面向逆向创新设计的网格特征编辑技术研究

【摘要】： 设计重用在产品设计中发挥着重要作用。目前三维模型设计重用得主要方式有三种,分别是参数化设计、自由变形和逆向工程。三种方式各有优缺点和应用范围。最近有学者针对逆向工程中存在的问题提出了一种新的设计重用方式——逆向创新设计。 逆向创新设计是以逆向工程为基础,结合参数化设计和自由变形思想,形成的新的设计方式。该设计方式虽然在CAD/CAE系统集成和设计创新方面具有明显优势,但是至今还没有形成系统的理论框架,更没有成熟的技术解决方案。所以对于逆向创新设计技术的研究有利于设计理论的发展,更有利于逆向创新技术在实际工程领域的应用。为此本文对逆向创新设计中的网格特征编辑及其相关技术进行了深入研究,研究成果和创新点主要体现在以下五个方面: ·提出了一种从散乱数据点快速构造二维流形网格的区域扩张算法。该算法从一个种子面片出发,利用启发信息,即网格的某些局部特性,优先选择有利的活动边进行扩张。有利的活动边指扩张简单,不易产生几何错误的活动边。在每次扩张中算法首先确定候选点,然后根据准则选择最佳点与活动边构成新面片,再经过启发信息检测和几何完整性检测,最后加入到已构造的网格中。如此不断扩张直到最终构造出反映物体形状的二维流形网格。该算法只需要采样点的位置信息,不需要事先给定点法矢、边界等其他信息,可以处理分布不均匀的散乱数据点,也可以处理按扫描线分布的散乱数据点。 ·提出了针对网格局部尖锐特征和网格局部过渡特征的交互式提取方法。对于局部尖锐特征,首先由用户通过画笔方式选取一块包含特征的区域,接着对选中的面片进行分析并计算特征参数,然后从种子特征出发利用特征参数寻找周围相近的特征并将其合并,该过程不断重复直到特征无法进一步扩张。局部过渡特征提取方法与局部尖锐特征提取方法基本思想类似,只是分析和提取过程嵌入在画笔式选取过程中。此外,如果特征参数由用户直接指定,该方法也能被用来提取网格的整体特征。本文的交互式特征提取方法十分直观和方便,而且针对过渡特征的提取方法既可以提取圆角特征,也可以提取倒角特征,甚至是含有噪音的过渡特征。 ·提出了一种从网格过渡特征快速构造网格尖锐特征的新算法。用户提取过渡特征之后,该算法首先对特征区域进行预光顺,接着利用非特征区域面片的法矢增量式计算特征区域面片的新法矢,然后对其中不合理的面片法矢进行修正,最后根据新法矢逐步调整网格顶点位置,使面片的实际法矢与新法矢趋向一致。该算法不仅能从圆角特征和倒角特征构造尖锐特征,还能从含有噪音的过渡特征构造尖锐特征。 ·提出了一种沿网格尖锐特征线构造网格圆角特征的新算法。虽然从造型上讲该算法与尖锐特征构造算法是两个互逆操作,但在流程上两者有很多相似之处。该算法首先利用用户选取的尖锐特征线和指定的圆角半径构造准过渡区域,然后估算准过渡区域中面片的目标法矢方向,最后根据目标法矢调整网格顶点位置,使面片的实际法矢与目标法矢趋向一致。该算法既能从闭合的尖锐特征线构造圆角特征,也能从非闭合的尖锐特征线构造圆角特征。 ·提出了一种面向有限元分析的网格迭代优化算法。该算法首先对给定网格进行细分得到足够的自由度,以改变网格的几何和拓扑,然后在误差允许的范围内,通过简化和规则化来提高网格质量。该过程不断迭代,直到网格质量满足有限元分析要求或者达到迭代上限。该算法既能灵活地控制网格属性,又能有效地提高网格质量,因此可以将其作为逆向创新设计中网格编辑的后续处理操作,用来生成面向有限元分析的高质量表面网格。