一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法，包括如下步骤：1.提取目标组件的空间约束边界；2.建立简化的质点‑弹簧模型，在约束空间中初始化可变形组件，通过逐渐递增的气压来模拟可变形组件的自由膨胀，并进行质点受力分析；3.求解质点的运动方程，采用Verlet积分法来进行质点‑弹簧系统运动方程的数值积分求解；4.进行碰撞检测，采用基于AABB包围盒树的碰撞检测方法来处理可变形组件与约束空间边界之间的碰撞问题；5.判断模型是否到达满意的形状；6.计算目标组件的体积，判断是否达到预定的体积。本发明专利技术建立了简化的质点‑弹簧模型结构，采用精确的碰撞检测方法严格控制模型的变形过程，可显著提高可变形产品的设计效率。

A fast design method of deformable components based on space constraint

The invention discloses a space constraints can be fast design method based on component deformation, which comprises the following steps: 1. the extraction of target component space constraint boundary; mass spring model 2. simplified, in restricted space to initialize deformable components, by gradually increasing pressure to simulate the deformation of components of the free expansion, and stress analysis of the particle motion equation of 3. particle; solution, numerical integral solution to spring particle motion equation of the system by using Verlet integral method; 4. collision detection, the collision detection method to deal with the collision problem between deformation component and the constraint space boundary touch AABB bounding box tree based on 5. to determine whether the model; satisfactory shape; 6. components of the calculation of the target volume, determine whether to achieve the predetermined volume. The invention establishes a simplified model of particle spring structure, the deformation process of collision detection using accurate method to strictly control model, can significantly improve the design efficiency of deformable products.

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法
本专利技术属于工业可变形产品设计中的造型设计
，具体涉及一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法。
技术介绍
在现代化设计中，产品的设计通常受到产品自身性能要求、装配环境以及加工工艺等因素的制约，是一个多约束作用下的空间设计问题。现代产品大多是集机、电、液于一体的复杂系统，其组成零件不仅数量众多，而且结构复杂。除标准化的组件，例如发动机、电气元件等以外，还包括部分可变形组件。该类组件在满足自身功能需求的前提下没有固定的外形，具有较大的设计自由度，但其设计约束通常又较为复杂，是产品设计中的一个难点。以汽车油箱设计为例，为实现整车的紧凑布局，在设计中既要保证油箱容积要求，又不能与汽车底盘上的其他零部件发生空间位置干涉，为了获得满意的设计效果通常需要设计人员对设计的三维模型进行反复修改。然而，在现有的三维造型软件中，自由曲面的创建和修改相当复杂，劳动强度较大，严重影响了产品设计的效率。目前，关于模型虚拟变形建模的方法主要分为两类：基于几何的方法和基于物理的方法。基于几何的可变形物体建模方法的一种重要形式是基于网格模型的形变方法。如《Geometricmodelingbasedonpolygonalmeshes》(BotschM,PaulyM,KobbeltL,etal.ProcoftheAcmSiggraphCourseNotes,2007,29(29):432-41.)中提到采用网格单元集合的形式来描述可变形物体，其主要特点是通过对网格顶点、边界等特征进行几何平移、旋转以及网格面片的合并和拆分等操作来达到改变模型形状的效果。然而由于表示物体的网格数量众多，直接建模比较困难，对单个点或者面片进行操作很难使模型产生显著并且有意义的形变。因此，基于物理的变形方法受到了越来越多的关注。其中的质点-弹簧模型方法，质点的受力是直接从受力分析中得到，因此计算效率较高。另外，质点-弹簧模型不但克服了几何建模时因构造复杂造型的控制节点大量增多而费时不直观的不足，也实现了对现实世界进行仿真，解决了最终形状未知的变形体对象的表达问题，因此在织物、面部仿真、外科手术领域受到了广泛的应用，但在工程造型领域的应用则较为罕见。如《DevelopingalternativedesignconceptsinVRenvironmentsusingvolumetricself-organizingfeaturemaps》(IgwePC,KnopfGK,CanasR.JournalofIntelligentManufacturing,2008,19(6):661-675.)将质点-弹簧可变形物理模型用于产品的概念设计，这是质点-弹簧模型在产品外观设计方面一次很好的尝试，但是他们仅考虑单个物体的受力形变，物体形变较难控制，不适合具有复杂空间约束的可变形组件的形变过程模拟。综上所述，现有的具有复杂空间约束的可变形组件造型设计方法中，不足主要体现在以下两个方面：1.基于现有的三维造型软件对自由曲面的创建和修改相当复杂，存在耗时长、效率低的问题；2.当前研究中利用简化的质点-弹簧物理模型方法用于产品的概念设计存在设计范围窄、形变较难控制的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的上述问题，提供一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法，将柔性物体变形模拟技术应用于复杂产品中可变形组件的造型设计领域。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法，包括如下步骤：步骤1：根据产品的设计要求和装配环境，提取目标组件的空间约束边界；步骤2：建立简化的质点-弹簧模型，其质点全部分布在模型表面，并且只有相邻的两质点之间通过弹簧进行连接；在约束空间中初始化可变形组件，通过逐渐递增的气压来模拟可变形组件的自由膨胀，并进行质点受力分析；质点的重力和摩擦力对实现可变形组件设计没有实际意义，其值设定为0，故质点主要受力为弹簧弹力、质点运动阻尼力和内部气体压力；步骤3：求解质点的运动方程，采用Verlet积分法来进行质点-弹簧系统运动方程的数值积分求解；步骤4：进行碰撞检测，采用基于AABB包围盒树的碰撞检测方法来处理可变形组件与约束空间边界之间的碰撞问题，然后转至执行步骤5或步骤6；步骤5：判断模型是否到达满意的形状，若满意则终止变形模拟，变形结束；若不满意则重新执行步骤2；步骤6：计算目标组件的体积，判断是否达到预定的体积，若达到则变形结束；若达不到则重新执行步骤2。上述步骤2的质点-弹簧模型，其系统的运动方程为如下公式：式中，M为系统的质量矩阵，X为质点的空间位置，t为增加气体压力的时间，Fk、Fd和Fp分别为质点系统的弹簧力矩阵、阻尼力矩阵和气体压力矩阵；设质点之间的弹簧为理想的线性弹簧，服从胡克定律，并且忽略弹簧变形阻尼，与质点相连的每一根弹簧都对该质点有力的作用，假设与质点i通过弹簧连接的相邻质点有j个，根据胡克定律，作用在质点i上的弹簧力合力表示为如下公式：式中，为质点i受到的弹簧力合力，E为与质点i之间具有弹簧连接的相邻点集，kij为质点i与j之间的弹簧刚度，xi与xj为质点i与j在时间t时的位置，为质点i与j之间弹簧的原长；质点运动中受到的阻尼力与质点的运动速度成正比，则阻尼力表示为如下公式：式中，为质点运动受到的阻尼力；C为阻尼系数，v为质点i的运动速度；作用在质点i上的气体压力等于气体在与质点i相邻的各个三角面片上产生的气体压力之和；对于理想气体，根据Clausius-Clapeyron方程，质点i上受到的气体压力表示为如下公式：式中，为质点i受到的气体压力，Tri为共用质点i的三角面片集，Aik为与质点i相连的三角形k的面积，为三角面片外法向量；上述步骤3的求解质点的运动方程为将质点位置项x(t+Δt)和x(t-Δt)分别采用泰勒公式进行展开，则得如下公式：x(t+Δt)＝2x(t)-x(t-Δt)+M-1F[x(t),v(t)]Δt2；式中，v(t)和v(t+Δt)分别为t时刻和(t+Δt)时刻质点系统的速度矩阵；x(t)和x(t+Δt)分别为t时刻和(t+Δt)时刻质点系统的位移矩阵；F[x(t)，v(t)]为t时刻质点-弹簧系统的受到的合力矩阵。上述步骤4的碰撞检测的算法步骤如下：步骤4.1：采用八叉树空间剖分方法建立可变形组件与约束空间边界的层次包围树结构；步骤4.2：执行一次模拟时间步，根据x(t)计算得到x(t+Δt)，并对此时可变形组件的包围盒结构进行更新；步骤4.3：对可变形组件与约束空间边界之间进行包围盒相交测试，找到发生干涉的底层包围盒对；步骤4.4：对发生干涉的底层包围盒对内部的几何单元进行精确碰撞检测，直到找出所有发生碰撞的质点和三角单元，然后更新质点位置、速度和受力，显示模型。上述步骤4.4中，在找到具体碰撞单元之后，对(t+Δt)时刻的质点位置进行修正，修正位置后点的坐标表示如下公式：式中，Δt为时间步长，d为质点穿透到约束空间内部的深度，P(t)和P(t+Δt)为质点P在t时刻以及(t+Δt)的位置。上述步骤6的目标组件的体积计算为通过在可变形组件上对三角网格面片与坐标原点之间构成的离散四面体体积进行积分，从而目标组件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据产品的设计要求和装配环境，提取目标组件的空间约束边界；步骤2：建立简化的质点‑弹簧模型，其质点全部分布在模型表面，并且只有相邻的两质点之间通过弹簧进行连接；在约束空间中初始化可变形组件，通过逐渐递增的气压来模拟可变形组件的自由膨胀，并进行质点受力分析；质点的重力和摩擦力对实现可变形组件设计没有实际意义，其值设定为0，故质点主要受力为弹簧弹力、质点运动阻尼力和内部气体压力；步骤3：求解质点的运动方程，采用Verlet积分法来进行质点‑弹簧系统运动方程的数值积分求解；步骤4：进行碰撞检测，采用基于AABB包围盒树的碰撞检测方法来处理可变形组件与约束空间边界之间的碰撞问题，然后转至执行步骤5或步骤6；步骤5：判断模型是否到达满意的形状，若满意则终止变形模拟，变形结束；若不满意则重新执行步骤2；步骤6：计算目标组件的体积，判断是否达到预定的体积，若达到则变形结束；若达不到则重新执行步骤2。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据产品的设计要求和装配环境，提取目标组件的空间约束边界；步骤2：建立简化的质点-弹簧模型，其质点全部分布在模型表面，并且只有相邻的两质点之间通过弹簧进行连接；在约束空间中初始化可变形组件，通过逐渐递增的气压来模拟可变形组件的自由膨胀，并进行质点受力分析；质点的重力和摩擦力对实现可变形组件设计没有实际意义，其值设定为0，故质点主要受力为弹簧弹力、质点运动阻尼力和内部气体压力；步骤3：求解质点的运动方程，采用Verlet积分法来进行质点-弹簧系统运动方程的数值积分求解；步骤4：进行碰撞检测，采用基于AABB包围盒树的碰撞检测方法来处理可变形组件与约束空间边界之间的碰撞问题，然后转至执行步骤5或步骤6；步骤5：判断模型是否到达满意的形状，若满意则终止变形模拟，变形结束；若不满意则重新执行步骤2；步骤6：计算目标组件的体积，判断是否达到预定的体积，若达到则变形结束；若达不到则重新执行步骤2。2.根据权利要求1所述的基于空间约束的可变形组件快速设计方法，其特征在于：所述步骤2的质点-弹簧模型，其系统的运动方程为如下公式：式中，M为系统的质量矩阵，X为质点的空间位置，t为增加气体压力的时间，Fk、Fd和Fp分别为质点系统的弹簧力矩阵、阻尼力矩阵和气体压力矩阵；设质点之间的弹簧为理想的线性弹簧，服从胡克定律，并且忽略弹簧变形阻尼，与质点相连的每一根弹簧都对该质点有力的作用，假设与质点i通过弹簧连接的相邻质点有j个，根据胡克定律，作用在质点i上的弹簧力合力表示为如下公式：式中，为质点i受到的弹簧力合力，E为与质点i之间具有弹簧连接的相邻点集，kij为质点i与j之间的弹簧刚度，xi与xj为质点i与j在时间t时的位置，为质点i与j之间弹簧的原长；质点运动中受到的阻尼力与质点的运动速度成正比，则阻尼力表示为如下公式：式中，为质点运动受到的阻尼力；C为阻尼系数，v为质点i的运动速度；作用在质点i上的气体压力等于气体在与质点i相邻的各个三角面片上产生的气体压力之和；对于理想气体，根据Clausius-Clapeyron方程，质点i上受到的气体压力表示为如下公式：式中，为质点i受到的气体压力，Tri为共...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏薇，王承辉，王灿，韦春华，廖小平，胡治流，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45