一种基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法技术

本发明专利技术属于电数字数据处理技术领域，涉及平行六面体体积平均共形网格剖分方法。一种基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法，包括：用CAD对物体进行建模，得到三角网模型；对仿真空间进行平行六面体网格划分；读取三角网模型和平行六面体网格，计算出该模型的阶梯网格；遍历所有三角形，计算每个三角形的包围盒；遍历包围盒内的体像素，检测包围盒内的体像素与三角形的碰撞情况，得到体像素集合和每一个体像素对应的与其碰撞的三角形集合；遍历体像素集合，计算不同材料在体像素内的填充体积和体积平均等效材料系数，更新阶梯网格中的材料系数，得到平行六面体体积平均共形网格。本发明专利技术的方法计算速度快、精度高并且计算复杂度低。复杂度低。复杂度低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法


[0001]本专利技术属于电数字数据处理
，具体涉及平行六面体体积平均共形网格剖分方法。

技术介绍

[0002]网格剖分的优化是数值计算中十分重要的一步，有限差分法用常用的网格为平行六面体网格（体像素网格），例如电磁场时域有限差分法(FDTD)。而平行六面体网格一个格子只能为一种材料，故在对弯曲表面建模时会呈现阶梯形状，势必会降低网格的可靠性，因此许多共形网格技术被提出来，其中最具有通用性和代表性的是体积平均网格，即格子的材料系数由格子内部所有填充的材料根据体积占比进行加权平均得到，根据具体数值计算使用的物理公式不同，还可以在体积平均的基础上改进，例如FDTD的极化体积平均网格则在体积平均的基础上添加了材料分界面的法向量信息。已公开的体积平均网格计算方法多采取近似法，例如格内采样法和表面填充估算法等。格内采样法即在一个格子内均匀的放上采样点，而格子的材料系数就是格内所有采样点处材料系数的平均数，例如Lumerical FDTD 软件中的dielectric volume average 便是采用此种方法；表面填充估算法则是计算出平行六面体六个面上的材料填充面积，并使用这些信息估算材料在格子内部的填充体积，例如Lumerical FDTD 软件中的volume average 采用此种类似的方法。传统的格内采样法计算体像素填充体积需要计算的越精确，则需要越多的体像素内采样点，存在网格精度低，计算速度慢、和计算量大等缺点。表面填充估算法则存在计算精度低的缺陷。r/>
技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法，该方法可以将三维高斯三角网（闭合三角网）根据体积平均计算方式转换为平行六面体网格，并且此过程中计算的格内体积都是精确的体积。除FDTD以外，该方法可用于任何使用平行六面体网格计算的算法。
[0004]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法，包括以下步骤：1、使用CAD对物体进行建模，得到描述该物体的三角网模型；对仿真空间进行平行六面体网格划分，得到一系列体像素；2、读取三角网模型和平行六面体网格，计算出该模型的阶梯网格；遍历三角网模型中的所有三角形，计算每个三角形的包围盒；3、遍历与包围盒发生交叠碰撞的体像素，使用分离面定理检测包围盒内的体像素与三角形的碰撞情况，如果发生碰撞则将三角形添加到该体像素的三角形集合中；遍历完所有三角形，得到位于目标模型边界处的体像素集合和集合中每一个体像素对应的与其碰撞的三角形集合；4、遍历体像素集合，并调出与其碰撞的三角形集合，计算三角形留在该体像素内
部的部分，使用平行六面体裁剪三角形算法，得到分割曲面，并根据分割曲面与体像素的上顶面的相交情况填补顶面上的多边形，得到遮荫面；使用阴影体积算法计算出不同材料在体像素内的填充体积；计算每个体像素的体积平均等效材料系数，利用计算得到的体像素的体积平均等效材料系数更新阶梯网格中的材料系数，得到平行六面体体积平均共形网格。
[0005]进一步地，所述分离面定理具体为：对于任意两个凸多面体，若存在一个分离面，使得单个凸多面体所有顶点在该分离面的同侧，并且该两个凸多面体各自的所有顶点分别位于该分离面的两侧，则该两个凸多面体没有重合，不发生碰撞。
[0006]进一步地，所述平行六面体裁剪三角形算法具体包括：首先使用3D
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Liang
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Barsky算法，将平行六面体作为三维窗口对三角形的每条边进行裁剪，得到留在三维窗口内部的部分，再使用三维窗口的六个边界面分别对三角形进行求交线计算，交线只保留在三维窗口内部的部分，所有裁剪得到的线段都是有向线段，所有的有向线段首尾相连得到多边形；遍历三角形集合后得到多个多边形，这些多边形彼此相连形成一个分割曲面。
[0007]进一步地，若分割曲面边界与体像素的上顶面相交，则在体像素的上顶面填补一个多边形，填补的多边形与分割曲面相加得到遮荫面。
[0008]进一步地，填补多边形的方法为：计算分割曲面留在体像素上顶面的边集合，将起点端的有向线段反向延长至无穷远，将终点端的有向线段正向延长至无穷远，得到广义多边形，通过Sutherland
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Hodgman裁剪算法使用体像素上顶面的四条边依次对广义多边形进行裁剪，裁剪完成后得到填补的多边形。
[0009]进一步地，阴影体积算法具体为：将遮荫面拆分为多个平面多边形，每一个平面多边形与其在体像素底面上的投影构成一个不规则柱体，将不规则柱体拆分为多个上顶面倾斜的不规则三棱柱，不规则三棱柱的体积计算见公式为：；其中，、、为不规则三棱柱的三个高，s为不规则三棱柱的底面积，v为不规则三棱柱的体积；将每一个不规则柱体中包含的所有不规则三棱柱的体积相加，得到该多面体的阴影体积；按照遮荫面上多边形的外法向量区分内外，将位于遮荫面以内的所有不规则柱体的阴影体积添加正号，位于遮荫面以外的所有不规则柱体的阴影体积添加负号；将所有带符号的阴影体积求和，得到遮荫面的阴影体积，当遮荫面的阴影体积为正数时，其为目标模型留在体像素内部的体积，当遮荫面的体积为负数时，目标模型留在体像素内部的体积为体像素体积加上遮荫面的体积。
[0010]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：与现有的商业软件对比，在同一模型网格剖分下，本专利技术所用的时间明显更少。本专利技术提出的算法在速度上超过Lumerical FDTD网格生成器，并且随着网格规模变大其速度优势进一步体现出来，这归结于本专利技术拥有更少的计算复杂度，并且生成的体积平均共形网格的精度没有来自估算和离散采样上的损失。
附图说明
[0011]图1为本专利技术的基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法的流程示意图；图2为三角形以及其包围盒示意图；图3为分离轴定理示意图；图4为体像素对三角形裁剪示意图；图5为体像素以及与它相碰撞的所有三角形；图6为体像素中分割曲面和上顶面填补的多边形示例；其中，（a）阴影部分为由多边形和组成的分割曲面；（b）阴影部分为填补的多边形；图7为体像素上顶面与分割曲面相交示例；图8 为使用左、右两边对广义多边形进行裁剪；其中，（a）表示使用左边所在直线进行裁剪；（b）表示使用右边所在直线进行裁剪；图9为使用下、上两边对广义多边形进行裁剪；其中，（a）表示使用下边所在直线进行裁剪；（b）表示使用上边所在直线进行裁剪；图10为遮荫面和光线示意图；图11为不规则多棱柱分解为不规则三棱柱的示意图；图12为圆环体三角网模型；图13为圆环体体积平均体像素模型；图14为玩具飞机三角网模型；图15为玩具飞机体积平均体像素模型；图16为圆环体在不同分辨率下网格生成用时对比图（纵坐标为所用时间，横坐标为x轴网格数）。
具体实施方式
[0012]下面将结合本专利技术的实施例和附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、使用CAD对物体进行建模，得到描述该物体的三角网模型；对仿真空间进行平行六面体网格划分，得到一系列体像素；（2）、读取三角网模型和平行六面体网格，利用光线追踪算法计算出该模型的阶梯网格；遍历三角网模型中的所有三角形，计算每个三角形的包围盒；（3）、遍历与包围盒发生交叠碰撞的体像素，使用分离面定理检测包围盒内的体像素与三角形的碰撞情况，如果发生碰撞则将三角形添加到该体像素的三角形集合中；遍历完所有三角形，得到位于目标模型边界处的体像素集合和集合中每一个体像素对应的与其碰撞的三角形集合；（4）、遍历体像素集合，并调出与其碰撞的三角形集合，计算三角形留在该体像素内部的部分，使用平行六面体裁剪三角形算法，得到分割曲面，并根据分割曲面与体像素的上顶面的相交情况填补顶面上的多边形，得到遮荫面；使用阴影体积算法计算出不同材料在体像素内的填充体积；计算每个体像素的体积平均等效材料系数，利用计算得到的体像素的体积平均等效材料系数更新阶梯网格中的材料系数，得到平行六面体体积平均共形网格。2.根据权利要求1所述的基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法，其特征在于，所述分离面定理具体为：对于任意两个凸多面体，若存在一个分离面，使得单个凸多面体所有顶点在该分离面的同侧，并且该两个凸多面体各自的所有顶点分别位于该分离面的两侧，则该两个凸多面体没有重合，不发生碰撞。3.根据权利要求1所述的基于CAD的平行六面体体积平均共形网格剖分方法，其特征在于，所述平行六面体裁剪三角形算法具体包括：首先使用3D
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Liang
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Barsky算法，将平行六面体作为三维窗口对三角形的每条边进行裁剪，得到留在三维窗口内部的部分，再使用三维窗口的...

【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：上海曼光信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：