量

为起始位置，沿逆时针方向在E为圆心的圆形区域内扫 描，则所述多条线段特征EF和EG中最先与扫描线重合的线段一定为下一条真实的外轮廓线 段EG，这同样是由“几何结构的外轮廓一定位于结构最外部”的特性决定的。根据这一特性， 在真实的外轮廓线段未知的情况下，选取沿逆时针方向距离第一向量最近的线段特征作为 下一条真实的外轮廓线段。

步骤B、根据最近的线段特征与下一二维轮廓点的关系，确定目标二维轮廓点与下一二维轮廓点之间是否存在遗漏的二维轮廓点。具体来说，包括以下两种情况：

情况一、如果所述最近的线段特征的另一端点为所述目标二维轮廓点的下一二维 轮廓点，确定所述目标二维轮廓点与所述下一二维轮廓点之间不存在遗漏的二维轮廓点。 以图9中的目标二维轮廓点E为例，轮廓点序列的方向为顺时针方向，经过E的线段特征包括 EA和EF，其中沿顺时针方向距离第一向量

最近的线段特征为EA，其另一端点A就是E的 下一二维轮廓点，则不存在遗漏的二维轮廓点。

情况二、如果所述最近的线段特征的另一端点不为所述目标二维轮廓点的下一二 维轮廓点，将所述另一端点作为所述目标二维轮廓点与所述下一二维轮廓点之间遗漏的二 维轮廓点。以图7中的目标二维轮廓点E为例，轮廓点序列方向为顺时针方向，经过E的线段 包括EF和EG，其中沿顺时针方向距离第一向量

最近的选段为EF，其另一端点F不是E的 下一二维轮廓点A，则F就是E和A之间遗漏的二维轮廓点。

本实施例将三维几何特征转换到二维平面内，并将二维凸包作为初始轮廓点序列；然后基于“几何结构的外轮廓一定位于结构最外部”的特性，根据轮廓点序列的方向，依次确定每两个轮廓点之间遗漏的二维轮廓点并插入，从而确定真实的轮廓点序列，自动实现了对复杂几何结构的外形轮廓识别，提高了识别精度。

在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对距离第一向量最近的线段特征的确定过程进行细化。可选的，所述沿所述二维轮廓点环路的方向，选取距离所述第一向量最近的线段特征，包括：构建所述目标二维轮廓点到每个线段特征的另一端点的第二向量；计算所述第一向量到每个第二向量沿所述二维轮廓点环路的方向的夹角；选取夹角最小的第二向量对应的线段特征，作为沿所述二维轮廓点环路的方向距离所述第一向量最近的线段特征。进一步的，如果所述二维轮廓点环路为顺时针方向，计算所述第一向量到每个第二向量沿顺时针方向的夹角；如果所述二维轮廓点环路为逆时针方向，计算所述第一向量到每个第二向量沿逆时针方向的夹角。所述夹角用于度量线段特征与第一向量的距离；夹角越小，距离第一向量越近。

在一具体实施方式中，首先，将每个第二向量的长度缩放为所述第一向量的长度， 计算每个缩放后的第二向量与所述第一向量的点积，所述点积用于度量所述第一向量到每 个第二向量沿所述二维轮廓点环路的方向的夹角。第一向量

和缩放前第二向量

的点积

，其中，

表示

和

之间的夹角。由于缩放前第二向量的长度

各不相同，因此各点积

不能直接作为

的度量，需要进一步计算

，由于存在除法和arccos函数计算，会引入较大误差。为了克服这一点，本步骤通过向量的 缩放消除点积中

的影响，缩放后的点积能够直接作为向量间夹角的度量，简化计算过程 的同时，也减小了计算误差。

计算点积后，根据所述第一向量和每个第二向量的位置关系，将至少一个第二向 量划分为所述夹角小于或等于

的第一类第二向量，以及夹角大于

的第二类第二向量。上 述夹角

的取值范围为

，而所述第一向量到每个第二向量沿所述二维轮廓点 环路的方向的夹角

的取值范围为

。图10以轮廓点序列方向为顺时针方向 为例，可以看出第一向量到第一类第二向量的夹角

满足

，且

；第一 向量到第二类向量的夹角满足

，且

。因此本步骤在得到

后，进一步根据第一向量和每个第二向量的位置关系将第二向量划分两类。

具体来说，首先将任一第二向量的二维坐标变换到以所述第一向量为纵轴正向的 二维坐标系下。当轮廓点序列方向为顺时针方向时，如图9所示，如果所述第二向量变换后 的横坐标小于0，确定所述第二向量为夹角大于

的第二类第二向量；如果所述第二向量变 换后的横坐标大于或等于0，确定所述第二向量为夹角小于或等于

的第一类第二向量。当 轮廓点序列方向为逆时针方向时，如图11所示，如果所述第二向量变换后的横坐标小于或 等于0，确定所述第二向量为夹角小于或等于

的第一类第二向量；如果所述第二向量变换 后的横坐标大于0，确定所述第二向量为夹角大于

的第二类第二向量。

分类后，如果存在第一类第二向量，选取点积最大的第一类第二向量对应的线段 特征，作为沿所述二维轮廓点环路的方向距离所述第一向量最近的线段特征；如果不存在 第一类第二向量，选取点积最小的第二类第二向量对应的线段特征，作为沿所述二维轮廓 点环路的方向距离所述第一向量最近的线段特征。当

时，

为

的递减 函数，点积

也为

的递减函数。结合图10和图11，当存在第一 类第二向量时，

最小（点积最大）的第一类第二向量对应距离第一向量最近的线段特征； 当不存在第一类第二向量时，

最大（点积最小）的第二类第二向量对应距离第一向量最近 的线段特征。

本实施例采用向量缩放后的点积作为向量间夹角

的度量，省去了除法和arccos 函数的计算过程，简化计算的同时减小了误差；同时根据第一向量和第二向量的位置关系， 建立了夹角

与第一向量到每个第二向量沿二维轮廓点环路的方向的夹角

之间的对应 关系，直接通过点积确定沿二维轮廓点环路的方向距离第一向量最近的线段特征。

图12为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图12所示，该设备包括处理器60、存储器61、输入装置62和输出装置63；设备中处理器60的数量可以是一个或多个，图6中以一个处理器60为例；设备中的处理器60、存储器61、输入装置62和输出装置63可以通过总线或其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。

存储器61作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的基于法向量的有限元网格几何清理方法对应的程序指令/模块。处理器60通过运行存储在存储器61中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的基于法向量的有限元网格几何清理方法。

存储器61可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器61可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器61可进一步包括相对于处理器60远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置62可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置63可包括显示屏等显示设备。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一实施例的基于法向量的有限元网格几何清理方法。

本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如”C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种基于法向量的有限元网格几何清理方法，其特征在于，包括：

从CAE软件获取板壳结构零件的三维几何特征；

将所述三维几何特征中的每个曲面向对应的二维平面投影，得到对应的二维几何特征，并识别所述二维几何特征的二维轮廓点环路；

将每个曲面的二维轮廓点环路映射回三维空间，得到每个曲面的三维轮廓点环路；

根据所述三维轮廓点环路，计算任一目标曲面与相邻曲面在公共边上多个位置处的法向量；

根据所述目标曲面与所述相邻曲面在每个位置处的法向量夹角，确定是否清理所述公共边。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述三维几何特征中的每个曲面向对应的二维平面投影，得到对应的二维几何特征，并识别所述二维几何特征的二维轮廓点环路，包括：

将所述三维几何特征中任一曲面的点特征向对应的二维平面投影，使得到的二维几何特征面积最大；

确定所述二维几何特征的二维凸包，作为所述二维几何特征的二维轮廓点环路；

沿所述二维轮廓点环路的方向，依次确定所述二维轮廓点环路中每个二维轮廓点与下一二维轮廓点之间遗漏的二维轮廓点并插入，得到最终的二维轮廓点环路；

其中，所述二维轮廓点环路的方向包括顺时针方向和逆时针方向。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沿所述二维轮廓点环路的方向，依次确定所述二维轮廓点环路中每个二维轮廓点与下一二维轮廓点之间遗漏的二维轮廓点并插入，得到最终的二维轮廓点环路，包括：

选取所述二维轮廓点环路中的任一二维轮廓点作为目标二维轮廓点；

获取所述二维几何特征中的、以所述目标二维轮廓点为端点的至少一个线段特征；

根据所述至少一个线段特征和所述二维轮廓点环路的方向，确定所述目标二维轮廓点和所述目标二维轮廓点的下一二维轮廓点之间是否存在遗漏的二维轮廓点；

如果存在，将所述遗漏的二维轮廓点插入所述目标二维轮廓点和所述下一二维轮廓点之间，并选取所述遗漏的二维轮廓点作为新的目标二维轮廓点，返回至少一个线段特征的获取操作，直到最终的二维轮廓点环路中所有的二维轮廓点均被选取完毕；

如果不存在，选取所述下一二维轮廓点作为新的目标二维轮廓点，返回至少一个线段特征的获取操作，直到最终的二维轮廓点环路中所有的二维轮廓点均被选取完毕。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少一个线段特征和所述二维轮廓点环路的方向，确定所述目标二维轮廓点和所述目标二维轮廓点的下一二维轮廓点之间是否存在遗漏的二维轮廓点，包括：

如果所述至少一个线段特征的数量为一个，且所述线段特征的另一端点为所述目标二维轮廓点的下一二维轮廓点，确定所述目标二维轮廓点和所述下一二维轮廓点之间不存在遗漏的二维轮廓点；

如果所述至少一个线段特征的数量为一个，且所述线段特征的另一端点不为所述目标二维轮廓点的下一二维轮廓点，将所述另一端点作为所述目标二维轮廓点和所述下一二维轮廓点之间遗漏的二维轮廓点；

如果所述至少一个线段特征的数量为多个，构建所述目标二维轮廓点到所述目标二维轮廓点的上一二维轮廓点的第一向量；沿所述二维轮廓点环路的方向，选取距离所述第一向量最近的线段特征；如果所述最近的线段特征的另一端点为所述目标二维轮廓点的下一二维轮廓点，确定所述目标二维轮廓点与所述下一二维轮廓点之间不存在遗漏的二维轮廓点；如果所述最近的线段特征的另一端点不为所述目标二维轮廓点的下一二维轮廓点，将所述另一端点作为所述目标二维轮廓点与所述下一二维轮廓点之间遗漏的二维轮廓点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将每个曲面的二维轮廓点环路映射回三维空间，得到每个曲面的三维轮廓点环路，包括：

根据任一曲面的二维轮廓点环路的方向，将每个二维轮廓点在投影前对应的三维点特征顺序连接，得到所述曲面的三维轮廓点环路。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维轮廓点环路，计算任一目标曲面与相邻曲面在公共边上多个位置处的法向量，包括：

确定任一目标曲面的多个相邻曲面，其中每个相邻曲面与所述目标曲面存在一条公共边；

根据任一公共边在所述目标曲面的三维轮廓点环路中对应的第三向量，确定所述目标曲面在所述公共边两端点处的法向量；

根据所述公共边在对应的相邻曲面的三维轮廓点环路中对应的第四向量，确定所述相邻曲面在所述公共边两端点处的法向量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标曲面与所述相邻曲面在所述多个位置处的法向量夹角，确定是否清理所述公共边，包括：

计算所述目标曲面与所述相邻曲面在所述公共边任一端点处的法向量夹角；

如果所述第三向量和所述第四向量的方向相反，且所述法向量夹角大于或等于90°，用180°减去所述法向量夹角，作为所述端点处最终的法向量夹角。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标曲面与所述相邻曲面在每个位置处的法向量夹角，确定是否清理所述公共边，包括：

在所述目标曲面与所述相邻曲面的公共边上选取多个位置；

如果所述目标曲面与所述相邻曲面每个位置处的法向量夹角均小于设定阈值，确定清理所述公共边；

如果所述目标曲面与所述相邻曲面在至少一个位置处的法向量夹角大于或等于设定阈值，确定保留所述公共边；

其中，所述设定阈值根据板壳结构的拔模角度设置。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任意一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至8任一所述方法。

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