面向边界元方法求解计算的IGES面网格快速生成方法技术

为满足船舶计算流体力学中边界元法对面网格生成的需求，本发明专利技术公开了一种基于IGES(The Initial Graphics Exchange Specification)几何模型的面网格快速生成方法，称为面向边界元方法求解计算的IGES面网格快速生成方法。包括如下步骤：步骤1，导入IGES几何模型，根据几何特征找到特征点；步骤2，根据特征点进行分块，针对每块的固有特征选择不同的网格生成策略。步骤3，在某一固定方向上通过面‑面交的方法提取几何模型上的物面点。步骤4，通过线性插值的方法重建船体表面的剖线点集，进而得到网格控制线。步骤5，通过曲线均分的方法得到物面网格点。步骤6，构建网格拓扑结构。本发明专利技术面网格生成过程中人机交互少，网格生成效率、质量较高，可实现船体面网格快速生成。

Fast generation method of IGES surface mesh for solving computation based on boundary element method

In order to meet the requirement of surface mesh generation by boundary element method (BEM) in ship computational fluid dynamics, the invention discloses a fast surface mesh generation method based on the IGES (The Initial Graphics Exchange Specification) geometric model, which is called the fast surface mesh generation method for solving computation by BEM. Including the following steps: Step 1, import IGES geometric model, according to the geometric features to find feature points; Step 2, according to the feature points to block, according to the inherent features of each block to select a different grid generation strategy. Step 3, the point on the geometric model is extracted by the method of surface intersection in a fixed direction. Step 4, the set of sectional points on the hull surface is reconstructed by linear interpolation, and then the grid control line is obtained. Step 5, get the grid point of the object surface by the method of evenly dividing the curves. Step 6, build the grid topology. In the process of surface mesh generation, the invention has less human-computer interaction, high mesh generation efficiency and high quality, and can realize the rapid generation of hull surface mesh.

【技术实现步骤摘要】
面向边界元方法求解计算的IGES面网格快速生成方法
本专利技术涉及CFD前处理的网格生成、几何造型领域，尤其涉及一种快速的船舶模型面网格生成算法。
技术介绍
IGES格式规范作为目前通用的CAD(ComputerAidedDesign)与CAM(computerAidedManufacturing)系统之间的数据交换规范，在世界范围内得到了广泛的认可。目前船舶制造领域，通常采用IGES文件规范存储船舶几何模型。工程领域内关于IGES几何模型的面网格自动化生成方法研究较少，部分商业软件生成面网格的过程较复杂，需要大量的人工交互操作。给定一个IGES几何模型，生成一个具有高正交性的三角形、四边形网格填充的模型，这个问题在面元法求解CFD问题时占有十分重要的地位。为解决这个问题，工程上通常需要应用现有商用软件(如Gambit)将IGES的几何实体进行合并，然后应用插值的方法生成三角形或四边形网格。网格生成周期十分漫长，且操作十分繁琐易出错。在船舶设计过程中，往往需要多次的数值仿真，针对仿真结果对船模进行调整，每次调整后都要重新生成面网格，这一过程在船舶模型的设计过程中往往需要大量的人工操作，工程界通常采用加入大量人工操作的方法解决这一技术难题。如何实现智能的、快速的面网格生成已经是目前CFD应用领域的一大瓶颈问题，同时也是目前船舶设计领域急需解决的难题。
技术实现思路
为改善IGES几何模型的面网格生成效率以及网格正交性，本专利技术提出了一种自动化程度较高的面网格快速生成方法。步骤1、导入IGES几何文件，将其剖分成自适应大小的三角网格结构以保证其几何特征得以保留。IGES作为通用的规范，其描述的几何实体有二十余种，非几何实体十余种，可自定义的几何实体十余种。为了保证智能面网格生成算法的鲁棒性，本专利技术采用了国际上较通用的几何造型开源库OpenCasCade(简称OCC)对IGES几何文件进行解析。OCC是由法国MatraDatavision公司开发的CAD/CAE/CAM软件平台，可以说是世界上最重要的几何造型基础库之一。步骤2、根据解析后得到的几何实体，对其进行三角剖分，且通过曲率特征自适应的调整网格大小。这步采用曲率控制三角剖分的大小是为了后面在做面-面相交时，切割同一三角形两边时得到的两个点以及两点确定的直线处于同一平面，以便后续的插值加密和曲线均分更加精确。步骤3、对剖分后的三角网格进行坐标变换，船艏方向为x轴正方向，船尾为x轴负方向，中截面为y＝0，船身部分为y轴正方向，船底在z＝0平面处，船身为z轴正方向。以船体模型的长度为基准做归一化处理，假设其长度为Len，船体网格的AABB(AxisAlignedBoundingBox)盒为Box，则：Box＝(Xmin，Ymin，Zmin)(Xmax，Ymax，Zmax)Len＝Xmax-Xmin其中Xmin，Xmax为所有三角网格顶点坐标中在X轴方向的最小值与最大值，同理Ymin，Ymax为所有三角网格顶点坐标中在Y轴方向的最小值与最大值，Zmin，Zmax为所有三角网格顶点坐标中在Z轴方向的最小值与最大值。假设船体三角网格的所有网格点为Pijk＝(Xi，Yj，Zk)，则归一化处理可以表示为：Pijk＝100*(Pijk/Xmax-Xmin)坐标变换的目的是为了后续的自动分块操作，由于船艏与船艉的几何特征不同，其网格生成策略也不同，分块后需要加以标记。归一化处理的目的是为了适应不同尺寸的船体模型或实体模型的大小。步骤4、计算船艏特征点Pb、船尾特征点Ps处的空间坐标，同时根据船体模型的吃水深度，将船模自动分割成5块，分别记为b1，b2，b3，b4，b5。(1)船艏部分记为b1，其网格生成策略采用三角形网格构成。(2)船模主体部分记为b2，其网格生成策略采用四边形网格构成，可以有效的减少网格数量，减轻CPU以及内存的运算压力。(3)船艉部分轴包套以上记为b3，其网格生成策略采用三角形和四边形混合网格构成。(4)船艉轴包套部分记为b4，其网格生成策略采用三角形和四边形混合网格构成。(5)吃水线以上部分记为b5，因其不参与求解计算，切割后不生成网格。其中Pb的坐标设定为(Xmax–Len/25，0，0)，Ps的位置选取船艉柱上拐点(艉柱点)，通过计算船艉柱上的曲率变化确定该点的空间坐标。步骤5，根据求解计算对的网格大小以及网格数量要求，计算网格生成的控制步长：Δx，Δz。针对b1块，以Pb为轴心点，创建X＝Pb.x平面旋转至Y＝0平面，切割船体模型，得到船体模型物面点。针对b2块主要以几何特征缓变的主船体组成，在水平方向将x轴分为Xi＝{Pb.x，Pb.x-Δx，Pb.x-2*Δx，......，Ps.x}。以X＝Xi创建平面切割船体模型，得到船体模型物面点。针对b3块，在水平方向将x轴分为Xi＝{Ps.x，Ps.x-Δx，Ps.x-2*Δx，......，Xmin}。以X＝Xi创建平面切割船体模型，得到船体模型物面点。针对b4块，在水平方向将x轴分为Xi＝{Ps.x，Ps.x-Δx，Ps.x-2*Δx，......，X4min}。以X＝Xi创建平面切割船体模型，得到船体模型物面点。其中，X4min为b4块的AABB盒的x轴最小值。步骤6，将步骤5得到的船体模型物面剖线点集通过线性插值的方法加密，即网格控制线。然后通过曲线均分的算法将其离散成均匀的网格点。步骤2保证了网格控制线上的任意两点及两点确定的直线在同一平面上，所以采用线性插值即可保证计算速度，也可以保证计算精度。步骤7，依据步骤4的网格生成策略，根据求解计算要求的法向，针对各块要求创建网格的拓扑结构。将各块网格组合成一个整体，通过去除重复点算法，重构船体模型的整体网格。依据求解计算的格式要求，输出网格。本专利技术的生成面网格方法相较于常用的商业软件面网格需要人工参与较少，生成网格速度快。且针对面元法对面网格正交性的要求，对特殊区域做特殊处理，使得网格的精度更高，可实现面网格的快速生成。附图说明图1是本专利技术的算法流程图图2是IGES经OCC解析后得到的几何实体示意图图3是IGES几何文件经三角剖分后的三角网格示意图图4是根据三角剖分后的网格自动寻找特征点以及自动分块示意图图5是坐标变换前后的船体模型示意图图6是根据线-面相交方法得到物面点的示意图图7是通过线性插值以及均分后得到的网格点示意图图8是依据船体固有几何特征形成三角形、四边形网格示意图图9是kvlcc2手动生成的面网格与本专利技术生成的面网格计算精度对比图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术方法实施例的流程如图1所示。步骤1，输入的IGES几何模型，实施例模型采用MOERI油轮的第二个变体kvlcc2模型作为实验模型，经OCC解析后的几何实体模型如图2所示。从图中可以看出该模型有许多几何结构组成，若多每一步部分单独生成面网格，则网格质量极难控制，且很容易生成质量很差的网格单元。步骤2，对解析后的几何实体进行三角剖分，通过曲率控制三角网格的大小，保证几何模型的几何特征得以保留。船舶模型一般采用Nurbs曲线\曲面来描述其几何结构，且在边界还会存在其他几何描述，直接对实体进行切割的方法是一项十分复杂的工作，所以本专利技术采用先三角剖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于IGES文件的面网格快速生成方法，其特征在于如下步骤：步骤1：输入一个IGES几何模型，将其转换成几何实体，对其进行三角剖分，并根据船模的几何特征以及曲率变化自适应的调整三角网格的大小；步骤2：对剖分后的三角网格进行坐标变换，使其可以实现自动分块功能，同时可以适应不同尺寸船舶模型的面网格生成；步骤3：根据船舶模型的几何特征计算其特征点的空间坐标，并根据特征点实现船体模型的自动分块功能；步骤4：依据波浪增阻求解计算的要求，计算网格水平方向和垂直方向的控制步长，通过面‑面相交的方法获取船模物面上的网格点坐标，然后通过线性插值的方法重构船体物面曲线，即船体剖线点集；步骤5：通过迭代均分曲线的方法划分船体剖线点集，在垂直方向得到尽量均匀的网格点，在边界处通过相邻两点的距离与其他相邻两点的距离的差值作为迭代判断条件；步骤6：根据自动分块后的各块固有几何特征，构建网格的拓扑结构(三角网格或者四边形网格)。

【技术特征摘要】
1.一种基于IGES文件的面网格快速生成方法，其特征在于如下步骤：步骤1：输入一个IGES几何模型，将其转换成几何实体，对其进行三角剖分，并根据船模的几何特征以及曲率变化自适应的调整三角网格的大小；步骤2：对剖分后的三角网格进行坐标变换，使其可以实现自动分块功能，同时可以适应不同尺寸船舶模型的面网格生成；步骤3：根据船舶模型的几何特征计算其特征点的空间坐标，并根据特征点实现船体模型的自动分块功能；步骤4：依据波浪增阻求解计算的要求，计算网格水平方向和垂直方向的控制步长，通过面-面相交的方法获取船模物面上的网格点坐标，然后通过线性插值的方法重构船体物面曲线，即船体剖线点集；步骤5：通过迭代均分曲线的方法划分船体剖线点集，在垂直方向得到尽量均匀的网格点，在边界处通过相邻两点的距离与其他相邻两点的距离的差值作为迭代判断条件；步骤6：根据自动分块后的各块固有几何特征，构建网格的拓扑结构(三角网格或者四边形网格)。2.根据权利要求1所述面网格快速生成方法，其特征在于输入一个IGES几何模型，并根据其几何特征自适应调整网格大小；步骤1-1：通过对IGES几何模型的解析，将其转换成算法可识别的实体结构；步骤1-2：根据船体模型的几何特征自适应的调整三角剖分过程中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐滨，段文洋，陈纪康，孙思鹏，李建东，
申请(专利权)人：青岛数智船海科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37