一种基于混合式模型分解的六面体网格生成方法

本发明涉及了有限元计算中的一种六面体网格的生成方法，具体设计了一种基于混合式模型分解的六面体网格生成方法。

背景技术：

1、随着计算机技术的高速发展，有限元分析以其低成本、短周期的优势被广泛用于制造业的仿真模拟和设计加工过程中。有限元分析是一种求解偏微分方程近似解的数值方法，该方法首先要求将整个实体模型离散化为有限元网格，有效的网格结构对后续的有限元计算准确性和效率起到决定性作用。

2、常见的三维网格结构包括四面体网格和六面体网格，目前四面体网格的生成技术比较成熟，已经被广泛用于工业界中。而六面体网格因为其单元数量较少、计算精度较高、收敛速度较快等优势，被认为是一种理想的网格结构，甚至在一些领域只有使用六面体网格进行仿真才能获得有效的仿真结果，因此高质量六面体网格自动生成方法的研究一直受到工业界和学术界的高度关注。

3、然而由于六面体网格的强拓扑结构约束性和工业模型的高复杂度，使得高质量六面体网格自动生成仍是一个难题。目前工业软件中对于复杂模型生成六面体网格都需要先由工程师手动将模型化分成能够自动生成六面体网格的子块，这将产生大量的人工交互，严重影响效率。虽然人们已经提出了若干基于模型自动分解的六面体网格生成方法，但现有方法与工业界的实际需要相比还有很大差距，存在诸多问题需要解决，其中最关键的问题包括如何将复杂模型自动高效地分解为适合于高质量六面体网格生成的子块，以及如何基于分解结果自动生成子块间贴合面处一致的高质量六面体网格。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于混合式模型分解的六面体网格生成方法。

2、本发明采用的技术方案是：

3、1)获取实际产品的b-rep模型；

4、2)基于面分类聚集生成b-rep模型的扫成面集，对扫成面集优化分割后生成扫成块，从而获得扫成块集；再将b-rep模型中的剩余区域记为总非扫成区域；

5、3)根据总非扫成区域中各特征边的类型构建总非扫成区域对偶面集，基于对偶面集生成总非扫成区域的六面块集；

6、4)根据扫成块集和总非扫成区域分割出的六面块集生成产品的六面体网格。

7、所述2)具体为：

8、2.1)根据面的特征，将b-rep模型中的特征面划分为源面、侧面、无效面和全能面；

9、2.2)选择一个未加入扫成面集集合的源面作为种子面，将该种子面加入对应的潜在扫成面集；将b-rep模型中面类型是源面或全能面，并且是当前种子面的二阶邻阶面记为待匹配面，当该待匹配面的法向与当前种子面的法向相反并且该待匹配面与当前种子面的投影存在重合区域，则将该待匹配面加入当前种子面的当前潜在扫成面集中；

10、2.3)将与当前潜在扫成面集中源面类型的面相邻的侧面类型的面和全能面类型的面作为待匹配面，若该待匹配面的法向与对应源面的法向垂直，则将该待匹配面加入当前种子面的潜在扫成面集中；当该潜在扫成面集有效，则将该潜在扫成面集作为有效扫成面集，进而将其加入扫成面集集合中；

11、2.4)重复2.2)-2.3)，选择未被遍历到的源面作为种子面，匹配获得所有种子面的有效扫成面集，将其加入扫成面集集合中；

12、2.5)当b-rep模型中存在未被遍历到的全能面时，将其标记为种子面，重复2.2)-2.3)，匹配获得各全能面对应的有效扫成面集，从而获得更新的扫成面集集合；

13、2.6)以当前扫成面集集合中的各扫成面集为节点，根据扫成面集之间的连接关系构建扫成面集关系图；

14、2.7)将扫成面集关系图中度最少的节点对应的扫成面集加入待分割集合；

15、2.8)选择待分割集合中的一个扫成面集，以该扫成面集的潜在分割面法向为分割面法向，以该扫成面集的潜在分割位置为分割面插入位置生成分割面，利用生成的分割面分离该扫成面集上的所有非扫成方向特征，获得扫成块以及分离扫成块后的扫成面集，将生成的扫成块加入待定扫成块集中；根据各分割面的分割面法向确定分割面的面类型以及更新分离扫成块后的扫成面集和扫成面集集合，进而更新扫成面集关系图；

16、2.9)根据2.8)中分割面的面类型，将待定扫成块集归为扫成块集或非扫成区域集合以及更新待分割集合；

17、2.10)遍历当前待分割集合中的扫成面集，重复2.8)-2.9)，获得扫成块集和非扫成区域集合，直至待分割集合为空；

18、2.11)重复2.7)-2.10)，获得各扫成面集对应的扫成块集和非扫成区域集合，直至扫成面集集合为空，由b-rep模型中未分割的区域和最终的非扫成区域集合组成总非扫成区域。

19、所述2.3)中，当当前种子面对应的潜在扫成面集中的面数量大于3时，则该潜在扫成面集有效。

20、所述2.8)中，当每个分割面的分割面法向为该扫成面集扫成方向，则该分割面标记为源面，再根据该源面重复2.2)-2.3)，更新的分离扫成块后的扫成面集和扫成面集集合，进而更新扫成面集关系图；当每个分割面的分割面法向为该扫成面集的源面特征边方向与该扫成面集的扫成方向的叉乘方向或者为该扫成面集的法向与相邻扫成面集法向的叉乘方向，则该分割面标记为侧面；

21、所述2.9)具体为：

22、若2.8)中不存在侧面类型的分割面，则将待定扫成块集中的所有扫成块加入扫成块集中；若2.8)生成的侧面类型的分割面不归属于当前扫成面集集合中的任一扫成面集，则将该待定扫成块集中依然位于当前扫成面集集合中的面对应的面类型标记为源面，并且将该待定扫成块集中所有扫成块归入非扫成区域集合中；若2.8)生成的侧面归属于当前扫成面集集合中的某一扫成面集，则将该扫成面集加入待分割集合中。

23、所述3)具体为：

24、3.1)选择总非扫成区域中一个未处理的非扫成区域，根据非扫成区域中特征边的二面角计算获得非扫成区域中所有特征边的初始类型，再通过非扫成区域中各特征点对应的有效边类型序列对特征边的初始类型进行优化，确定特征边的最终类型；

25、3.2)根据特征边的最终类型，生成各特征边对应的对偶面，基于对偶面在对偶面划分的每个区域上构造六面块节点，从而直接生成六面块的拓扑结构，再基于六面块的拓扑结构对节点进行优化，获得优化后的六面块，从而获得该非扫成区域的六面块集，若该非扫成区域与其他扫成块相邻，则将与该扫成块的交界面的四边形结构沿该扫成块的扫成方向投影至其他非扫成区域，作为其余非扫成区域的额外特征边；

26、3.3)遍历总非扫成区域，重复3.1)-3.2)，直至非扫成区域为空，获得总非扫成区域的六面块集。

27、所述3.2)中，对于每个特征边的对偶面，具体包括以下步骤：

28、首先，根据每个特征边的优化后的类型确定对偶环的位置和数量，接着在非扫成块区域所在模型表面上的对应位置搜索出对应数量的对偶环，再基于对偶环利用图割算法生成当前特征边对应的对偶面。

29、所述4)具体为：

30、对所有的扫成块和非扫成区域六面块根据约束条件进行边离散化后，接着生成产品模型的六面体网格。

31、所述约束条件包括以下三点：

32、将与同一个扫成块源面相接的所有非扫成区域六面块的交接四边面沿扫成方向投影至当前扫成块的源面上并作为当前扫成块源面的四边形网格；

33、相邻六面块的公共四边面的边离散段数相同，且该公共四边面的对边离散段数相等；

34、扫成块侧面的对边上的离散段数相等，相邻扫成块的分割面上公共边的离散段数相同。

35、本发明的有益效果为：

36、本发明在b-rep模型上对模型面进行分类后根据邻接关系进行聚合构造扫成面集，此后在不同扫成面集相交的特征边或特征面上生成分割面，完成扫成体的分离，能够有效避免对大规模三角面片网格的处理。同时由于本发明在分割过程中引入了分割优先级和分割面方向的优化，能够最大限度的避免分离后不同扫成体间的嫁接问题，从而简化后续六面体网格生成的难度，并能够生成更好的六面体网格结构。

37、本发明首先通过扫成体的识别和分离，将模型进行简化，大幅度减少了需要进行六面块分解的区域，此后以特征点和特征边出发构建有效对偶面的模板类型，以此生成并优化对偶面结构，既充分利用了模型的几何信息，又能够较为鲁棒的完成六面块分解。

38、本发明通过确定需要插入对偶面位置后，以最终六面块数量和质量为目标优化生成对偶环，再通过对偶环优化生成对偶面，根据对偶面划分的对偶空间生成对应的六面块结构，避免了必须以六面体网格作为输入，进行多次层删除生成最终六面块结构，从而优化了算法性能。