基于混合曲面造型的CAD模型修復(fù)、特征簡化與網(wǎng)格生成算法.pdf

1、前處理是復(fù)雜問題數(shù)值模擬的主要性能瓶頸，涉及大量人工干預(yù)，其效率嚴重依賴于用戶經(jīng)驗?？煽扛咝У淖詣忧疤幚硭惴ㄊ翘岣邤?shù)值模擬效率和精度的關(guān)鍵。前處理研究主要包含2項內(nèi)容:網(wǎng)格生成和面向網(wǎng)格生成的CAD模型處理。進一步細分，CAD模型處理包括模型修復(fù)和特征簡化。模型修復(fù)算法負責(zé)將存在“錯誤”的“臟”幾何轉(zhuǎn)換為滿足網(wǎng)格生成要求的“干凈”幾何;特征簡化在模型修復(fù)之后進行，負責(zé)消除不必要的設(shè)計細節(jié)，以得到性價比更高的網(wǎng)格模型。自動網(wǎng)格生成的研究已

2、取得很大進步。相比而言，自動CAD模型處理的研究雖也受到持續(xù)的關(guān)注，但其研究現(xiàn)狀和實際需求仍有很大差距。
　　數(shù)值模擬中，模型表面是幾何錯誤和幾何特征最為集中的區(qū)域，模型處理后緊接著生成曲面網(wǎng)格，且通常情形下，后續(xù)的體網(wǎng)格生成以曲面網(wǎng)格生成結(jié)果為輸入，不再訪問幾何模型數(shù)據(jù)?；谶@一考慮，本文的主要研究內(nèi)容設(shè)定為面向曲面的CAD模型處理方法。
　　曲面模型處理算法研究有2條平行的研究路線，一類基于連續(xù)曲面;另一類基于離散曲面。

3、商業(yè)CAD系統(tǒng)構(gòu)建的模型通常基于連續(xù)曲面，它數(shù)學(xué)表達嚴格，幾何精度高，但定義在其上的幾何計算通常是非線性的，數(shù)值穩(wěn)定性差;離散曲面的基本元素為三角面片，相關(guān)幾何計算是線性的，快速有效，但幾何精度低。此外，離散曲面表征只涉及面片相鄰等低層拓撲，應(yīng)用于需高層拓撲支持的操作時，需構(gòu)造連續(xù)曲面模型中常用的B-rep。
　　本論文提出一類混合曲面造型方法，并系統(tǒng)性地研究了幾類基于混合曲面造型的模型修復(fù)、特征簡化和網(wǎng)格生成算法。相比單純的基于

4、連續(xù)曲面或離散曲面的方法，本論文所研究方法可兼顧兩類方法長處，在底層系統(tǒng)設(shè)計、具體算法實現(xiàn)、網(wǎng)格生成質(zhì)量等方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。將混合CAD造型方法應(yīng)用于數(shù)值模擬前處理過程的思想對其它相關(guān)領(lǐng)域的研究有啟發(fā)作用。
　　具體地，本文在以下3點上做出了創(chuàng)新:
　　(1)為兼顧基于連續(xù)曲面和離散曲面的模型修復(fù)和特征簡化方法的優(yōu)點，提出并實現(xiàn)了混合曲面造型;繼而為支持僅改變模型拓撲、不改變模型幾何定義的虛操作算法，引入虛拓撲，擴展B-

5、rep的適用能力;最后基于上述增強的CAD模型表征方法，從軟件工程的角度設(shè)計了一套分層的CAD/CAE系統(tǒng)集成方案，以屏蔽底層CAD數(shù)據(jù)來源和算法實現(xiàn)的多樣性對上層CAE算法的影響。
　　(2)基于混合曲面造型方法實現(xiàn)了連續(xù)曲面的自動拓撲生成算法，以處理曲面邊界存在曲線交纏和細縫等缺陷的“臟”幾何。幾何計算在離散曲面上完成;拓撲計算先在離散曲面上完成，繼而利用離散曲面和連續(xù)曲面之間的基本映射關(guān)系拓展到曲面B-rep。新算法不需要修

6、改連續(xù)曲面的幾何表征，修復(fù)后的模型滿足后續(xù)特征簡化和曲面網(wǎng)格生成算法的要求。
　　(3)從高質(zhì)量曲面網(wǎng)格生成的需求出發(fā)，基于混合曲面表征，提出了一類針對復(fù)雜組合參數(shù)曲面模型的自動特征簡化算法，4類曲面特征的自動識別和簡化。特征簡化涉及到的所有操作均為虛操作，不涉及復(fù)雜的幾何計算，可逆，且不改變模型的幾何定義。針對“虛面”缺乏統(tǒng)一的連續(xù)曲面參數(shù)表達，無法直接復(fù)用已有網(wǎng)格生成算法的難題，提出了一類基于混合曲面造型的虛面網(wǎng)格生成算法。新