基于混合曲面造型的CAD模型修復、特征簡化與網格生成算法.pdf

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

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)的關注，但其研究現狀和實際需求仍有很大差距。
　　數值模擬中，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格，且通常情形下，后續(xù)的體網格生成以曲面網格生成結果為輸入，不再訪問幾何模型數據?；谶@一考慮，本文的主要研究內容設定為面向曲面的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)構建的模型通?；谶B續(xù)曲面，它數學表達嚴格，幾何精度高，但定義在其上的幾何計算通常是非線性的，數值穩(wěn)定性差;離散曲面的基本元素為三角面片，相關幾何計算是線性的，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，應用于需高層拓撲支持的操作時，需構造連續(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、特征簡化和網格生成算法。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)設計、具體算法實現、網格生成質量等方面展現出獨特的優(yōu)勢。將混合CAD造型方法應用于數值模擬前處理過程的思想對其它相關領域的研究有啟發(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和特征簡化方法的優(yōu)點，提出并實現了混合曲面造型;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計了一套分層的CAD/CAE系統(tǒng)集成方案，以屏蔽底層CAD數據來源和算法實現的多樣性對上層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，修復后的模型滿足后續(xù)特征簡化和曲面網格生成算法的要求。
　　(3)從高質量曲面網格生成的需求出發(fā)，基于混合曲面表征，提出了一類針對復雜組合參數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)曲面參數表達，無法直接復用已有網格生成算法的難題，提出了一類基于混合曲面造型的虛面網格生成算法。新