自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計技術(shù)

1、自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計技術(shù)羅堯治浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心第十四屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會2004公曉鶯空間結(jié)構(gòu)曲面生成與網(wǎng)格劃分技術(shù)研究2005張 浩空間結(jié)構(gòu)曲面造型算法及程序?qū)崿F(xiàn)2006岑培超空間結(jié)構(gòu)參數(shù)曲面描述及網(wǎng)格劃分算法2009李 娜空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)研究與實現(xiàn)2014丁 慧自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格設(shè)計方法研究與實現(xiàn)已有的研究工作空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何造型規(guī)則形態(tài)自由形態(tài) 自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)整體幾何形態(tài)不能用解析函數(shù)精確表達(dá)或擬合，而能以自由方式變化的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)定義計算機輔助幾何設(shè)計基于實物模型的設(shè)計基于力學(xué)原理的設(shè)計仿生設(shè)計 幾何造型設(shè)計網(wǎng)格生成網(wǎng)格優(yōu)

2、化調(diào)整網(wǎng)格模型曲面點云自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計過程映射法波前推進法鋪砌法Delaunay法細(xì)分法四叉/八叉樹法 曲面點云幾何造型設(shè)計網(wǎng)格生成網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)格模型自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計過程幾何優(yōu)化基于結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化綜合優(yōu)化經(jīng)驗方法幾何造型設(shè)計網(wǎng)格生成網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)格模型自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計過程陽光谷網(wǎng)格優(yōu)化過程（李承銘. 土木工程學(xué)報. 2011）網(wǎng)格設(shè)計網(wǎng)格設(shè)計任務(wù)：（1）確定網(wǎng)格形狀；（2）選擇合適的方法生成網(wǎng)格；（3）根據(jù)需要，對網(wǎng)格進行優(yōu)化；（4）結(jié)合約束條件調(diào)整網(wǎng)格。幾何造型設(shè)計網(wǎng)格生成網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)格模型自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計過程自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計曲面網(wǎng)格設(shè)計點云網(wǎng)格設(shè)計簡單自

3、由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計曲面網(wǎng)格設(shè)計點云網(wǎng)格設(shè)計簡單自由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計簡單自由曲面是指單片的，未經(jīng)裁剪等附加操作的B樣條曲面。簡單自由曲面網(wǎng)格生成等參線:B樣條曲面的u(或w)參數(shù)取常數(shù)，曲面的另一個參數(shù)在其定義域內(nèi)連續(xù)變化，在曲面上掃描出的一條曲線。等參線分割法曲面提取等參線等參線分割連接節(jié)點空間網(wǎng)格簡單自由曲面網(wǎng)格生成基本原理：利用B 樣條曲面的張量積特性，通過提取等參線，將二維的曲面網(wǎng)格劃分問題，降為一維的曲線分割問題。等參線分割法割線法求解，收斂標(biāo)

4、準(zhǔn)：等分弦長簡單自由曲面網(wǎng)格生成四邊形邊界三角形邊界圓形邊界旋轉(zhuǎn)型普通型簡單自由曲面網(wǎng)格生成四邊形邊界曲面簡單自由曲面網(wǎng)格生成四邊形邊界曲面四邊形網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格:連接對角線，連接方式有三種，對角線全部向左傾斜、對角線全部向右傾斜以及選擇較優(yōu)方向傾斜。簡單自由曲面網(wǎng)格生成四邊形邊界曲面簡單自由曲面網(wǎng)格生成三角形邊界曲面1“縮格”式網(wǎng)格的劃分模式2 三向網(wǎng)格劃分模式簡單自由曲面網(wǎng)格生成三角形邊界曲面簡單自由曲面網(wǎng)格生成圓形邊界曲面肋環(huán)型 簡單自由曲面網(wǎng)格生成施威德勒型、聯(lián)方型簡單自由曲面網(wǎng)格生成施威德勒網(wǎng)格聯(lián)方網(wǎng)格凱威特型凱威特型網(wǎng)格生成：先將曲面平均分割為三角形面片，按照三角形邊界曲面中的

5、三向網(wǎng)格生成方法劃分三角形網(wǎng)格。簡單自由曲面網(wǎng)格生成圓形邊界曲面簡單自由曲面網(wǎng)格生成聯(lián)方型網(wǎng)格肋環(huán)型網(wǎng)格凱威特型網(wǎng)格桿件長度指標(biāo)形狀質(zhì)量指標(biāo)三角形的形狀質(zhì)量系數(shù)四邊形的形狀質(zhì)量系數(shù)簡單自由曲面網(wǎng)格生成網(wǎng)格評價指標(biāo)簡單自由曲面網(wǎng)格生成映射法生成的網(wǎng)格等參線分割法生成的網(wǎng)格曲面網(wǎng)格單元數(shù)量SL/m/m曲面映射法15550.7090.2706059.83.8971.6780.221等參線分割法15550.8970.2006104.93.9261.2760.577曲面映射法16050.7160.1733961.12.4680.7960.305等參線分割法7020.9100.0822457.03.500

6、0.6250.486簡單自由曲面網(wǎng)格生成網(wǎng)格質(zhì)量比較自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計曲面網(wǎng)格設(shè)計點云網(wǎng)格設(shè)計簡單自由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計 實際工程應(yīng)用中遇到的很多自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無法歸入簡單自由曲面的任一類，它們有著更加復(fù)雜的邊界形狀，這一類自由曲面稱之為復(fù)雜邊界自由曲面。復(fù)雜邊界曲面生成的重要途徑是曲面裁剪。復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成相關(guān)定義復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成等參域邊界三維空間邊界網(wǎng)格生成基本原理直接裁剪網(wǎng)格復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成Step1.在原始曲面生成網(wǎng)格；Step2.求每根等參線與邊界線的交點；Step3. 判斷每條等參線兩個交點

7、之間的網(wǎng)格數(shù)量；Step4.將每條等參線兩交點之間的區(qū)段等分;Step5.處理兩條相鄰等參線間的邊界線；Step6.連接所有等分形成的節(jié)點，生成網(wǎng)格。網(wǎng)格生成基本原理復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成算法優(yōu)化曲面分塊目的：在網(wǎng)格劃分過程中保留曲面特征。方式：只在平行于等參線的方向進行，以所有裁剪線的端點對應(yīng)的等參線為分割線。復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成基本原理相切處理為使交點之間的曲面和空洞依然滿足間隔出現(xiàn)的規(guī)律，當(dāng)?shù)葏⒕€與裁剪線相切時，增加虛擬交點。等參線與裁剪線的兩個交點距離很近不足一格時，也按相切處理。復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成極小單元歸并 當(dāng)邊線與等參線距離過近，幾乎相切時，會導(dǎo)

8、致小角度的畸形網(wǎng)格，需要將這些狹長的網(wǎng)格與相鄰網(wǎng)格單元合并。網(wǎng)格生成算法優(yōu)化復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成算法流程復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成神木少年宮復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計曲面網(wǎng)格設(shè)計點云網(wǎng)格設(shè)計簡單自由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計 基于實物的設(shè)計是自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何造型設(shè)計的一個重要途徑，該類設(shè)計方法必不可少的一個環(huán)節(jié)是采集實物的外形信息，通過三維掃描得到一系列實物表面的坐標(biāo)點（即點云）。面

9、向3D掃描點云的網(wǎng)格生成點云曲面網(wǎng)格逆向工程實物3D掃描1）精減數(shù)據(jù)，剔除雜點與噪點；2）對多視圖掃描的點云進行拼合處理等。采用與Shining 3D 三維掃描儀配套的掃描軟件。運用AFT方法，將點云作為剖分對象，進行網(wǎng)格生成。對原方法進行改進，建立能適應(yīng)非連續(xù)的點云數(shù)據(jù)的網(wǎng)格生成方法。設(shè)計思路面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成點云邊界搜索點C：R鄰域的坐標(biāo)形心點點P：當(dāng)前已知邊界點R鄰域：半徑取平均點距的m倍面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成搜索盒空間分割，建立數(shù)據(jù)點之間的幾何拓?fù)?空間位置)關(guān)系。面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成波前推進法AFT面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成前沿推進方法123456當(dāng)前前沿鄰居狀態(tài)三

10、角形閉合四邊形閉合推進后圖形面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成123新節(jié)點生成面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成123新節(jié)點生成面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成最優(yōu)點的搜索范圍：正面積準(zhǔn)則面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成新節(jié)點生成123面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成123新節(jié)點生成面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成質(zhì)量系數(shù)形狀長度相交判斷準(zhǔn)則面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成流程點云分裝點云邊界搜索離散邊界根據(jù)前沿鄰居情況，推進前沿更新活躍前沿庫有新的活躍前沿產(chǎn)生結(jié)束是否面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成面向3D掃描點云的網(wǎng)格生成自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計曲面網(wǎng)格設(shè)計點云網(wǎng)

11、格設(shè)計簡單自由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格生成點云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計1）直接采用AFT法在點云上生成的網(wǎng)格，在形狀和均勻性方面還不是很理想，仍有優(yōu)化的空間。2）在實際應(yīng)用中，網(wǎng)格設(shè)計的過程經(jīng)常需要處理一些內(nèi)部約束條件。面向3D掃描點云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整面向3D掃描點云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整網(wǎng)格的優(yōu)化優(yōu)化方法Delaunay優(yōu)化Laplacian優(yōu)化最小內(nèi)角最大準(zhǔn)則優(yōu)化幾何拓?fù)淦骄瓌t網(wǎng)格光順優(yōu)化面向3D掃描點云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整=0.075=0.041面向3D掃描點云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整面向3D掃描點云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整=0.073=0.035=0.068=0.028面向3D掃描點云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整約束調(diào)整點約束調(diào)整線約束調(diào)整在Laplacian優(yōu)化階段進行調(diào)整線約束主要是指點云內(nèi)部的孔洞的邊界面向3D掃