CN117892602A - 基于工业仿真软件的2.5d模型的网格剖分方法及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法及相关设备，该方法包括如下步骤：将2.5D整体模型分解为多层几何形状的2.5D子模型；分别将各2.5D子模型转化为两层2D模型，其中，2.5D子模型转化出的两层2D模型分别位于对应2.5D子模型的起始位置和结束位置，任意相邻或相交层2.5D子模型转化出的2D模型之间存在重叠或相交；将重叠或相交的2D模型合并；对合并后的各2D模型进行二维网格剖分，得到各2D模型的剖分网格；根据材质对各2D模型的剖分网格进行侧边界缝合，形成多个带有材质属性的区；对各个区进行三维网格剖分，得到各个区的三维网格；合并各个区的三维网格。本发明可以高效、鲁棒的剖分任意复杂度的2.5D模型，资源占用率低、剖分效率高。
Description
技术领域
本发明涉及仿真设计技术领域，尤其涉及一种基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法及相关设备。
背景技术
2.5D模型是一类通过在二维的平面几何加上一些层高数据来描述3D空间中的模型，是一种介于二维和三维之间的特殊模型，由于其可以较低的计算成本提供较好的可视化效果，帮助工程师和设计师更好地理解复杂系统的行为，优化设计方案以及进行准确的决策分析而广泛应用于工业数值仿真领域。在仿真过程中，通常要对仿真模型进行网格剖分，然后对剖分产生的网格和其附带的边界条件进行求解。
中国发明CN117078890B公开了一种手机三维几何模型网格剖分方法，该方法包括：根据切分位置将三维几何模型切分为多个切分层，然后将边界表征的三维实体边界曲面与各切分层平面进行相交运算，得到各切分层上二维几何模型，最后将网格切分、拉伸后的各切分层的立体网格按空间位置依次叠放，从而得到多层层状几何模型。与上述专利类似地，传统的网格剖分方法需要3D边界或者剖分2D边界。
然而，2.5D模型通常只包含层高信息，缺乏完整的三维几何信息，这意味着2.5D模型的某些部分无法直接映射到三维空间中，或者其映射结果不满足共形网格剖分的要求，因此无法直接对2.5D模型进行共形网格剖分。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法及相关设备，以解决上述问题，可以高效、鲁棒的剖分任意复杂度的2.5D模型，资源占用率低、剖分效率高。
本发明提出了一种基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，包括如下步骤：
步骤S1、将2.5D整体模型分解为多层几何形状的2.5D子模型；
步骤S2、分别将各2.5D子模型转化为两层2D模型，其中，2.5D子模型转化出的两层2D模型分别位于对应2.5D子模型的起始位置和结束位置，任意相邻或相交层2.5D子模型转化出的2D模型之间存在重叠或相交；
步骤S3、将重叠或相交的2D模型合并；
步骤S4、对合并后的各2D模型进行二维网格剖分，得到各2D模型的剖分网格；
步骤S5、根据材质对各2D模型的剖分网格进行侧边界缝合，形成多个带有材质属性的区；
步骤S6、对各个区进行三维网格剖分，得到各个区的三维网格；
步骤S7、合并各个区的三维网格。
在一个实施例中，一2.5D子模型转化出的位于结束位置的2D模型与相邻层2.5D子模型转化出的位于起始位置的2D模型存在重叠。
在一个实施例中，2.5D子模型转化出的两层2D模型间的距离与对应的2.5D子模型的层高相同。
在一个实施例中，所述步骤S3，将重叠或相交的2D模型合并，具体包括：对重叠或相交的2D模型的组成多边形取并集。
在一个实施例中，
所述步骤S4中，对合并后的各2D模型进行二维网格剖分的过程是并行的；
所述步骤S6中，对各个区进行三维网格剖分的过程是并行的。
在一个实施例中，所述步骤S5具体包括：
将各2D模型朝向相同材质的剖分网格进行归类；
使用材质ID标记归类完毕的剖分网格；
缝合材质ID相同的剖分网格的侧边界，并生成侧边界的网格，形成多个带有材质属性的区。
在一个实施例中，所述步骤S7具体包括：
利用空间索引结构进行搜索，确定各区内的相对索引到整体网格的绝对索引的映射，以合并各个区的三维网格。
本发明还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现如上所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
本发明还提出了一种计算机存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
本发明还提出了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
与现有技术相比，本发明的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法及相关设备的有益效果在于：
1）本发明解决了仿真过程中直接对2.5D模型进行网格剖分的问题，能够高效、鲁棒的剖分任意复杂度的2.5D模型，特别适用于高度复杂的2.5D模型。
2）本发明可以分区域并行的对整个2.5D模型进行剖分，最终生成3D的非结构网格，具有优秀的高并发特性，可以较低的资源消耗让内存资源并不充足的计算机完成复杂模型的剖分，同时其分治的算法内核可以借助多核CPU或者计算机集群大大提高剖分效率。
3）本发明的资源消耗低、剖分效率高的网格剖分方法可以在减少计算资源和时间的使用、加快仿真速度的同时，确保生成的网格质量高，提高仿真的精度，有利于帮助工程师优化设计，大幅提高效率、节约成本，助力企业降低研发成本、优化研发方案、提升研发效率。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法的流程示意图；
图2a为本发明一实施例的只包含两相邻层的2.5D模型图；
图2b为图2a中只包含两相邻层的2.5D模型转化为的2D模型图；
图3为本发明一实施例的2.5D电子设备模型图；
图4a为图3中2.5D电子设备模型的正视图；
图4b为图3中2.5D电子设备模型转化为2D模型的正视图；
图5a为图3中2.5D电子设备模型的立体图；
图5b为图3中2.5D电子设备模型转化为2D模型的立体图；
图6为将图5b中重叠的2D模型合并处理后的2D模型图；
图7为对图6中的各2D模型分别进行Delaunay三角剖分的示意图；
图8为对图7中的各2D模型进行侧边界缝合形成多个区的示意图；
图9为对图8中各个区分别进行Delaunay四面体剖分的示意图；
图10为图3中2.5D电子设备模型整体的四面体剖分示意图；
图11为图3中2.5D电子设备模型内部结构的四面体剖分示意图；
图12为本发明一实施例的2.5D芯片模型图；
图13为图12中2.5D芯片模型整体的四面体剖分示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点能够更加浅显易懂，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。在此需要说明的是，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本申请中的“一个实施例”或“一种实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”、“一种实施例”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性地与其他实施例互相排斥的实施例。用辞“包括”、“包含”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。本申请使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。
本发明提出了一种基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，参见图1，包括如下步骤：
步骤S1、将2.5D整体模型分解为多层几何形状的2.5D子模型。
步骤S2、分别将各2.5D子模型转化为两层2D模型。这是因为每一个2.5D子模型至少由一个2D的模型和一个起始位置、结束位置组成，于是每个2.5D子模型都可以实体化为两层2D模型，一层位于起始位置，一层位于结束位置。那么，2.5D子模型转化出的两层2D模型间的距离与对应的2.5D子模型的层高相同，即各2.5D子模型按照高度分别实体化为两层2D模型。其中，任意相邻或相交层2.5D子模型转化出的2D模型之间存在重叠或相交，比如，一2.5D子模型转化出的位于结束位置的2D模型与其相邻层2.5D子模型转化出的位于起始位置的2D模型存在重叠。如图2a所示，描述了一个只包含两相邻层的2.5D模型，可分别为“Layer 1”、“Layer 2”两个2.5D子模型，如图2b所示，“Layer 1”可实体化出两层2D模型l1、l2；“Layer 2”可实体化出两层2D模型l3、l4。其中，2D模型l2、l3产生了重叠。
步骤S3、将重叠或相交的2D模型合并，得到按空间位置排列的多层2D模型。
具体地，对重叠或相交的2D模型的组成多边形取并集。这是因为2D模型由多个多边形组成，则本步骤需要生成多个多边形集合的并集。例如2b中的2D模型，需要将重叠的l2、l3合并，取并集。
步骤S4、对合并后的各2D模型进行二维网格剖分，得到各2D模型的剖分网格。
具体地，由于各2D模型之间都没有依赖关系，对合并后的各2D模型进行二维网格剖分的操作是独立的，不需要等待其他2D模型的处理结果，因此可以并行地对各2D模型进行二维网格剖分，从而加速整个剖分过程。
步骤S5、根据材质对各2D模型的剖分网格进行侧边界缝合，形成多个带有材质属性的区。
具体地，将各2D模型朝向相同材质的剖分网格进行归类，然后使用材质ID标记归类完毕的剖分网格，最后缝合材质ID相同的剖分网格的侧边界，并生成侧边界的网格，形成多个带有材质属性的区。
步骤S6、对各个区进行三维网格剖分，得到各个区的三维网格。
具体地，由于各个区之间并无关联，对各个区进行三维网格剖分的操作是独立的，不需要等待其他区的处理结果，因此可以并行地对各个区进行三维网格剖分，从而加速整个剖分过程。
步骤S7、合并各个区的三维网格，从而得到2.5D整体模型的三维剖分结果。
具体地，利用空间索引结构进行搜索，确定各区内的相对索引到整体网格的绝对索引的映射，以此合并各个区的三维网格。空间索引是一种特殊类型的数据结构，用于高效地处理空间数据（如点、线、面等）。常见的空间索引结构有R-tree、Quadtree、k-d tree等。这些结构能够根据空间对象的地理位置和形状进行索引，从而快速检索和查询空间数据，加速点的搜索效率。
在工业数值仿真中，利用上述基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法对2.5D模型进行网格剖分后，即可进行下一步的计算和求解。
另外，可以将本发明的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法与Delaunay剖分方法、四叉树法、前沿推进法等现有的网格剖分方法结合使用，例如，当将本发明的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法与Delaunay剖分方法结合使用时，对2.5D模型的网格剖分过程具体为：
步骤S1、将2.5D整体模型分解为多层几何形状的2.5D子模型；
步骤S2、分别将各2.5D子模型转化为两层2D模型，其中，2.5D子模型转化出的两层2D模型分别位于对应2.5D子模型的起始位置和结束位置，任意相邻或相交层2.5D子模型转化出的2D模型之间存在重叠或相交；
步骤S3、将重叠或相交的2D模型合并；
步骤S4、并行地对合并后的各2D模型进行Delaunay三角剖分，得到各2D模型的三角网格；
步骤S5、根据材质对各2D模型的三角网格进行侧边界的缝合，形成多个带有材质属性的区：各2D模型的网格为三角面片，每一个三角面片在3D空间中都有正面和反面，每一面都朝向了一个材质，这一步需要对每个2D模型的网格中朝向材质相同的三角面片进行归类，最终归类完毕的三角面片以材质ID为块号进行标记，将相似的块进行侧边界的缝合，即生成侧边界的网格，这样三角面片就完全包围在一起，形成多个带有材质属性的区了。
步骤S6、并行地对各个区进行Delaunay四面体剖分，得到各个区的四面体网格：区即一堆空间中的三角面片，这些三角面片组成的拓扑一定与球面是同胚的，对其进行Delaunay四面体剖分，得到这个区的四面体网格，因为整个区有自己的材料属性，所以区内生成的四面体的材质属性都是区的材质属性。
步骤S7、合并各个区的四面体网格，得到2.5D整体模型的四面体剖分结果：利用空间索引结构加速点的搜索效率，将多个不同区的网格组合起来，得到一个完整的网格。
以将本发明的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法与Delaunay剖分方法结合使用处理一个如图3所示的2.5D电子设备模型为例，具体操作步骤如下：
1）如图4a所示为2.5D电子设备模型的正视图，图5a所示为2.5D电子设备模型的立体图，该2.5D电子设备模型可分解为三个2.5D子模型；
2）分别将三个2.5D子模型实体化为6个2D模型，如图4b和图5b所示。由于图5b中第2层与第3层的2D模型重叠，第4层与第5层的2D模型重叠，只能看到四个2D模型。
3）将重叠的2D模型合并，即将第2层与第3层的多边形合并，第4层与第5层的多边形合并，得到一个如图6所示的四个2D模型结构。
4）对各2D模型进行Delaunay三角剖分，得到各2D模型的三角网格，如图7所示。
5）根据材质对各2D模型的三角网格进行侧边界的缝合，形成多个带有材质属性的区，如图8所示。
6）对各个区进行Delaunay四面体剖分，得到各个区的四面体网格，参见图9。
7）合并各个区的四面体，得到整个2.5D电子设备模型的四面体剖分结果，如图10所示，2.5D电子设备模型内部结构的四面体剖分示意图如图11所示。
当然，本发明的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法也可用于处理如图12所示的更为复杂的2.5D芯片模型，网格剖分结果如图13所示。
本发明还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，该处理器执行计算机程序以实现如上所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
本发明还提出了一种计算机存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
本发明还提出了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
本发明具有如下有益效果：
1）本发明解决了仿真过程中直接对2.5D模型进行网格剖分的问题，能够高效、鲁棒的剖分任意复杂度的2.5D模型，特别适用于高度复杂的2.5D模型。
2）本发明可以分区域并行的对整个2.5D模型进行剖分，最终生成3D的非结构网格，具有优秀的高并发特性，可以较低的资源消耗让内存资源并不充足的计算机完成复杂模型的剖分，同时其分治的算法内核可以借助多核CPU或者计算机集群大大提高剖分效率。
3）本发明的资源消耗低、剖分效率高的网格剖分方法可以在减少计算资源和时间的使用、加快仿真速度的同时，确保生成的网格质量高，提高仿真的精度，有利于帮助工程师优化设计，大幅提高效率、节约成本，助力企业降低研发成本、优化研发方案、提升研发效率。
在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的（例如，参数值、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等）。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的修改和变化，但这些相应的修改和变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将2.5D整体模型分解为多层几何形状的2.5D子模型；
步骤S2、分别将各2.5D子模型转化为两层2D模型，其中，2.5D子模型转化出的两层2D模型分别位于对应2.5D子模型的起始位置和结束位置，任意相邻或相交层2.5D子模型转化出的2D模型之间存在重叠或相交；
步骤S3、将重叠或相交的2D模型合并；
步骤S4、对合并后的各2D模型进行二维网格剖分，得到各2D模型的剖分网格；
步骤S5、根据材质对各2D模型的剖分网格进行侧边界缝合，形成多个带有材质属性的区；
步骤S6、对各个区进行三维网格剖分，得到各个区的三维网格；
步骤S7、合并各个区的三维网格。
2.根据权利要求1所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，其特征在于，一2.5D子模型转化出的位于结束位置的2D模型与相邻层2.5D子模型转化出的位于起始位置的2D模型存在重叠。
3.根据权利要求1所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，其特征在于，2.5D子模型转化出的两层2D模型间的距离与对应的2.5D子模型的层高相同。
4.根据权利要求1所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，其特征在于，所述步骤S3，将重叠或相交的2D模型合并，具体包括：对重叠或相交的2D模型的组成多边形取并集。
5.根据权利要求1所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，其特征在于，
所述步骤S4中，对合并后的各2D模型进行二维网格剖分的过程是并行的；
所述步骤S6中，对各个区进行三维网格剖分的过程是并行的。
6.根据权利要求1所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
将各2D模型朝向相同材质的剖分网格进行归类；
使用材质ID标记归类完毕的剖分网格；
缝合材质ID相同的剖分网格的侧边界，并生成侧边界的网格，形成多个带有材质属性的区。
7.根据权利要求1所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：
利用空间索引结构进行搜索，确定各区内的相对索引到整体网格的绝对索引的映射，以合并各个区的三维网格。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现如权利要求1-7中任一项所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
9.一种计算机存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于工业仿真软件的2.5D模型的网格剖分方法。
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