一种基于三维CAD的FDTD共形网格自动生成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于电磁场数值计算领域，具体涉及一种FDTD共形网格的生成方法及装置。一种基于三维CAD的FDTD共形网格自动生成方法，包括以下步骤：利用CAD软件生成基于三角面元的三维模型，在所述三维模型上划分FDTD的网格线；根据FDTD网格线对所述三维模型进行纵向射线扫描和横向面扫描，计算出每个边界格子的几何信息和材料信息；将边界格子的几何信息和材料信息带入3D

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维CAD的FDTD共形网格自动生成方法及装置


[0001]本专利技术属于电磁场数值计算领域，具体涉及一种FDTD共形网格的生成方法及装置。

技术介绍

[0002]电磁场的时域有限差分法(FDTD)直接在时间域求解麦克斯韦方程组或者波动方程来求得时间域上空间节点上的电场磁场强度，可以准确反映出电磁波在特定波导结构中的响应规律。在FDTD中，离散的电场和磁场计算节点的空间排布如图1所示，每一个电场分量由四个与其正交的磁场分量环绕，同理磁场也是如此。同时这种规则的矩体网格通常无法贴合复杂的仿真器件，从而不可避免的使得Yee元胞建模无法与实际物体完全匹配，这必定会引入较大的误差，在早期的FDTD网格中一个Yee元胞只能为一种材料，因此弯曲表里面在这种网格模型下呈现阶梯形状，故称之为阶梯网格。随着FDTD的商业仿真软件上市之后，许多FDTD共形网格技术已经被落地到商业软件上。其中具有代表性的FDTD仿真软件为Ansys公司的Lumerical软件FDTD模块；而具有代表性的共形网格有体积平均法、二维轮廓等效介电常数法(Two
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dimension Contour Path Effective Permittivity简写为2D
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CP
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EP)、体积平均极化等效介电常数法(Volume
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average Polarized Effective Permittivity简写为VP
‑
EP)，体积平均法为单纯的计算一个场分量网格里的各种材料的体积占比，并用体积占比作为加权系数计算多种材料系数的加权平均值；后两者则考虑了介质分界面的法向量信息。二维轮廓等效介电常数法则考虑了电磁场的边界条，可以更加精确的计算出等效材料系数，同时也是Ansys Lumerical软件公开使用的一种共形网格技术。FDTD共形网格可以在几乎不增加而外计算资源的前提下，有效的提升仿真精度。
[0003]与阶梯网格对比，不同的共形网格在仿真同一模型，并使用相同分辨率时可以在计算资源不变的情况下提高精度。但是不同的FDTD共形网格生成方法在商业化时，不同平台开发出来的仿真软件在共形网格的计算上也会有微小的差异。这些差异主要由网格生成器的架构和对几何模型信息的处理方式，例如计算一个格子内不同材料填充体积的精确度以及对两种以上材料同时填充一个格子时的处理方式等等，都会在最终生成的网格上表现出差异。

技术实现思路

[0004]为了提高通用型FDTD网格生成器生成网格的质量和效率，本专利技术针对现有的用于二维FDTD的二维轮廓等效介电常数法共形网格不能在三维FDTD中使用的问题，考虑了电磁场的边界条件并将一个场分量网格内同种介质内电磁场看作是均匀分布的，并利用法拉第积分定律和安培积分定律推导出了可用于三维FDTD的三维轮廓等效介电常数共形网格计算方法，除了FDTD以外，此方法也可推广至其他算法所用的六面体网格。
[0005]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于三维CAD的FDTD共形网格自动生成方法：
[0006]利用CAD软件生成基于三角面元的三维模型，在所述三维模型上划分FDTD的网格线；
[0007]根据FDTD网格线对所述三维模型进行纵向射线扫描和横向面扫描，计算出每个边界格子的几何信息和材料信息；
[0008]将边界格子的几何信息和计算的材料信息带入3D
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CP
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EP算法公式组，同时计算出三个方向分量的3D
‑
CP
‑
EP共形网格参数，生成FDTD共形网格模型；所述3D
‑
CP
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EP算法公式组为：
[0009][0010]其中：m为x、y或z中的任一方向，ε
SP
为采样点处的介电常数，ε
l，O
为与m平行且过采样点的扫描线上除ε
SP
以外的材料平均值，r
l，SP
为扫描线上ε
SP
的长度占比，r
l，o
为扫描线上ε
l，o
的长度占比，ε
s，O
为与m垂直且过采样点的扫描面上除ε
SP
以外的材料平均值，r
s，SP
为扫描面上材料ε
SP
的面积占比，r
s，O
为扫描面上ε
s，
的面积占比。
[0011]进一步地，同一个网格内的同种材料内电场均匀分布。
[0012]进一步地，同一个网格内的两种相邻材料内电场关系为：
[0013][0014]其中，与分别为两侧电场，ε1和ε2分别为两种材料的介电常数；为单位矩阵，其几何意义为将电场投影到法向量方向之后的矢量。
[0015]进一步地，使用矩形裁剪算法和线段裁剪算法计算边界格子上各种材料的占比信息和界面法向量信息。
[0016]进一步地，本专利技术还提供一种基于三维CAD的FDTD共形网格自动生成装置，该装置包括：FDTD参数设置数据读取模块和共形网格生成模块；其中，所述FDTD参数设置数据读取模块用于读取由CAD软件生成的基于三角面元的三维模型，并在所述三维模型上划分FDTD的网格线；共形网格生成模块用于所述三维模型进行纵向射线扫描和横向面扫描，计算出每个边界格子的几何信息和材料信息，将边界格子的几何信息和材料信息带入3D
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CP
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EP算法公式组计算出三个方向分量的3D
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CP
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EP共形网格参数，生成FDTD共形网格模型。
[0017]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：本专利技术生成网格的速率有较大幅度提升，与现有的传统网格技术相比本专利技术的计算复杂度更小。在网格质量上也达到了FDTD主流仿真软件的网格质量。并且随着分辨率(单位波长上的网格数)提高，本专利技术表现出了更好的收敛性。
附图说明
[0018]图1为FDTD Yee元胞模型；
[0019]图2为网格内材料分界示意图；其中，(a)平面P0P1P2P3将元胞分割为两部分；(b)扫描面和扫描线与材料分界的相交信息；(c)扫描面ABCD上的材料的几何信息；(d)扫描线EF
上材料的几何信息；
[0020]图3为本专利技术方法中共形网格几何信息处理示意；其中，(a)纵向(平行场分量)线扫描；(b)横向(垂直场分量)面扫描；
[0021]图4为本专利技术基于三维CAD的FDTD共形网格自动生成方法的流程示意图；
[0022]图5为圆环体由表面三角网生成体像素网格的过程；(a)圆环体；(b)；(c)为经过3D
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CP
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EP网格生成器剖分得到的ε
eff，x
体像素模型；(d)为对(c)中模型z方向切片得到的一层体像素；
[0023]图6为本专利技术方法及现有技术对圆环体剖分生成FDTD本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维CAD的FDTD共形网格自动生成方法，其特征在于，包括以下步骤：利用CAD软件生成基于三角面元的三维模型；在所述三维模型上划分FDTD的网格线；根据FDTD网格线对所述三维模型进行纵向射线扫描和横向面扫描，计算出每个边界格子的几何信息和材料信息；将边界格子的几何信息和材料信息带入3D
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CP
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EP算法公式组，同时计算出三个方向分量的3D
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CP
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EP共形网格参数，生成FDTD共形网格模型；所述3D
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CP
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EP算法公式组为：其中：m 为x、y 或z中的任一方向，为采样点处的介电常数，为与m平行且过采样点的扫描线上除以外的材料平均值，为扫描线上的长度占比，为扫描线上的长度占比，为与m垂直且过采样点的扫描面上除以外的材料平均值，为扫描面上材料的面积占比，为扫描面上的面积占比。2.根据权利要求1所述的基于三维CAD的FDTD共形网格自动生成方法，其特征在于：同一个网格内的同种材料内电场均匀分布。3.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜刘革，樊渊，周雨豪，孙崇磊，徐晓，赵佳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：