一种基于截面切片的三维回转结构重构方法及系统

1.本发明涉及三维重构技术领域，特别是涉及一种基于截面切片的三维回转结构重构方法及系统。


背景技术：

2.目前中国在三维回转模型重构方面的研究大多是通过人工干预和修调，其操作繁琐且浪费大量时间；一些拓扑优化软件中含有ossmooth工具，可以对优化结果进行重新建模，但由于重构结果精度较低，且易造成优化性能损失的问题，无法直接应用于后续工作。因此，开展三维回转类结构的参数化特征提取以及高保真度自动化重构极为重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于截面切片的三维回转结构重构方法及系统，实现了三维回转结构自动化重构，提高了三维回转结构重构的保真度。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种基于截面切片的三维回转结构重构方法，包括：
6.根据待重构结构的三维回转结构模型确定重构对象；
7.根据所述重构对象的网格模型的网格在空间中的分布，对所述重构对象进行独立性检查，获得一个或一个以上独立的重构子对象；
8.基于旋转截面或轴向截面对所述重构子对象的网格模型进行切片，获得所述重构子对象的各切片的曲线轮廓的参数化信息；所述参数化信息为构成曲线轮廓的控制点的坐标信息；
9.对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点；
10.分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线；
11.根据各拟合曲线，基于相邻曲线间放样技术生成所述重构子对象的三维回转重构模型。
12.可选地，所述根据待重构结构的三维回转结构模型确定重构对象，具体包括：
13.将所述三维回转结构模型的拓扑优化结果作为所述重构对象，或者将所述三维回转结构模型的拓扑优化结果与所述三维回转结构模型进行布尔相减运算的结果作为所述重构对象。
14.可选地，所述根据所述重构对象的网格模型的网格在空间中的分布，对所述重构对象进行独立性检查，获得一个或一个以上独立的重构子对象，具体包括：
15.判断所述重构对象的网格模型中各独立结构部分是否在预设网格范围内，若在所述预设网格范围内，则确定对应独立结构部分为重构子对象，若不在所述预设网格范围内，则删除对应独立结构部分。
16.可选地，所述对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点，
具体包括：
17.采用均匀取点的方式或者在采用均匀取点的基础上采用贪婪加点的方式对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点。
18.可选地，所述分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线，具体包括：
19.采用b样条、t样条、贝塞尔曲线或参数曲线的拟合方式，分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线。
20.本发明公开了一种基于截面切片的三维回转结构重构系统，包括：
21.重构对象确定模块，用于根据待重构结构的三维回转结构模型确定重构对象；
22.独立性检查模块，用于根据所述重构对象的网格模型的网格在空间中的分布，对所述重构对象进行独立性检查，获得一个或一个以上独立的重构子对象；
23.基于截面切片模块，用于基于旋转截面或轴向截面对所述重构子对象的网格模型进行切片，获得所述重构子对象的各切片的曲线轮廓的参数化信息；所述参数化信息为构成曲线轮廓的控制点的坐标信息；
24.控制点优化模块，用于对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点；
25.曲线拟合模块，用于分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线；
26.三维回转重构模型生成模块，用于根据各拟合曲线，基于相邻曲线间放样技术生成所述重构子对象的三维回转重构模型。
27.可选地，所述重构对象确定模块，具体包括：
28.重构对象确定单元，用于将所述三维回转结构模型的拓扑优化结果作为所述重构对象，或者将所述三维回转结构模型的拓扑优化结果与所述三维回转结构模型进行布尔相减运算的结果作为所述重构对象。
29.可选地，所述独立性检查模块，具体包括：
30.独立性检查单元，用于判断所述重构对象的网格模型中各独立结构部分是否在预设网格范围内，若在所述预设网格范围内，则确定对应独立结构部分为重构子对象，若不在所述预设网格范围内，则删除对应独立结构部分。
31.可选地，控制点优化模块，具体包括：
32.控制点优化单元，用于采用均匀取点的方式或者在采用均匀取点的基础上采用贪婪加点的方式对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点。
33.可选地，所述曲线拟合模块，具体包括：
34.曲线拟合单元，用于采用b样条、t样条、贝塞尔曲线或参数曲线的拟合方式，分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线。
35.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
36.本发明公开了一种基于截面切片的三维回转结构重构方法及系统，基于旋转截面或轴向截面对重构子对象的网格模型进行切片，获得重构子对象的各切片的曲线轮廓的参数化信息，参数化信息为构成曲线轮廓的控制点的坐标信息，通过对各曲线轮廓的控制点进行优化，利用优化后的控制点进行曲线拟合，提高了三维回转结构重构的保真度。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明一种基于截面切片的三维回转结构重构方法流程示意图；
39.图2为本发明实施例轮盘发动机三维回转结构模型的拓扑优化结果示意图；
40.图3为本发明实施例轮盘发动机三维回转结构模型示意图；
41.图4为本发明实施例重构对象示意图；
42.图5为本发明实施例独立性检查及拆分示意图；
43.图6为本发明实施例基于截面切片示意图；
44.图7为本发明实施例曲线参数化示意图；
45.图8为本发明实施例曲线轮廓示意图；
46.图9为本发明实施例贪婪加点示意图；
47.图10为本发明实施例曲线拟合示意图；
48.图11为本发明实施例孔洞重构模型示意图；
49.图12为本发明实施例实际重构模型示意图；
50.图13为本发明一种基于截面切片的三维回转结构重构系统结构示意图。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.本发明的目的是提供一种基于截面切片的三维回转结构重构方法及系统，提高了三维回转结构重构的保真度。
53.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
54.实施例一
55.图1为本发明一种基于截面切片的三维回转结构重构方法流程示意图，如图1所示，一种基于截面切片的三维回转结构重构方法，包括：
56.步骤101：根据待重构结构的三维回转结构模型确定重构对象。
57.其中，步骤101具体包括：
58.当拓扑优化结果形状简单时，将三维回转结构模型的拓扑优化结果作为重构对象。
59.当拓扑优化结果形状复杂，难以重构时，将三维回转结构模型的拓扑优化结果与三维回转结构模型进行布尔相减运算，将布尔相减运算结果作为重构对象。通过有限元软件生成待重构结构的网格模型，即待重构结构的三维回转结构模型。令三维回转结构模型为模型a，其拓扑优化结果为模型b，该模型b称为重构对象；当拓扑优化结果形状复杂，难以
重构时，可以通过三维模型布尔相减方法得到网格模型c，即c＝a-b，此时，模型c为重构对象。
60.步骤102：根据重构对象的网格模型的网格在空间中的分布，对重构对象进行独立性检查，获得一个或一个以上独立的重构子对象。
61.其中，步骤102具体包括：
62.判断重构对象的网格模型中各独立结构部分是否在预设网格范围内，若在预设网格范围内，则确定对应独立结构部分为重构子对象，若不在预设网格范围内，则删除对应独立结构部分。
63.重构对象的网格模型包括但不限于三角面网格模型和四边形网格模型。
64.若重构对象存在e、f两组网格信息(独立结构部分)，且e、f两组网格信息中控制点只与其内部点相连，即e、f两组点互相独立，以此为依据将所需重构模型拆分为e、f两个独立的重构子对象。
65.步骤103：基于旋转截面或轴向截面对重构子对象的网格模型进行切片，获得重构子对象的各切片的曲线轮廓的参数化信息；参数化信息为构成曲线轮廓的控制点的坐标信息。
66.在一次模型重构中，针对步骤102获得的每个独立的重构子对象分别进行分析、切片，对于表面不平行于坐标系的重构子对象，以重构子对象的构型中心点和某一坐标系方向建立平面，通过设置合适的偏转角对该平面进行偏转，偏转后的平面称为基准面，并将重构对象以此基准面近似分为等体积的两部分，后续回转切片将以此为基础向两侧进行；对于表面平行于某一坐标系的重构对象，其基准面为以该坐标系方向的顶面和底面，后续切片将在中间进行。其中，切片与重构对象中网格模型相交，形成坐标已知的曲线轮廓控制点，最终由多个控制点信息组成相应曲线轮廓参数化信息。
67.步骤104：对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点。
68.其中，步骤104具体包括：
69.采用均匀取点的方式或者在采用均匀取点的基础上采用贪婪加点的方式对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点。
70.对于简单曲线轮廓(如正圆形等易于描述的轮廓)，采用均匀取点的方式选取最优控制点；对于复杂曲线轮廓(如不规则形状等难以描述的轮廓)，可以选用贪婪加点方法或强化学习方法适应确定各曲线轮廓最优控制点位置，贪婪加点方法是通过建立插值精度误差表征函数，基于贪婪算法在插值误差最大处增加轮廓边界点，以此循环不断取点直至满足精度要求或达到点数上限。例如：曲线轮廓参数化信息中有200个控制点，本次取点需要用20个点满足精度，可以先均匀选取15个点，利用15个点形成的曲线和200个控制点进行距离计算，将相差最远的点设为第16个点，以此类推，直到选取点数达到20。
71.步骤105：分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线。
72.其中，步骤105具体包括：
73.采用包括当不限于b样条、t样条、贝塞尔曲线或参数曲线的拟合方式，分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线，以获得高保真度曲线拟合效果。
74.步骤106：根据各拟合曲线，基于相邻曲线间放样技术生成重构子对象的三维回转重构模型。
75.重构子对象的三维回转重构模型为曲率光滑形状规则的三维回转重构模型。将三维回转重构模型输出prt、igs或stp等可供cad软件识别的通用模型格式文件，便于工业中加工制造。若步骤101中重构对象是经过布尔相减得到的，即重构对象为模型c时，在整个流程结束后需要与原模型再进行一次布尔运算得到拓扑优化结果模型(模型b)，即b＝a-c。
76.本发明提出了一种基于截面切片的三维回转结构重构方法，解决了三维回转结构拓扑优化结果自动化重构技术欠缺，人工提取技术操作繁琐，且易造成优化性能损失的难题，实现三维回转构型高保真度自动化重构，具有鲁棒性和时效性，提高了三位回转结构的保真度，为后续参数优化或加工制造提供基础。
77.实施例二
78.待重构结构为发动机轮盘。
79.第一步，确定重构对象。图2为发动机轮盘的拓扑优化结果，根据模型分析，虽然拓扑优化结果为典型回转结构，但发动机轮盘的拓扑优化结果构型复杂导致自动化重构困难。因此，对重构对象进行处理，将其拓扑优化结果(如图2所示)与原三维回转结构模型(如图3所示)进行布尔相减运算，得到发动机轮盘孔洞特征信息(如图4所示)，此时轮盘孔洞特征为重构对象。
80.第二步，独立性检查及模型拆分，如图4所示，存在左右两个独立重构对象，中间特征在拓扑优化结果中不明显可以忽略，在此可以通过设置网格范围将其舍去，如设置下限为2000，上限为8000的网格范围时，结果如图5所示。
81.第三步，提取参数化信息。由于本次重构对象表面不平行于坐标系，所以，在本实施例中，以构型中心点和x坐标系方向建立平面，通过设置合适的偏转角(本实施例偏转角为0
°
)生成基准面，并将重构对象以此基准面近似分为等体积的两部分，以此为基础向两侧进行切片，如图6所示，最终获得曲线轮廓参数化信息，如图7所示。
82.第四步，选择最优控制点。如图8所示，该曲线轮廓信息为不规则形状，若采用均匀取点可能会导致特征损失，因此，在均匀加点的基础上，选择贪婪加点策略，如图9所示，标记的5点为均匀取点，其余5点为通过贪婪加点，经校核，此时选择的10个控制点满足精度要求。
83.第五步，曲线参数化拟合。根据上一步选择的最优控制点，对曲线轮廓进行拟合，针对本实例，采用参数曲线的拟合方式即可保证拟合精度，最终获得形成多个样条拟合曲线。如图10示。
84.第六步，三维模型重构。基于相邻曲线间放样技术生成实体模型，如图11所示，并与第一步选择重构对象相照应，即将重构模型(图11)与原模型(图3)进行布尔相减，得到高保真度拓扑优化结果，如图12所示。
85.实施例三
86.图13为本发明一种基于截面切片的三维回转结构重构系统结构示意图，如图13所示，一种基于截面切片的三维回转结构重构系统，包括：
87.重构对象确定模块201，用于根据待重构结构的三维回转结构模型确定重构对象。
88.独立性检查模块202，用于根据重构对象的网格模型的网格在空间中的分布，对重
构对象进行独立性检查，获得一个或一个以上独立的重构子对象。
89.基于截面切片模块203，用于基于旋转截面或轴向截面对重构子对象的网格模型进行切片，获得重构子对象的各切片的曲线轮廓的参数化信息；参数化信息为构成曲线轮廓的控制点的坐标信息。
90.控制点优化模块204，用于对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点。
91.曲线拟合模块205，用于分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线。
92.三维回转重构模型生成模块206，用于根据各拟合曲线，基于相邻曲线间放样技术生成重构子对象的三维回转重构模型。
93.重构对象确定模块201，具体包括：
94.重构对象确定单元，用于将三维回转结构模型的拓扑优化结果作为重构对象，或者将三维回转结构模型的拓扑优化结果与三维回转结构模型进行布尔相减运算的结果作为所述重构对象。
95.独立性检查模块202，具体包括：
96.独立性检查单元，用于判断重构对象的网格模型中各独立结构部分是否在预设网格范围内，若在预设网格范围内，则确定对应独立结构部分为重构子对象，若不在预设网格范围内，则删除对应独立结构部分。
97.控制点优化模块204，具体包括：
98.控制点优化单元，用于采用均匀取点的方式或者在采用均匀取点的基础上采用贪婪加点的方式对各曲线轮廓的控制点进行优化，确定各曲线轮廓优化后的控制点。
99.曲线拟合模块205，具体包括：
100.曲线拟合单元，用于采用b样条、t样条、贝塞尔曲线或参数曲线的拟合方式，分别利用各曲线轮廓优化后的控制点进行曲线拟合，获得各曲线轮廓对应的拟合曲线。
101.重构对象的网格模型为三角面网格模型或四边形网格模型。
102.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
103.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。