基于STL文件的有限元模擬模具自動生成技術

1、基于 S TL 文件的有限元模擬模具自動生成技術溫建昌董湘懷李贊(華中科技大學塑性成型模擬及模具技術國家重點實驗室)摘要 : 針對板料成型模擬技術 ,在分析三維 S TL 文件格式數(shù)據(jù)結構的基礎上 ,提出了對實體數(shù)據(jù)模型進行自動診斷與修復的原則和方法 ,并自動生成具有三角形網(wǎng)格的沖壓模具 ,減輕了模具網(wǎng)格剖分的工作量 ,開發(fā)了 適應性強的程序 ,通過實際應用證明了程序的實用性.關 鍵 詞 : 板料成型模擬 ; S TL ; 實體數(shù)據(jù)模型 ; 診斷 ; 修復 ; 網(wǎng)格剖分中圖分類號 : T G386文獻標識碼 : A文章編號 : 167124512 (2002) 0220027203在有限元分析

2、計算中 ,前期的數(shù)據(jù)準備費時費力 ,整個過程極其復雜 ,是板料成型模擬的前提 和關鍵技術. 而空間曲面網(wǎng)格剖分難度更大 , 因此 ,尋求簡易快捷的模具生成及其網(wǎng)格剖分方法具有重要意義 . 本文選用大型造型系統(tǒng)中常用的 S TL 造型文件格式為接口數(shù)據(jù)文件 ,研究有限元 前置處理的模具自動生成和網(wǎng)格剖分技術.拓撲關系是三維有限元網(wǎng)格剖分和模具型面自動生成的基礎. 由于 S TL 文件重復記錄一些頂點信 息 ,造成大量的數(shù)據(jù)冗余. 在 S TL 文件中頂點數(shù)約為面片數(shù)的一半 ,邊數(shù)為面片數(shù)的的 1 . 5 倍 . 因此建立拓撲關系可以降低數(shù)據(jù)量.從 S TL 數(shù)據(jù)模型中提取工件網(wǎng)格模型的拓 撲信息

3、的過程如下 :首先是依次讀出三角面片 ,一 個三角面片對應一個三角形單元 ,每讀取一個三角面片 ,就生成一個相應的三角形單元的三個節(jié) 點編號和法向量 ,每個節(jié)點單元記錄節(jié)點編號和三個頂點的坐標分量 . 然后歸并重復的點和由于計算誤差而造成的相距很近的分離點 ,建立一個 無重復點的節(jié)點鏈表 ,對節(jié)點鏈表重新進行編號 ,調整單元鏈表中記錄的相應頂點編號 ,三個頂點 的排列順序符合右手定則. 拇指指向平面的外法線矢量.1壓縮冗余信息 ,建立拓撲結構S TL 文件1 是通過對 CAD 實體模型或曲面模型進行表面三角化離散得到的 ,相當于用一種 全由小三角形面片構成的多面體來近似原 CAD模型. 在 S

4、 TL 文件中它提供了每一個小三角形的三個頂點的絕對坐標值和描述小三角形方向的平 面外法線矢量 (如圖 1) .2模型缺陷分析 、診斷與修復從文件格式分析得知 , S TL 文件所描述的正確實體數(shù)據(jù)模型應滿足右手法則 、頂點法則和邊 法則.在實際應用中 ,不符合上述三條法則的模型缺陷 ,可以分成四大類 :a . 三角形平面的的法矢方向與三角形頂點 之間不符合右手法則 (如圖 2) ;b 三角形的某個頂點落在另一個三角形的邊 上 ,不符合頂點法則 (如圖 3) ;圖 1 曲面的 S TL 文件表示拓撲信息主要描述各幾何實體間的連接關系和鄰接關系2 ,3 . 對 S TL 來說 ,每個三角形應該與

5、 另外三個共邊三角形相連接 ,從任何一條邊可以知道它的兩個頂點以及共此邊的兩個三角形 ,頂 點的連接信息應包括共此點的所有邊和所有三角形面片. 目前 S TL 文件中不包含拓撲信息 ,建立收稿日期 : 2001210210 .作者簡介 : 溫 建 昌 ( 19762) , 男 , 碩 士 研 究 生 ; 武 漢 , 華 中 科 技 大 學 塑 性 成 型 模 擬 及 模 具 技 術 國 家 重 點 實 驗 室(430074) .基金項目 : 國家自然科學基金資助項目 (59875025) ;教育部優(yōu)秀年輕教師基金資助項目.學 報 (自然科學版)28華 中 科 技 大學第 30 卷a . 取不符

6、合上述法則的頂點 , 在節(jié)點鏈表中找到相應的節(jié)點 , 標記為 10 . 如圖 4 中的 G , H點 .圖 2 不符合右手法則圖 3 不符合頂點法則c . 同一個頂點相分離 ,在 CAD 造型系統(tǒng)中 ,由于其本身的浮點運算精度與 S TL 模型轉換精 度等的影響 , CAD 實體數(shù)據(jù)模型向 S TL 三角形 面化數(shù)據(jù)模型轉化時 ,出現(xiàn)同一個頂點分離成幾個頂點的現(xiàn)象 ,導致與這些分離點相連的某些三 角形不符合邊法則 ;d. 出現(xiàn)懸浮和重疊面 , 有裂縫和孔洞等.對于第一種缺陷 , 由于空間曲線具有連續(xù)性 和平滑性 , 相鄰三角面片的法矢夾角不大于 90°.因此 , 若出現(xiàn)相鄰法矢夾角大

7、于 90°, 則將其中不 符合右手法則的法矢反向. 具體判斷和修復方法如下.圖 4 復雜缺陷的修復b. 遍歷所有單元 , 若組成該單元的三個頂點 中含有標記為 10 的節(jié)點 , 則將該單元標記為 10 . 如圖 4 (a) 中的三角形單元 B HD , G H E , B FG .c . 在節(jié)點鏈表中刪除標記為 10 的節(jié)點.d. 在單元鏈表中刪除標記為 10 的單元. 形 成如圖 4 ( b) 的局部小區(qū)域 A B CD E FA .e. 依次選取局部小區(qū)域邊界頂點 , 生成一個鏈表.f . 選取一個邊界頂點 , 如圖 4 ( c) 中的點 A , 生成一個新單元 , 加入單元鏈表

8、 , 該單元的三個節(jié) 點依次為該頂點和順序接下來的兩個頂點. 如圖4 (c) 中的三角形單元 A B C .g. 生成一個新單元 , 其節(jié)點依次為前面選取 的頂點 , 如圖 4 (c) 中的點 A , 前一單元的最后一頂點 , 如圖 4 ( c) 中的點 C , 及鏈表中接下來的一 個頂點 , 如圖 4 (c) 中的點 D .h. 重復 g , 直到所有小區(qū)域邊界鏈表頂點都 遍歷一次.i. 重復上述過程直到所有需要重新劃分的 區(qū)域都處理完 .j . 重 新 排 列 單 元 號 和 節(jié) 點 號 , 并 做 優(yōu) 化 處理 .兩個向量 a ( a x , a y , a z ) , b ( bx ,

9、量積定義為by ,bz )的數(shù)a ·b = a x bx + a y by + a z bz ,它們的向量積定義為a ×b = ( a y bza x bz ) j + ( a x by - a z by ) i + ( a z bx -a y bx ) k .如果 a ·b 為正 , 表示兩個向量的夾角小于90°, 反之大于 90°. 因此通過相鄰三角面片法向量 的數(shù)量積 , 可以判斷他們法向量是否一致. 如果不 一致 , 則分別判斷三角單元是否符合右手法則. 由 頂點 v 1 指向 v 2 的向量為 v12 , 由頂點 v 1 指向 v 3

10、 的向量為 v13 , 判斷向量 v = v12 ×v13 與三角單元 的法向量 n 的方向是否一致 , 若不一致 , 則將 n 反向.對 于 第 二 種 缺 陷 ( 如 圖 3 所 示 ) , 刪 除A B D , 并增加 A B E 和 A ED , 其法矢方向與A B D 相同 , 其頂點排列次序應根據(jù)法矢方向和 右手法則自動確定.對于第三種缺陷 , 首先找到所分離的頂點 , 然 后判斷這些頂點之間的距離是否小于某個設定值 , 再將這些頂點歸并成一個頂點.對于懸浮面和重疊面 , 將其刪除即可 .而對于其他比較復雜缺陷的修復 , 一般來說 ,出現(xiàn)的裂縫和孔洞等的區(qū)域很小 , 只要

11、將有缺陷 區(qū)域的三角單元和頂點刪除 , 然后重新生成節(jié)點 和劃分三角形單元 , 就可以精確地近似原來的曲 面 . 具體做法如下 :3模具自動生成技術建立 S TL 文件曲面模型的拓撲結構 ,修復了各種缺陷之后 ,就生成了完整的工件三角形網(wǎng)格 模型. 在此基礎上 ,根據(jù)工件的模型可以自動生成 板料沖壓成型所需要的凸模 、凹模 、壓邊圈等的全 三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型以及拉延筋節(jié)點數(shù)據(jù)模型. 可以很方便地為一個具體工件成型過程數(shù)值模擬 和分析作好準備. 由于板料成型過程中凸凹模的變形很微小 ,對分析的影響不大 ,可以把其看成剛 體 ,因此三角形網(wǎng)格可以滿足分析的要求 .在工件的網(wǎng)格模型基礎上 ,生成凸模

12、 、凹模 、 壓邊圈等的具體方法如下 .對于壓邊圈的生成方法 ,分兩種情況 :© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 2 期溫建昌等 : 基于 S TL 文件的有限元模擬模具自動生成技術29a . 若工件的 S TL 文件格式網(wǎng)格模型沒有凸沿 ,則選定工件的部分外部邊界 ,與這些選定的外 邊界作為壓邊圈的內部邊界 . 然后圍繞工件將選定的外部邊界向外沿 x oy 平面平移一定距離 ,生成壓邊圈的外部邊界 . 壓邊圈內外邊界節(jié)點連表 是相對應的 ,因此可

13、以按照節(jié)點順序生成壓邊圈 的三角形單元鏈表 ,也即生成壓邊圈的網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型.b. 若 工 件 的 S TL 文 件 格 式 網(wǎng) 格 模 型 有 凸 沿 ,則選定工件的部分外部邊界 ,與這些邊界相連 的三角單元網(wǎng)格即可作為壓邊圈的網(wǎng)格數(shù)據(jù)模 型 .S TL 數(shù)據(jù)模型中節(jié)點的法向量是由所有共 此節(jié)點的三角面片的法向量決定的 . 設該節(jié)點的 法向量為 ( v x , v y , v z ) , n 個共該節(jié)點的三角形單元的法向量依次為 ( n x 1 , n y1 , n z 1 ) , ( n x 2 , n y2 ,具運動方式 ,定義了拉延筋等模具工藝參數(shù)之后 ,就建立了板料成型過程的完整的計算

14、模型.本方法適用于邊界比較規(guī)則的沖壓工件. 已 經(jīng)成功地對一些實際工件進行了處理 ,生成沖壓 成型所需的模具 ,大大提高了前置處理效率. 圖 5 所示為某輕型車底盤橫梁的工件形狀及據(jù)此生成 的模具型面.n z 2 ) , ( n x n , n y n , n z n ) , 則 := ( n x 1 += ( n y1 += ( n z 1 + n x n ) / n ;+ n y n ) / n ;+ n z n ) / n .v xv yv zn x 2 +n y2 +n z 2 +圖 5 利用工件的 S TL 文件生成模具型面設 S TL 文件表示的是沖壓件的中面 ,為了自動生成凸模和

15、凹模的網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型 ,將工件分別 沿著節(jié)點法向量的正向和反向偏移 ,偏移的距離 都是板坯厚度的一半 , 使得凸模和凹模之間的間 隙為板厚. 復制前面生成的壓邊圈網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型 ,偏移到凹模的位置 ,將凹模網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型和偏移 后的壓邊圈網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型連接起來 ,建立單元和 節(jié)點的拓撲關系 ,整理節(jié)點和單元的編號. 加上模參考文獻1 J acob G G K , Kai C C , Mei To ng , et al . Develop mentof a new rapid p rotot yping interface. Co mp uters inIndust ry , 1999 , 39 : 6

16、1702 Mortensio n M E. Geo met ric modelin g. New Yor k : Jo hn Wiley & So ns Inc. , 1985 .3 孫家廣 ,楊長貴 . 計算機圖形學 . 北京 : 清華大學出版社 ,1995 .The technol ogy of a utomat ic die generat ion f or f in iteelement simulat ion ba sed on STL f ileW en J i a ncha n gDon g X i a n gh u aiL i Za nAbstract : Aiming

17、 at t he technology of plank fo r ming simulatio n o n t he basis of analyzing data st ruct ure of32D S TL file fo r m , t he p rinciple and t he met ho d fo r auto matically diagno sing and mo dif ying t he solid data mo del are p resented. And t he dies are generated auto matically. The wo r k amo unt of mesh generatio n is greatly decreased. The sof t ware wit h high adap tabilit y is developed and t he p racticabilit y of t he p ro gram is p roved.Key words : plank molding simulatio n ; S TL ; solid data mo del ; diagno sis ; mo dificatio n ; mesh generatio n