基于STL文件的复杂铸件表面三角形网格生成算法研究

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表面网格划分是三维数值模拟网格生成的重要步骤,广泛应用于有限元数值模拟中。而随着铸件越来越复杂,以及中性文件(STL文件等)描述铸件模型所引入的大量误差,导致如何基于中性文件进行表面网格的高质量划分,成为了有限元数值模拟在铸造领域特别是复杂铸件上应用的瓶颈问题之一。为此,本文针对基于STL文件描述的复杂铸件模型表面三角形网格生成这一主题进行了较为系统的研究。主要工作如下:首先,提出了基于半边数据结构的STL模型拓扑重建算法。读取STL文件,创建结点、半边和面对象,并构造网格元素之间的拓扑信息,利用半边数据结构记录上述几何、拓扑信息,实现了对STL模型的拓扑重建,解决了STL模型缺乏拓扑信息的问题。将STL模型转换为半边数据结构,能够充分表达网格中的元素,降低网格算法实现难度,为后续算法的高效实现奠定了数据基础。其次,解决了三维表面网格生成中的关键技术。提出了保持特征的子区域划分算法,采用共用同一条边的两个三角面片的夹角大小作为判据对模型特征边进行识别,限制模型的特征边只能存在于子区域的边界,解决了子区域划分导致的模型特征丢失问题。采用二分法对子区域边界进行细分,生成控制点和控制边,在后续算法中保证这些特征点和特征边在子区域网格中存在,从源头上遏制了子区域网格拼接中存在的拓扑不兼容问题。选择子区域中三角面片法向量的矢量和作为投影方向,将三维子区域投影至二维平面,解决了三维网格生成难的问题。利用二维限定Delaunay剖分对投影至二维平面的子区域进行网格生成,确保子区域边界控制点和控制边在子区域网格中得到保持。在反映射过程中引入基于kd tree的最近邻查找算法,降低了算法的时间复杂度,并且提高了算法的鲁棒性。最后,基于上述关键技术,开发了网格生成程序用于实际复杂铸件的表面网格生成。对所生成的网格进行了质量定量分析,并与著名开源网格划分软件NETGEN从鲁棒性和网格质量两方面进行了比较。结果表明,在鲁棒性以及网格质量方面,相较于NETGEN,本文算法均有一定的优势。
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