面向CAE的STL模型网格均匀化

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CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助分析计算复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性等问题的一种近似数值分析方法。影响CAE计算分析结果的一个重要因素是有限元网格的形态。本文从CAD网格模型入手,研究直接从网格模型生成有限元网格的方法。该方法摆脱了CAE分析对原始CAD模型的依赖,具有很强实用性。鉴于CAD模型网格(一般指从CAD模型直接转出的STL三角网格模型)形态/分布不均匀的特点,本文对CAD网格模型进行网格均匀化,并生成均匀的、密度可调节的三边/四边网格,使其符合CAE计算分析的要求。本文主要工作内容如下:(1)读取STL文件并建立拓扑结构。处理原始CAD模型的网格数据,删除冗余节点数据,并且重建点、半边、边及面的拓扑关系。本文采用平衡二叉树算法重建节点数据并且删除STL文件的冗余节点,并且完善点、半边、边及面的对应和从属关系。(2)网格聚类分割。将原始模型的三角形面按照是否具有相邻关系以及单位法矢量是否相同的法则进行聚类,通过聚类实现STL网格模型的分片,为重采样提供基础模型。(3)网格数据点重采样。分为三角网格重采样和四边网格重采样两个部分,分别对应下一步的三角化和四边化。两种算法都包括片映射和密度控制两步,区别在于三角网格重采样还需要为之后的三角化提供点云数据,而四边网格重采样则不需要。(4)三边/四边网格生成。三角网格的生成采用Lawson算法,先构造一个大的三角形,再逐点插入并进行空外接圆检测以及交换对角线来得至(?)Delaunay三角网,最后再删除由Lawson算法产生的非法三角形。四边网格的生成采用铺路法,并且利用Laplace优化法对其进行优化,使其网格质量更为完善。实验效果图及数据表明本文算法能够有效处理CAD网格模型,得到具有良好形态的CAE网格。
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