基于STL文件的有限元模擬模具自動(dòng)生成技術(shù)

1、基于 S TL 文件的有限元模擬模具自動(dòng)生成技術(shù)溫建昌董湘懷李贊(華中科技大學(xué)塑性成型模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)摘要 : 針對(duì)板料成型模擬技術(shù) ,在分析三維 S TL 文件格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上 ,提出了對(duì)實(shí)體數(shù)據(jù)模型進(jìn)行自動(dòng)診斷與修復(fù)的原則和方法 ,并自動(dòng)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(yīng)性強(qiáng)的程序 ,通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明了程序的實(shí)用性.關(guān) 鍵 詞 : 板料成型模擬 ; S TL ; 實(shí)體數(shù)據(jù)模型 ; 診斷 ; 修復(fù) ; 網(wǎng)格剖分中圖分類號(hào) : T G386文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A文章編號(hào) : 167124512 (2002) 0220027203在有限元分析

2、計(jì)算中 ,前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備費(fèi)時(shí)費(fèi)力 ,整個(gè)過(guò)程極其復(fù)雜 ,是板料成型模擬的前提 和關(guān)鍵技術(shù). 而空間曲面網(wǎng)格剖分難度更大 , 因此 ,尋求簡(jiǎn)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(dòng)生成和網(wǎng)格剖分技術(shù).拓?fù)潢P(guān)系是三維有限元網(wǎng)格剖分和模具型面自動(dòng)生成的基礎(chǔ). 由于 S TL 文件重復(fù)記錄一些頂點(diǎn)信 息 ,造成大量的數(shù)據(jù)冗余. 在 S TL 文件中頂點(diǎn)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?fù)潢P(guān)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(guò)程如下 :首先是依次讀出三角面片 ,一 個(gè)三角面片對(duì)應(yīng)一個(gè)三角形單元 ,每讀取一個(gè)三角面片 ,就生成一個(gè)相應(yīng)的三角形單元的三個(gè)節(jié) 點(diǎn)編號(hào)和法向量 ,每個(gè)節(jié)點(diǎn)單元記錄節(jié)點(diǎn)編號(hào)和三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分量 . 然后歸并重復(fù)的點(diǎn)和由于計(jì)算誤差而造成的相距很近的分離點(diǎn) ,建立一個(gè) 無(wú)重復(fù)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)鏈表 ,對(duì)節(jié)點(diǎn)鏈表重新進(jìn)行編號(hào) ,調(diào)整單元鏈表中記錄的相應(yīng)頂點(diǎn)編號(hào) ,三個(gè)頂點(diǎn) 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?fù)浣Y(jié)構(gòu)S TL 文件1 是通過(guò)對(duì) CAD 實(shí)體模型或曲面模型進(jìn)行表面三角化離散得到的 ,相當(dāng)于用一種 全由小三角形面片構(gòu)成的多面體來(lái)近似原 CAD模型. 在 S

4、 TL 文件中它提供了每一個(gè)小三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)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(fù)從文件格式分析得知 , S TL 文件所描述的正確實(shí)體數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足右手法則 、頂點(diǎn)法則和邊 法則.在實(shí)際應(yīng)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(diǎn) 之間不符合右手法則 (如圖 2) ;b 三角形的某個(gè)頂點(diǎn)落在另一個(gè)三角形的邊 上 ,不符合頂點(diǎn)法則 (如圖 3) ;圖 1 曲面的 S TL 文件表示拓?fù)湫畔⒅饕枋龈鲙缀螌?shí)體間的連接關(guān)系和鄰接關(guān)系2 ,3 . 對(duì) S TL 來(lái)說(shuō) ,每個(gè)三角形應(yīng)該與

5、 另外三個(gè)共邊三角形相連接 ,從任何一條邊可以知道它的兩個(gè)頂點(diǎn)以及共此邊的兩個(gè)三角形 ,頂 點(diǎn)的連接信息應(yīng)包括共此點(diǎn)的所有邊和所有三角形面片. 目前 S TL 文件中不包含拓?fù)湫畔?,建立收稿日期 : 2001210210 .作者簡(jiǎn)介 : 溫 建 昌 ( 19762) , 男 , 碩 士 研 究 生 ; 武 漢 , 華 中 科 技 大 學(xué) 塑 性 成 型 模 擬 及 模 具 技 術(shù) 國(guó) 家 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室(430074) .基金項(xiàng)目 : 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (59875025) ;教育部?jī)?yōu)秀年輕教師基金資助項(xiàng)目.學(xué) 報(bào) (自然科學(xué)版)28華 中 科 技 大學(xué)第 30 卷a . 取不符

6、合上述法則的頂點(diǎn) , 在節(jié)點(diǎn)鏈表中找到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn) , 標(biāo)記為 10 . 如圖 4 中的 G , H點(diǎn) .圖 2 不符合右手法則圖 3 不符合頂點(diǎn)法則c . 同一個(gè)頂點(diǎn)相分離 ,在 CAD 造型系統(tǒng)中 ,由于其本身的浮點(diǎn)運(yùn)算精度與 S TL 模型轉(zhuǎn)換精 度等的影響 , CAD 實(shí)體數(shù)據(jù)模型向 S TL 三角形 面化數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化時(shí) ,出現(xiàn)同一個(gè)頂點(diǎn)分離成幾個(gè)頂點(diǎn)的現(xiàn)象 ,導(dǎo)致與這些分離點(diǎn)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(duì)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(fù)方法如下.圖 4 復(fù)雜缺陷的修復(fù)b. 遍歷所有單元 , 若組成該單元的三個(gè)頂點(diǎn) 中含有標(biāo)記為 10 的節(jié)點(diǎn) , 則將該單元標(biāo)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(diǎn)鏈表中刪除標(biāo)記為 10 的節(jié)點(diǎn).d. 在單元鏈表中刪除標(biāo)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(diǎn) , 生成一個(gè)鏈表.f . 選取一個(gè)邊界頂點(diǎn) , 如圖 4 ( c) 中的點(diǎn) A , 生成一個(gè)新單元 , 加入單元鏈表

8、 , 該單元的三個(gè)節(jié) 點(diǎn)依次為該頂點(diǎn)和順序接下來(lái)的兩個(gè)頂點(diǎn). 如圖4 (c) 中的三角形單元 A B C .g. 生成一個(gè)新單元 , 其節(jié)點(diǎn)依次為前面選取 的頂點(diǎn) , 如圖 4 (c) 中的點(diǎn) A , 前一單元的最后一頂點(diǎn) , 如圖 4 ( c) 中的點(diǎn) C , 及鏈表中接下來(lái)的一 個(gè)頂點(diǎn) , 如圖 4 (c) 中的點(diǎn) D .h. 重復(fù) g , 直到所有小區(qū)域邊界鏈表頂點(diǎn)都 遍歷一次.i. 重復(fù)上述過(guò)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(hào) 和 節(jié) 點(diǎn) 號(hào) , 并 做 優(yōu) 化 處理 .兩個(gè)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(gè)向量的夾角小于90°, 反之大于 90°. 因此通過(guò)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(diǎn) v 1 指向 v 2 的向量為 v12 , 由頂點(diǎn) 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(duì) 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(diǎn)排列次序應(yīng)根據(jù)法矢方向和 右手法則自動(dòng)確定.對(duì)于第三種缺陷 , 首先找到所分離的頂點(diǎn) , 然 后判斷這些頂點(diǎn)之間的距離是否小于某個(gè)設(shè)定值 , 再將這些頂點(diǎn)歸并成一個(gè)頂點(diǎn).對(duì)于懸浮面和重疊面 , 將其刪除即可 .而對(duì)于其他比較復(fù)雜缺陷的修復(fù) , 一般來(lái)說(shuō) ,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(diǎn)刪除 , 然后重新生成節(jié)點(diǎn) 和劃分三角形單元 , 就可以精確地近似原來(lái)的曲 面 . 具體做法如下 :3模具自動(dòng)生成技術(shù)建立 S TL 文件曲面模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,修復(fù)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(chǔ)上 ,根據(jù)工件的模型可以自動(dòng)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(diǎn)數(shù)據(jù)模型. 可以很方便地為一個(gè)具體工件成型過(guò)程數(shù)值模擬 和分析作好準(zhǔn)備. 由于板料成型過(guò)程中凸凹模的變形很微小 ,對(duì)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(chǔ)上 ,生成凸模

12、 、凹模 、 壓邊圈等的具體方法如下 .對(duì)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(dòng)生成技術(shù)29a . 若工件的 S TL 文件格式網(wǎng)格模型沒(méi)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(nèi)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(nèi)外邊界節(jié)點(diǎn)連表 是相對(duì)應(yīng)的 ,因此可

13、以按照節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的法向量是由所有共 此節(jié)點(diǎn)的三角面片的法向量決定的 . 設(shè)該節(jié)點(diǎn)的 法向量為 ( v x , v y , v z ) , n 個(gè)共該節(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(guò)程的完整的計(jì)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(duì)一些實(shí)際工件進(jìn)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(shè) S TL 文件表示的是沖壓件的中面 ,為了自動(dòng)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(diǎn)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(fù)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(lái) ,建立單元和 節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系 ,整理節(jié)點(diǎn)和單元的編號(hào). 加上模參考文獻(xiàn)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(zhǎng)貴 . 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) . 北京 : 清華大學(xué)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