【深度】基于T-Spline的全自动几何拓扑修复方法

AAS自动化学报中国自动化学会

CAA

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【导读】CAD 模型几何拓扑修复是指：在保证原有CAD模型不失真的前提下, 对CAD 模型中存在的几何瑕疵 (如短边、窄面、退化边、退化面、非连续光滑边界及尖锐特征等) 进行处理, 将存在的“错误”的“脏”几何转换为可满足 CAE 分析的“干净”几何。

池宝涛, 张见明, 鞠传明. 基于T-Spline的全自动几何拓扑修复方法. 自动化学报, 2019, 45(8): 1511-1526.

目前, 通用的商业计算机辅助工程 (Computer aided engineering, CAE) 软件计算仿真流程可分为前处理、中间求解计算、后处理三大模块。其中数值模拟的前处理模块主要用于导入专业计算机辅助设计 (Computer aided design, CAD) 软件构建的几何模型的标准数据文件或对已有的 CAE 几何模型进行简单操作或修改、网格生成、施加边界条件及定义物理属性和求解参数等。复杂问题数值模拟难以实现自动化的主要性能瓶颈在于前处理涉及大量的人工交互, 且其效率高低严重依赖于用户经验和知识水平。根据美国 Sandia 国家实验室提供的数据, 在数值模拟过程中, 前处理模块的用时占据了整个数值模拟过程用时的绝大部分, 其中对于 CAD 模型的处理用时占60 %, 网格生成用时占20%, 而真正用于数值计算的时间仅占整个数值模拟过程的4%左右, 因此, 实现前处理的自动化是提高全自动 CAE 分析效率和精度的关键。然而, 由于高质量的网格生成及高效可靠的CAE 分析对几何模型通常有特殊的要求, 而初始输入的几何模型由于其来源的多样化, 在进行 CAD几何模型设计时没有考虑或很难预见到这些特殊的要求, 因此在导入到 CAE 系统后的几何模型通常会引入几何“噪声”。

美国 Sandia 国家实验室数值模拟过程用时数据统计

CAD 模型的几何“噪声”种类难以尽数, 且其来源及其产生原因多种多样, 主要可归纳为以下几类:

1) CAD 模型在几何造型设计制造时存在缺陷。在传统的几何造型设计及产品研发过程中, 几何形状设计与物理分析方法完全分属不同的工程领域, 设计者主要关注 CAD 模型的构建, 而忽视不理想的几何特征对后续物理分析的影响。

2) 不同系统之间的数据传递造成的 CAD 模型几何数据及拓扑信息缺失。在常见的传统商业软件中, CAD 系统与 CAE系统两者相互独立, 两者之间无法进行交互。在进行产品设计或性能分析时, 需要将 CAD 模型导入到CAE 系统中, 在此数据传递过程中会造成原始几何数据及拓扑信息的丢失。

3) 在传统的工程分析计算中, CAE 分析模型的模型描述往往对原始 CAD几何模型进行修改或简化, 无法体现几何设计模型中包含的复杂且精确的几何信息, CAE 分析模型与CAD 几何模型不统一, 且两者之间存在巨大差异, 导致 CAE 分析自动化程度低。

钢架焊缝模型中常见的几何噪声

汽车桥壳模型中常见的几何噪声

CAD 模型中常见的非理想几何特征

何实现CAE与CAD真正的无缝连接，提高CAE技术的自动化水平？从高质量曲面网格生成的需求出发, 本文提出了一种基于 T-Spline 的全自动几何拓扑修复方法。该方法创新性主要可归纳为:

1) 对原有CAD 几何模型不进行任何修改保留其本真, 自动识别 CAD 几何模型中常见不必要的几何特征, 成功解决了 CAD 几何模型中存在的几何瑕疵, 如短边、窄面、退化边、退化面、非连续光滑边界及尖锐特征等, 利用新生成的“虚边”、“虚面”处理几何瑕疵, 同时通过虚拓扑重构 CAD 几何模型的 B-Rep;

2) 开发了一套 CAD/CAE 集成系统, 统一了几何模型与计算分析模型, 实现CAE 与CAD 两者的无缝集成, 所有拓扑修复操作及后续 CAE 分析计算均在同一环境下进行, 避免了几何模型在 CAE 与 CAD 系统间进行转换时造成的数据丢失。实验表明, 在保证不失真的前提下, 该方法能够对复杂实体实现全自动几何拓扑修复及网格生成, 修复后的几何模型能够生成质量良好的网格且能降低网格的生成规模，可以满足工程实际分析的需要。

完整实体 CAE 分析软件界面