CN116778112B - 一种曲面三角形网格生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曲面三角形网格生成方法，涉及网格生成、计算流体力学技术领域。包括：利用脏数模处理方法，对输入的数模进行预处理，得到适用于网格生成要求的干净数模；采用Delaunay和Advancing‑Front相结合的混合算法，对干净数模的每一片曲面进行自适应离散，得到每一片曲面三角形初始网格，进行自适应优化，得到优化后的曲面三角形网格；根据数模拓扑关系，融合数模包含的所有优化后的曲面三角形网格，得到整个数模对应的曲面三角形网格；计算融合后曲面三角形网格的尺寸场，并采用拉普拉斯函数进行光滑，根据光滑后的尺寸场对曲面三角形网格进行过渡优化。解决了复杂数模高质量曲面三角形曲面网格快速生成问题。
Description
技术领域
本发明涉及网格生成、计算流体力学技术领域，特别涉及一种曲面三角形网格生成方法。
背景技术
曲面网格生成是整个网格划分过程中的关键步骤，它需要与CAD系统进行直接通信，对连续微分几何公式表达的曲面进行离散化。此外，它还是附面层网格和空间网格生成的起点。映射法和直接法是曲面网格生成的两种主要方法。映射法要求待剖分曲面是一个可以在二维域上用双参数表达的参数化曲面，从而将三维曲面网格生成问题转化为二维参数空间的平面网格生成问题。文章《基于黎曼度量的复杂参数曲面有限元网格生成方法》将黎曼度量应用到 Advancing-Front方法，黎曼度量的引入以及合理背景网格下的黎曼度量插值计算方法，使 Advancing-Front方法所生成的曲面自适应网格具有良好的质量。文章《几何自适应参数曲面网格生成》在耦合的 Delaunay-Advancing-Front方法中引入黎曼度量，并考虑了对曲面邻近特征和曲率的自动识别，生成了组合参数曲面的几何自适应网格。直接法需要进行曲面的切线和法线向量的计算，以及线面相交计算，耗时且不稳定，主要运用在没有参数表达的曲面网格生成或相交曲面网格生成上，国内研究该方法的人很少。
现有方法的缺点：
1、现有的方法需要借助CAD软件处理真实几何模型常出现的重叠面、几何相交、内部面等脏几何问题；
2、现有的方法不能自动对几何模型生成整体曲面网格，例如几何模型由10张曲面组成，则只能分别生成10张曲面网格；
3、现有的方法对已经生成的曲面网格很难进行网格点分布优化。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种曲面三角形网格生成方法，以解决复杂数模高质量三角形曲面网格快速生成问题。
具体技术方案如下：
本发明是一种曲面三角形网格生成方法，包括以下步骤：
导入数模，解析数模拓扑关系数据，包括拓扑点、拓扑边和拓扑面信息，利用脏数模处理方法，对输入的数模进行预处理，建立新的数模拓扑关系，得到适用于网格生成要求的干净数模；
采用Delaunay和Advancing-Front相结合的混合算法，对干净数模的每一片曲面进行自适应离散，得到每一片曲面三角形初始网格，然后基于尺寸场对每一片曲面三角形初始网格进行自适应优化，直到其质量符合设定的要求，得到优化后的曲面三角形网格；
根据数模拓扑关系，融合数模包含的所有优化后的曲面三角形网格，得到整个数模对应的曲面三角形网格；
计算融合后曲面三角形网格的尺寸场，并采用拉普拉斯函数进行光滑，根据光滑后的尺寸场对曲面三角形网格进行过渡优化。
进一步的，所述对输入的数模进行预处理，具体包括融合碎边、数模缝隙处理以及边界分割。
进一步的，所述采用Delaunay和Advancing-Front相结合的混合算法，对干净数模的每一片曲面进行自适应离散，得到每一片曲面三角形初始网格，然后基于尺寸场对每一片曲面三角形初始网格进行自适应优化，直到其质量符合设定的要求，得到优化后的曲面三角形网格，具体为：
设置数模边离散控制参数；
计算数模边端点尺寸值；
根据数模边离散控制参数和数模边端点尺寸值，自适应离散每一条数模边；
对于每一片曲面，采用Delaunay和Advancing-Front 相结合的混合算法生成曲面三角形初始网格；
对每一片曲面三角形初始网格进行自适应优化，得到优化后的曲面三角形网格；
依次循环每一片曲面，在数模的所有曲面上生成所有优化后的曲面三角形网格。
进一步的，所述设置数模边离散控制参数，包括全局最大尺寸、全局最小尺寸、曲率角度和网格增长率，具体的：
全局最大尺寸：数模边两个相邻离散点的最大距离；
全局最小尺寸：数模边两个相邻离散点的最小距离；
曲率角度：通过曲率角度计算曲率尺寸，控制数模边的保形精度；
网格增长率：数模边相邻离散点的距离之比。
进一步的，所述计算数模边端点尺寸值，具体的：
计算端点所有邻接边在该端点处的曲率尺寸，首先比较全局最大尺寸和所有曲率尺寸，取它们的最小值作为该端点的第一初始尺寸；然后比较第一初始尺寸和全局最小尺寸，取它们的最大值作为该端点的第二初始尺寸，然后根据端点所有邻接边的长度和网格增长率，修正端点的第二初始尺寸，得到端点尺寸值。
进一步的，所述根据数模边离散控制参数和数模边端点尺寸值，自适应离散每一条数模边，具体为：
根据数模边两个端点尺寸值的最小值对数模边多个取样点进行均匀取样；
计算每个取样点的曲率尺寸；
根据端点尺寸值和数模边离散控制参数，从取样点中取点得到数模边离散点；
根据网格增长率对数模边离散点进行光滑优化，得到最终的数模边离散点。
进一步的，所述对于每一片曲面，采用Delaunay和Advancing-Front 相结合的混合算法生成曲面三角形初始网格，具体为：
读取得到的数模边离散点坐标；
在曲面对应的参数域上，使用二维Delaunay剖分程序，生成参数域上只包含边界曲线点的初始网格；
使用Advancing-Front算法逐层计算参数域上初始网格内的插点坐标；
考虑插点在参数域的黎曼度量和在三维物理空间的黎曼度量，采用局部迭代优化的方式提高参数域上的三角形网格质量；
将参数域上的三角形网格映射到曲面上，生成曲面三角形初始网格。
进一步的，对生成的曲面三角形初始网格进行自适应优化，具体为：
计算每个网格点的曲率尺寸，得到网格点的尺寸场；
采用拉普拉斯函数对尺寸场进行光滑；
根据光滑后的尺寸场，局部迭代优化曲面三角形初始网格质量，直到达到设定的要求。
进一步的，所述根据数模拓扑关系，融合数模包含的所有优化后的曲面三角形网格，得到整个数模对应的曲面三角形网格，如果需要分部件生成曲面三角形网格，则分别融合每个部件包含的曲面三角形网格，形成每个部件对应的曲面三角形网格。
本发明的有益效果如下：
本发明是一种曲面三角形网格生成方法，能够自动对几何模型生成曲面三角形网格曲面，也可以分部件生成每个部件的曲面三角形网格曲面，保证曲面三角形网格个数最少，消除了曲面边界线造成的整体曲面三角形网格不光滑现象。
本发明是一种曲面三角形网格生成方法，能够对已经生成的曲面三角形初始网格进行自适应优化，提升网格的整体光滑性和分布合理性，是一种复杂曲面高质量曲面三角形网格快速生成方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图，其中：
图1为本发明曲面三角形网格生成流程图；
图2为数模；
图3为参数域上初始网格；
图4为参数域上初始网格内第一层插点；
图5为参数域上初始网格内第二层插点；
图6为参数域上初始网格内第三层插点；
图7为数模对应的曲面三角形初始网格；
图8为数模对应的自适应优化后的曲面三角形网格。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。
实施例1
本实施例提供一种曲面三角形网格生成方法，方法流程如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1，导入数模，解析数模拓扑关系数据，包括拓扑点、拓扑边和拓扑面信息等。数模如图2所示。
步骤2，利用脏数模处理方法，基于数模的真实几何模型数据信息进行预处理，主要是融合碎边、数模缝隙处理以及边界分割等，建立新的数模拓扑关系，输出适用于网格生成要求的干净数模。
其中，脏数模处理方法是一种CAD图形处理方法，通过建立和更新通用几何与实体几何之间的映射关系，实现了数模点的虚拟融合，数模线的虚拟分割、虚拟合并以及虚拟融合操作，数模面的虚拟合并操作，屏蔽了实体几何层数据的“脏几何问题”，并可自动消除不必要的特征，输出适用于网格生成要求的“干净”几何。建立了超线和超点这两种对外操作接口，根据用户的参数设置，动态建立超拓扑与真实数模的映射关系，可实现对真实数模“脏几何问题”的自动处理。关于脏数模处理方法，在专利名称为：一种CAD图形处理方法、装置、设备和存储介质，公开号为CN115238331B的发明专利中有提到。
脏数模处理方法具体技术方案简介如下：获取显示界面上构成第一CAD图形的线，获取用户输入的第一参数，根据第一参数将第一CAD图形中目标距离小于或者等于第一参数的线进行虚拟合并，得到第二CAD图形，获取第二CAD图形的拓扑面和拓扑环的映射关系，根据第二CAD图形的拓扑面和拓扑环的映射关系对第二CAD图形的拓扑面进行筛选，得到第三CAD图形，获取第三CAD图形的拓扑环和拓扑线的映射关系，与拓扑线和拓扑点的映射关系，根据第三CAD图形的拓扑环和拓扑线的映射关系，与拓扑线和拓扑点的映射关系对第三CAD图形的拓扑线进行筛选，得到目标CAD图形。
步骤3，设置数模边离散控制参数，包括全局最大尺寸、全局最小尺寸、曲率角度和网格增长率。
全局最大尺寸：数模边两个相邻离散点的最大距离；
全局最小尺寸：数模边两个相邻离散点的最小距离；
曲率角度：通过曲率角度计算曲率尺寸，控制数模边的保形精度；
网格增长率：数模边相邻离散点的距离之比。
步骤4，计算数模边端点所有邻接边在该端点处的曲率尺寸，首先比较全局最大尺寸和所有曲率尺寸，取它们的最小值作为该端点的第一初始尺寸；然后比较第一初始尺寸和全局最小尺寸，取它们的最大值作为该端点的第二初始尺寸，然后根据端点所有邻接边的长度和网格增长率，修正端点的第二初始尺寸，得到端点尺寸值。
步骤5，根据步骤3设置的数模边离散控制参数和步骤4计算得到的数模边端点尺寸值，自适应离散每一条数模边。具体为：
步骤51，根据数模边两个端点尺寸值的最小值对数模边进行均匀取样，例如可以取样100个点；
步骤52，计算每个取样点的曲率尺寸；
步骤53，根据端点尺寸值和数模边离散控制参数，从取样点中取点得到数模边离散点；
步骤54，根据网格增长率对数模边离散点进行光滑优化，得到最终的数模边离散点。
步骤6，对于每一片曲面，采用Delaunay和Advancing-Front 相结合的混合算法生成曲面三角形初始网格。具体为：
步骤61，读取步骤5得到的数模边离散点坐标；
步骤62，在曲面对应的参数域上，使用二维Delaunay剖分程序，生成参数域上只包含边界曲线点的初始网格，参数域上的初始网格如图3所示；
步骤63，使用Advancing-Front算法逐层计算参数域上初始网格内的插点坐标，初始网格的三层插点如图4至图6所示；
步骤64，考虑插点在参数域的黎曼度量和在三维物理空间的黎曼度量，采用局部迭代优化的方式提高参数域上的三角形网格质量。
步骤65，将参数域上的三角形网格映射到曲面上，生成曲面三角形初始网格。曲面三角形初始网格如图7所示。
步骤7，对步骤6生成的曲面三角形初始网格进行自适应优化，得到优化后的曲面三角形网格，优化后的曲面三角形网格如图8所示，具体为：
步骤71，计算每个网格点的曲率尺寸，得到网格点的尺寸场；
步骤72，采用拉普拉斯函数对步骤71尺寸场进行光滑；
步骤73，根据光滑后的尺寸场，局部迭代优化曲面三角形初始网格质量，直到达到设定的要求。
步骤8，依次循环每一片曲面，在数模的所有曲面上生成曲面三角形网格。
步骤9，根据步骤2建立的新数模边拓扑关系，融合步骤9生成的所有曲面三角形网格，得到整个数模对应的曲面三角形网格。如果需要分部件生成曲面三角形网格，则分别融合每个部件包含的曲面三角形网格，得到每个部件对应的曲面三角形网格。
步骤10，计算融合后曲面三角形网格的尺寸场，并采用拉普拉斯函数进行光滑，根据光滑后的尺寸场对曲面三角形网格进行过渡优化，至此，曲面三角形网格生成流程结束。
本发明通过以上操作解决了复杂数模高质量曲面三角形曲面网格快速生成难题，能够自动对几何模型生成整体的曲面三角形网格曲面，也可以分部件生成每个部件的曲面三角形网格曲面，保证曲面三角形网格个数最少，消除了曲面边界线造成的曲面三角形网格不光滑现象。本发明的方法能够对已经生成的曲面三角形初始网格进行自适应优化，提升网格的整体光滑性和分布合理性，是一种复杂曲面高质量曲面三角形曲面网格快速生成方法。
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 (4)
1.一种曲面三角形网格生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
导入数模，解析数模拓扑关系数据，包括拓扑点、拓扑边和拓扑面信息，利用脏数模处理方法，对输入的数模进行预处理，建立新的数模拓扑关系，得到适用于网格生成要求的干净数模；
采用Delaunay和Advancing-Front相结合的混合算法，对干净数模的每一片曲面进行自适应离散，得到每一片曲面三角形初始网格，然后基于尺寸场对每一片曲面三角形初始网格进行自适应优化，直到其质量符合设定的要求，得到优化后的曲面三角形网格；
根据数模拓扑关系，融合数模包含的所有优化后的曲面三角形网格，得到整个数模对应的曲面三角形网格；
计算融合后曲面三角形网格的尺寸场，并采用拉普拉斯函数进行光滑，根据光滑后的尺寸场对曲面三角形网格进行过渡优化；
所述采用Delaunay和Advancing-Front相结合的混合算法，对干净数模的每一片曲面进行自适应离散，得到每一片曲面三角形初始网格，然后基于尺寸场对每一片曲面三角形初始网格进行自适应优化，直到其质量符合设定的要求，得到优化后的曲面三角形网格，具体为：
设置数模边离散控制参数；
计算数模边端点尺寸值；
根据数模边离散控制参数和数模边端点尺寸值，自适应离散每一条数模边；
对于每一片曲面，采用Delaunay和Advancing-Front 相结合的混合算法生成曲面三角形初始网格；
对每一片曲面三角形初始网格进行自适应优化，得到优化后的曲面三角形网格；
依次循环每一片曲面，在数模的所有曲面上生成所有优化后的曲面三角形网格；
所述设置数模边离散控制参数，包括全局最大尺寸、全局最小尺寸、曲率角度和网格增长率，具体的：
全局最大尺寸：数模边两个相邻离散点的最大距离；
全局最小尺寸：数模边两个相邻离散点的最小距离；
曲率角度：通过曲率角度计算曲率尺寸，控制数模边的保形精度；
网格增长率：数模边相邻离散点的距离之比；
所述计算数模边端点尺寸值，具体的：
计算端点所有邻接边在该端点处的曲率尺寸，首先比较全局最大尺寸和所有曲率尺寸，取它们的最小值作为该端点的第一初始尺寸；然后比较第一初始尺寸和全局最小尺寸，取它们的最大值作为该端点的第二初始尺寸，然后根据端点所有邻接边的长度和网格增长率，修正端点的第二初始尺寸，得到端点尺寸值；
所述根据数模边离散控制参数和数模边端点尺寸值，自适应离散每一条数模边，具体为：
根据数模边两个端点尺寸值的最小值对数模边多个取样点进行均匀取样；
计算每个取样点的曲率尺寸；
根据端点尺寸值和数模边离散控制参数，从取样点中取点得到数模边离散点；
根据网格增长率对数模边离散点进行光滑优化，得到最终的数模边离散点；
所述对于每一片曲面，采用Delaunay和Advancing-Front 相结合的混合算法生成曲面三角形初始网格，具体为：
读取得到的数模边离散点坐标；
在曲面对应的参数域上，使用二维Delaunay剖分程序，生成参数域上只包含边界曲线点的初始网格；
使用Advancing-Front算法逐层计算参数域上初始网格内的插点坐标；
考虑插点在参数域的黎曼度量和在三维物理空间的黎曼度量，采用局部迭代优化的方式提高参数域上的三角形网格质量；
将参数域上的三角形网格映射到曲面上，生成曲面三角形初始网格。
2.根据权利要求1所述的一种曲面三角形网格生成方法，其特征在于：所述对输入的数模进行预处理，具体包括融合碎边、数模缝隙处理以及边界分割。
3.根据权利要求1所述的一种曲面三角形网格生成方法，其特征在于：对生成的曲面三角形初始网格进行自适应优化，具体为：
计算每个网格点的曲率尺寸，得到网格点的尺寸场；
采用拉普拉斯函数对尺寸场进行光滑；
根据光滑后的尺寸场，局部迭代优化曲面三角形网格初始质量，直到达到设定的要求。
4.根据权利要求1所述的一种曲面三角形网格生成方法，其特征在于：所述根据数模拓扑关系，融合数模包含的所有优化后的曲面三角形网格，得到整个数模对应的曲面三角形网格，如果需要分部件生成曲面三角形网格，则分别融合每个部件包含的曲面三角形网格，形成每个部件对应的曲面三角形网格。
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| 基于平方距离函数的曲面分片参数化重构;李明星;刘志刚;林志航;;西安交通大学学报(第09期);67-71 * |
| 基于约束Delaunay三角化的二维非结构网格生成方法;王盛玺;宋松和;邹正平;;计算物理(第03期);23-36 * |
| 离散点云的简化及三角网格曲面重构;刘杨;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;I138-834 * |
| 面向STL模型的几何自适应曲面网格生成;陈建军;梁义;黄争舸;郑耀;;机械工程学报(第07期);132-137 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116778112A (zh) | 2023-09-19 |
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