一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法技术

本发明专利技术公开了一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法，包括如下步骤：S1、将拓扑优化结果生成的离散体素模型进行光顺操作；S2、提取光顺后的离散体素模型表面的三角网格，生成三角网格模型的骨架线；S3、对三角网格模型的骨架信息进行简化；S4、生成粗骨架模型；S5、对粗骨架模型进行Catmull

A 3D CAD reconstruction method for pixel topology optimization results

【技术实现步骤摘要】
一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法


[0001]本专利技术涉及拓扑优化后处理的CAD重建
，具体指面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法。

技术介绍

[0002]随着计算机计算能力的提升,以及计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)的发展,通过对计算机模拟计算出的模型结构强度的分析，可以发现模型的结构缺陷，进而通过重新设计来改进模型的结构强度，这使得模型的设计流程需要的时间成本大大增加，创成式设计(Generative Design)应运而生，创成式设计通过使用特定的算法策略来对物品进行自动化设计，以满足一定刚度条件下，所设计生成的产品的质量最小或者其他相应设计目标。常用的算法策略从最开始的简单尺寸优化到后来比较复杂的形状优化，最后发展到现在难度较大的拓扑优化。拓扑优化，是寻求结构部件满足应力，位移等约束条件下，并且使结构的某种指标达到最优，常见的指标是结构的质量达到最轻或者所用材料达到最省。
[0003]拓扑优化生成的离散体素模型，如果直接转化成B
é
zier体模型会出现模型表面的锯齿化现象和生成的B
é
zier体数量较多的缺点，降低了模型的可制造性。
[0004]综上所述，如何有效的对拓扑优化结果的重建，生成光滑的模型且保持模型B
é
zier体块数较少是当前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术根据现有技术的不足，提出一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法，包括如下步骤：
[0008]S1、将拓扑优化结果生成的离散体素模型进行光顺操作，其中离散体素模型即以大量规则立方体的有序组合表示的三维物体模型；
[0009]S2、提取光顺后的离散体素模型表面的三角网格，生成三角网格模型的骨架线，即与原三角网格模型连通性和拓扑结构一致的曲线；
[0010]S3、对三角网格模型的骨架线进行简化；
[0011]S4、生成粗骨架模型
[0012]S4
‑
1、进行交互式调整三角网格模型的骨架节点；
[0013]S4
‑
2、进行三角网格模型的骨架节点角度优化操作；
[0014]S4
‑
3、建立中间连接六面体单元并进行拓扑分裂操作，生成粗骨架模型；
[0015]S5、对粗骨架模型进行Catmull
‑
Clark体细分操作，并将表面顶点投影到步骤S2生成的表面三角网格上，生成B
é
zier体模型。
[0016]作为优选，所述步骤S1中，进行六面体网格光顺操作，六面体网格采用拉普拉斯网
格光顺方法，表达式如下：
[0017][0018]其中，Adj表示一个顶点的领域，U(P
i
)即一个顶点的邻域的坐标均值。
[0019]作为优选，所述拉普拉斯网格光顺方法具体如下：
[0020]1)初始化整个六面体网格，提取边界顶点和内部顶点；
[0021]2)遍历边界顶点，然后计算边界点的1邻域点的位置和S,且边界点的1邻域点不包括内部顶点，遍历内部顶点，计算内部点的1邻域点的位置和S'；
[0022]3)将边界点放置于S/n，n为1邻域顶点的个数，将内部点置于S'/n。
[0023]作为优选，所述的步骤S2，包括如下子步骤：
[0024]S2
‑
1、遍历经过步骤S1后的离散体素模型，将模型的边界四边形面通过在面中添加一条辅助边使其转化成三角网格模型，即表面以三角形表示的模型结构；
[0025]S2
‑
2、首先通过Loop细分方法对提取的三角网格模型进行加细，然后，利用三角网格的曲率的极值性质，提取模型的骨架线，即与原三角网格模型连通性和拓扑结构一致的曲线。
[0026]5、根据权利要求1所述的一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法，其特征在于，所述的步骤S3中骨架线的简化方法如下：
[0027]S3
‑
1、将得到的骨架线进行分段处理，将度大于2的节点和度等于1的节点进行分段提取骨架段；
[0028]S3
‑
2、使用B样条拟合算法，将分段骨架线进行拟合操作，通过求解系数矩阵
[0029][0030]得到B样条的控制顶点和节点向量，其中，Q
k
表示需要插值的顶点，P
i
表示求得的控制顶点，表示B样条曲线的参数，通过弦长参数化来选择
[0031]令d为总弦长
[0032][0033]并令
[0034]S3
‑
3、首先计算端点即度大于2或度等于1的骨架节点到表面三角网格的最近距离作为其半径，计算分段骨架的中间位置的节点到表面三角网格的最近距离，判断中间位置的节点是否和此骨架线两端的节点相交；
[0035]S3
‑
4、如果不相交，重复步骤S3
‑
1至S3
‑
3，直到相交则停止骨架节点继续步骤S3
‑
5；
[0036]S3
‑
5、将多段骨架线生成的骨架节点进行合并生成全局简化的骨架；
[0037]S3
‑
6、对相交的骨架节点进行合并操作将这两个有部分相交的节点进行合并操作，删除其中一个节点，并将其所连接的节点进行转移到保留下来的节点。
[0038]作为优选，所述的步骤S4
‑
1中，对骨架的节点进行位移、旋转、分裂、延展、新增和删除操作。
[0039]作为优选，所述的步骤S4
‑
2中，
[0040]1)对度大于2的节点利用Usai提出的立方体角度调整算法，表达式如下：
[0041][0042]其中，U
i
,V
i
,W
i
为相互垂直的以节点的长宽高作为向量长度的向量，d
i
为对于一个节点所发射出去的单位向量，通过对其优化可使该节点以旋转一定角度的方式减少节点分裂数，ε为迭代参数，初始值为0.5，之后每次迭代减半；
[0043]2)采用旋转角度最小化方法来对度为2的节点进行角度调整，沿着度大于2的节点开始生成标架，然后对中间的骨架节点进行角度调整，使用标架来生成骨架节点六面体，通过向标架方向进行一定的延伸生成六面体骨架节点。
[0044]作为优选，所述的步骤S4
‑
3中，生成中间连接体，将骨架节点相连的中间生成六面体单元，若一个节点的一个面连接了多个骨架节点，则对其进行拓扑分裂操作，即将一个节点分裂成多个节点且消除了一个面连接多个骨架节点的特性，最后生成粗骨架模型。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将拓扑优化结果生成的离散体素模型进行光顺操作，其中离散体素模型即以大量规则立方体的有序组合表示的三维物体模型；S2、提取光顺后的离散体素模型表面的三角网格，生成三角网格模型的骨架线，即与原三角网格模型连通性和拓扑结构一致的曲线；S3、对三角网格模型的骨架线进行简化；S4、生成粗骨架模型S4
‑
1、进行交互式调整三角网格模型的骨架节点；S4
‑
2、进行三角网格模型的骨架节点角度优化操作；S4
‑
3、建立中间连接六面体单元并进行拓扑分裂操作，生成粗骨架模型；S5、对粗骨架模型进行Catmull
‑
Clark体细分操作，并将表面顶点投影到步骤S2生成的表面三角网格上，生成B
é
zier体模型。2.根据权利要求1所述的面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法，其特征在于，所述步骤S1中，进行六面体网格光顺操作，六面体网格采用拉普拉斯网格光顺方法，表达式如下：其中，Adj表示一个顶点的领域，U(P
i
)即一个顶点的邻域的坐标均值。3.根据权利要求2所述的面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法，其特征在于，所述拉普拉斯网格光顺方法具体如下：1)初始化整个六面体网格，提取边界顶点和内部顶点；2)遍历边界顶点，然后计算边界点的1邻域点的位置和S,且边界点的1邻域点不包括内部顶点，遍历内部顶点，计算内部点的1邻域点的位置和S'；3)将边界点放置于S/n，n为1邻域顶点的个数，将内部点置于S'/n。4.根据权利要求1所述的一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法，其特征在于，所述的步骤S2，包括如下子步骤：S2
‑
1、遍历经过步骤S1后的离散体素模型，将模型的边界四边形面通过在面中添加一条辅助边使其转化成三角网格模型，即表面以三角形表示的模型结构；S2
‑
2、首先通过Loop细分方法对提取的三角网格模型进行加细，然后，利用三角网格的曲率的极值性质，提取模型的骨架线，即与原三角网格模型连通性和拓扑结构一致的曲线。5.根据权利要求1所述的一种面向像素式拓扑优化结果的三维CAD重建方法，其特征在于，所述的步骤S3中骨架线的简化方法如下：S3
‑
1、将得到的骨架线进行分段处理，将度大于2的节点和度等于1的节点进行分段提取骨架段；S3
‑
2、使用B样条拟合算法，将分段骨架线进行拟合操作，通过求解系数矩阵得到B样条的控制顶点和节点向量，其中，Q
k
表示需要插值的顶点，P
i
表示求得的控制顶
点，表示B样条曲线的参数，通过弦长参数化来选择令d为总弦长并令S3
‑
3、首先计算端点即度大于2或度等于1的骨架节点到表面三角网格的最近距离作为其半径，计算分段骨架的中间位置的节点到表面三角网格的最近距离，判断中间位置的节点是否和此骨架线两端的节点相交；S3
‑
4、如果不相交，重复步骤S3
‑
1至S3
‑
3，直到相交则停止骨架节点继续步骤S3
‑
5；S3
‑
5、将多段骨架线生成的骨架节点进行合并生成全局简化的骨架；S3
‑
6、对相交的骨架节点进行合并操作将这两个有部分相交的节点进行合并操作，删除其中一个节点，并将其所连接的节点进行转移到保留下来的节点。6.根据权利要求1所述的一种面向像素式拓扑优化结果...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐岗，章珉源，李勇杰，谢津，张盛，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：