自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計(jì)技術(shù)

1、自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計(jì)技術(shù)羅堯治浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心第十四屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)2004公曉鶯空間結(jié)構(gòu)曲面生成與網(wǎng)格劃分技術(shù)研究2005張 浩空間結(jié)構(gòu)曲面造型算法及程序?qū)崿F(xiàn)2006岑培超空間結(jié)構(gòu)參數(shù)曲面描述及網(wǎng)格劃分算法2009李 娜空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)研究與實(shí)現(xiàn)2014丁 慧自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)現(xiàn)已有的研究工作空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何造型規(guī)則形態(tài)自由形態(tài) 自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)整體幾何形態(tài)不能用解析函數(shù)精確表達(dá)或擬合，而能以自由方式變化的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)定義計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)基于實(shí)物模型的設(shè)計(jì)基于力學(xué)原理的設(shè)計(jì)仿生設(shè)計(jì) 幾何造型設(shè)計(jì)網(wǎng)格生成網(wǎng)格優(yōu)

2、化調(diào)整網(wǎng)格模型曲面點(diǎn)云自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程映射法波前推進(jìn)法鋪砌法Delaunay法細(xì)分法四叉/八叉樹法 曲面點(diǎn)云幾何造型設(shè)計(jì)網(wǎng)格生成網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)格模型自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程幾何優(yōu)化基于結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化綜合優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)方法幾何造型設(shè)計(jì)網(wǎng)格生成網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)格模型自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程陽光谷網(wǎng)格優(yōu)化過程（李承銘. 土木工程學(xué)報(bào). 2011）網(wǎng)格設(shè)計(jì)網(wǎng)格設(shè)計(jì)任務(wù)：（1）確定網(wǎng)格形狀；（2）選擇合適的方法生成網(wǎng)格；（3）根據(jù)需要，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化；（4）結(jié)合約束條件調(diào)整網(wǎng)格。幾何造型設(shè)計(jì)網(wǎng)格生成網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)格模型自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計(jì)曲面網(wǎng)格設(shè)計(jì)點(diǎn)云網(wǎng)格設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單自

3、由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計(jì)自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計(jì)曲面網(wǎng)格設(shè)計(jì)點(diǎn)云網(wǎng)格設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單自由曲面是指單片的，未經(jīng)裁剪等附加操作的B樣條曲面。簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成等參線:B樣條曲面的u(或w)參數(shù)取常數(shù)，曲面的另一個(gè)參數(shù)在其定義域內(nèi)連續(xù)變化，在曲面上掃描出的一條曲線。等參線分割法曲面提取等參線等參線分割連接節(jié)點(diǎn)空間網(wǎng)格簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成基本原理：利用B 樣條曲面的張量積特性，通過提取等參線，將二維的曲面網(wǎng)格劃分問題，降為一維的曲線分割問題。等參線分割法割線法求解，收斂標(biāo)

4、準(zhǔn)：等分弦長(zhǎng)簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成四邊形邊界三角形邊界圓形邊界旋轉(zhuǎn)型普通型簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成四邊形邊界曲面簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成四邊形邊界曲面四邊形網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格:連接對(duì)角線，連接方式有三種，對(duì)角線全部向左傾斜、對(duì)角線全部向右傾斜以及選擇較優(yōu)方向傾斜。簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成四邊形邊界曲面簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成三角形邊界曲面1“縮格”式網(wǎng)格的劃分模式2 三向網(wǎng)格劃分模式簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成三角形邊界曲面簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成圓形邊界曲面肋環(huán)型 簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成施威德勒型、聯(lián)方型簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成施威德勒網(wǎng)格聯(lián)方網(wǎng)格凱威特型凱威特型網(wǎng)格生成：先將曲面平均分割為三角形面片，按照三角形邊界曲面中的

5、三向網(wǎng)格生成方法劃分三角形網(wǎng)格。簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成圓形邊界曲面簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成聯(lián)方型網(wǎng)格肋環(huán)型網(wǎng)格凱威特型網(wǎng)格桿件長(zhǎng)度指標(biāo)形狀質(zhì)量指標(biāo)三角形的形狀質(zhì)量系數(shù)四邊形的形狀質(zhì)量系數(shù)簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成網(wǎng)格評(píng)價(jià)指標(biāo)簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成映射法生成的網(wǎng)格等參線分割法生成的網(wǎng)格曲面網(wǎng)格單元數(shù)量SL/m/m曲面映射法15550.7090.2706059.83.8971.6780.221等參線分割法15550.8970.2006104.93.9261.2760.577曲面映射法16050.7160.1733961.12.4680.7960.305等參線分割法7020.9100.0822457.03.500

6、0.6250.486簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成網(wǎng)格質(zhì)量比較自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計(jì)曲面網(wǎng)格設(shè)計(jì)點(diǎn)云網(wǎng)格設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計(jì) 實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的很多自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無法歸入簡(jiǎn)單自由曲面的任一類，它們有著更加復(fù)雜的邊界形狀，這一類自由曲面稱之為復(fù)雜邊界自由曲面。復(fù)雜邊界曲面生成的重要途徑是曲面裁剪。復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成相關(guān)定義復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成等參域邊界三維空間邊界網(wǎng)格生成基本原理直接裁剪網(wǎng)格復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成Step1.在原始曲面生成網(wǎng)格；Step2.求每根等參線與邊界線的交點(diǎn)；Step3. 判斷每條等參線兩個(gè)交點(diǎn)

7、之間的網(wǎng)格數(shù)量；Step4.將每條等參線兩交點(diǎn)之間的區(qū)段等分;Step5.處理兩條相鄰等參線間的邊界線；Step6.連接所有等分形成的節(jié)點(diǎn)，生成網(wǎng)格。網(wǎng)格生成基本原理復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成算法優(yōu)化曲面分塊目的：在網(wǎng)格劃分過程中保留曲面特征。方式：只在平行于等參線的方向進(jìn)行，以所有裁剪線的端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等參線為分割線。復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成基本原理相切處理為使交點(diǎn)之間的曲面和空洞依然滿足間隔出現(xiàn)的規(guī)律，當(dāng)?shù)葏⒕€與裁剪線相切時(shí)，增加虛擬交點(diǎn)。等參線與裁剪線的兩個(gè)交點(diǎn)距離很近不足一格時(shí)，也按相切處理。復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成極小單元?dú)w并 當(dāng)邊線與等參線距離過近，幾乎相切時(shí)，會(huì)導(dǎo)

8、致小角度的畸形網(wǎng)格，需要將這些狹長(zhǎng)的網(wǎng)格與相鄰網(wǎng)格單元合并。網(wǎng)格生成算法優(yōu)化復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成算法流程復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成神木少年宮復(fù)雜邊界自由曲面的網(wǎng)格生成自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計(jì)曲面網(wǎng)格設(shè)計(jì)點(diǎn)云網(wǎng)格設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計(jì) 基于實(shí)物的設(shè)計(jì)是自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何造型設(shè)計(jì)的一個(gè)重要途徑，該類設(shè)計(jì)方法必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)是采集實(shí)物的外形信息，通過三維掃描得到一系列實(shí)物表面的坐標(biāo)點(diǎn)（即點(diǎn)云）。面

9、向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成點(diǎn)云曲面網(wǎng)格逆向工程實(shí)物3D掃描1）精減數(shù)據(jù)，剔除雜點(diǎn)與噪點(diǎn)；2）對(duì)多視圖掃描的點(diǎn)云進(jìn)行拼合處理等。采用與Shining 3D 三維掃描儀配套的掃描軟件。運(yùn)用AFT方法，將點(diǎn)云作為剖分對(duì)象，進(jìn)行網(wǎng)格生成。對(duì)原方法進(jìn)行改進(jìn)，建立能適應(yīng)非連續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的網(wǎng)格生成方法。設(shè)計(jì)思路面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成點(diǎn)云邊界搜索點(diǎn)C：R鄰域的坐標(biāo)形心點(diǎn)點(diǎn)P：當(dāng)前已知邊界點(diǎn)R鄰域：半徑取平均點(diǎn)距的m倍面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成搜索盒空間分割，建立數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的幾何拓?fù)?空間位置)關(guān)系。面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成波前推進(jìn)法AFT面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成前沿推進(jìn)方法123456當(dāng)前前沿鄰居狀態(tài)三

10、角形閉合四邊形閉合推進(jìn)后圖形面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成123新節(jié)點(diǎn)生成面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成123新節(jié)點(diǎn)生成面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成最優(yōu)點(diǎn)的搜索范圍：正面積準(zhǔn)則面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成新節(jié)點(diǎn)生成123面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成123新節(jié)點(diǎn)生成面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成質(zhì)量系數(shù)形狀長(zhǎng)度相交判斷準(zhǔn)則面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成流程點(diǎn)云分裝點(diǎn)云邊界搜索離散邊界根據(jù)前沿鄰居情況，推進(jìn)前沿更新活躍前沿庫有新的活躍前沿產(chǎn)生結(jié)束是否面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格生成自由形態(tài)網(wǎng)格設(shè)計(jì)曲面網(wǎng)格設(shè)計(jì)點(diǎn)云網(wǎng)

11、格設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單自由曲面網(wǎng)格生成復(fù)雜自由曲面網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格生成點(diǎn)云網(wǎng)格優(yōu)化調(diào)整自由形態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計(jì)1）直接采用AFT法在點(diǎn)云上生成的網(wǎng)格，在形狀和均勻性方面還不是很理想，仍有優(yōu)化的空間。2）在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)格設(shè)計(jì)的過程經(jīng)常需要處理一些內(nèi)部約束條件。面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整網(wǎng)格的優(yōu)化優(yōu)化方法Delaunay優(yōu)化Laplacian優(yōu)化最小內(nèi)角最大準(zhǔn)則優(yōu)化幾何拓?fù)淦骄瓌t網(wǎng)格光順優(yōu)化面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整=0.075=0.041面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整=0.073=0.035=0.068=0.028面向3D掃描點(diǎn)云的網(wǎng)格優(yōu)化與調(diào)整約束調(diào)整點(diǎn)約束調(diào)整線約束調(diào)整在Laplacian優(yōu)化階段進(jìn)行調(diào)整線約束主要是指點(diǎn)云內(nèi)部的孔洞的邊界面向3D掃