一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法
【專利摘要】一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，步驟一：對(duì)實(shí)物掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；二：將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3-matic軟件中，調(diào)整好模型的位置；三：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、采樣處理；四：點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)三維重建：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，生成面網(wǎng)格模型；五：對(duì)模型進(jìn)行薄壁特征分析，了解模型基本結(jié)構(gòu)；六：對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行三維修復(fù)，使模型邊緣與實(shí)物缺損輪廓相匹配；七：根據(jù)需求對(duì)模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使模型結(jié)構(gòu)更合理及滿足設(shè)計(jì)需求；八：對(duì)再設(shè)計(jì)后的模型重新劃分網(wǎng)格；九：生成體網(wǎng)格，附加材料屬性，并將新模型保存能直接進(jìn)行有限元分析的格式；十：有限元分析。它縮減掃描數(shù)據(jù)處理的時(shí)間和FEA/CFD前處理時(shí)間，方便對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【專利說明】—種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，可應(yīng)用于數(shù)字化三維實(shí)體建模，解決數(shù)字化三維模型的STL格式文件無法直接生成三維實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析的問題，屬于數(shù)字化三維實(shí)體模型重建領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]逆向工程(RE)技術(shù)和有限元(FEM)技術(shù)是近年來較多用于新產(chǎn)品開發(fā)過程中的兩種設(shè)計(jì)分析方法，分別在新產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量分析檢測以及優(yōu)化領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而目前兩者之間缺乏快速有效的銜接。逆向工程(RE)生成的三維模型多以STL格式為主，傳統(tǒng)的STL模型是以三角形集合來表示物體外輪廓形狀的幾何模型，僅僅記錄了物體表面的幾何位置信息，難以準(zhǔn)確表達(dá)零件的其它特性，如質(zhì)量、重心等，而且分析的前處理特別困難，在現(xiàn)有的三維實(shí)體造型軟件中也不能直接進(jìn)行編輯、修改。由于逆向設(shè)計(jì)無法完全做到類似于三維實(shí)體造型軟件的特征建模和參數(shù)化，尤其在設(shè)計(jì)過程中為實(shí)現(xiàn)實(shí)體的某特征，經(jīng)常需要采用切割等布爾運(yùn)算，從而極易破壞模型的參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)模型的任意修改也比較困難。對(duì)于一些非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，若單純采用逆向設(shè)計(jì)的手段，很難得到滿意的結(jié)果。
[0003]目前國內(nèi)外常見的三維實(shí)體模型重建方法有兩種，一種是基于曲面特征的逆向工程三維模型重建，即將生成的曲面模型導(dǎo)入三維建模軟件(CATIA、UG等)中識(shí)別并提取出平面、圓柱面、球面、圓錐面等面特征，然后基于識(shí)別和選取的點(diǎn)云直接擬合成規(guī)則曲面。剩下的自由曲面區(qū)域的點(diǎn)云可擬合成曲面，并調(diào)整曲面的控制點(diǎn)以平衡曲面的擬合精度和光順性要求。這種模型重建方法重建精度高，但是此方法沒有考慮各特征之間的約束關(guān)系，也未進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，重建的三維模型不易還原設(shè)計(jì)意圖；另一種是基于截面特征的逆向工程三維模型重建，即將曲面模型輸出到三維建模軟件中，通過曲面間的求交、裁剪、過渡等運(yùn)算拼接成整體的曲面模型，然后通過曲面加厚操作生成實(shí)體模型。基于截面特征的逆向工程三維模型重建方法在片體加厚過程中經(jīng)常會(huì)遇到類似“片體無法加厚”、網(wǎng)格曲面構(gòu)造線紊亂等問題，需要對(duì)曲面進(jìn)行反復(fù)修改。而且片體加厚形成的實(shí)體與實(shí)際的模型并不是完全相符，這是因?yàn)閷?shí)際的產(chǎn)品要考慮到生產(chǎn)的可行性，對(duì)某些細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了修改。
[0004]以上兩種方法在三維實(shí)體模型重建方面都做出了貢獻(xiàn)，但仍存在不足之處，具體表現(xiàn)在:
[0005]1、建模周期長。雖然逆向工程節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，但在三維模型重建過程中需要提取特征、截面的等特征，然后經(jīng)過求腳、拼接等方法建立實(shí)體模型，建模周期較長；
[0006]2、格式轉(zhuǎn)換造成的誤差。多個(gè)軟件間模型格式相互轉(zhuǎn)換可能造成模型數(shù)據(jù)的誤差和重要特征信息的丟失，影響后續(xù)的分析優(yōu)化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一)發(fā)明目的
[0008]本發(fā)明提出一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其目的在于解決數(shù)字化三維模型的STL格式文件無法直接生成三維實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析的問題。采用基于3-matic( “3-matic”是指逆向工程軟件)的有限元前處理技術(shù)能直接對(duì)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三角片網(wǎng)格或者三維文檔進(jìn)行操作，生成三維實(shí)體模型，并能直接進(jìn)行有限元分析，有利于逆向工程(RE)技術(shù)和有限元分析(FEA)的無縫結(jié)合，最大限度地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和制造成本。該方法均在一個(gè)軟件中操作，避免了格式轉(zhuǎn)換造成的誤差和數(shù)據(jù)丟失，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，該方法是以專業(yè)掃描設(shè)備及逆向工程軟件(3-matic)為手段，通過對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行掃描，獲取實(shí)物內(nèi)外表面輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為逆向工程軟件(3-matic)可接收的接口數(shù)據(jù)，然后逆求出實(shí)物模型的曲面數(shù)據(jù)，進(jìn)而生成新的實(shí)體模型，為后續(xù)運(yùn)用CAE軟件(ABAQUS)對(duì)新的實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析做準(zhǔn)備。
[0011]本發(fā)明一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，具體步驟如下:
[0012]步驟一:對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0013]步驟二:將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3-matic軟件中，調(diào)整好模型的位置；
[0014]步驟三:對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、采樣處理；
[0015]步驟四:點(diǎn)云數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)三維重建:對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，生成面網(wǎng)格模型；
[0016]步驟五:對(duì)模型進(jìn)行薄壁特征分析，了解模型基本結(jié)構(gòu)；
[0017]步驟六:對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行三維修復(fù)，使模型邊緣與實(shí)物缺損輪廓相匹配；
[0018]步驟七:根據(jù)實(shí)際需求對(duì)模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使模型結(jié)構(gòu)更合理，滿足設(shè)計(jì)需求；
[0019]步驟八:對(duì)再設(shè)計(jì)后的模型重新劃分網(wǎng)格；
[0020]步驟九:生成體網(wǎng)格，附加材料屬性，并將新模型保存為可直接進(jìn)行有限元分析的格式；
[0021]步驟十:有限元分析。
[0022]其中，在步驟一中所述的“獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)”，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指通過3D掃瞄儀獲取的海量點(diǎn)數(shù)據(jù)；“獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)”的設(shè)備是優(yōu)選關(guān)節(jié)臂、激光掃描系統(tǒng)、非接觸式三維獲取儀三維掃描設(shè)備中的一種，方法優(yōu)選是關(guān)節(jié)臂掃描、激光掃描系統(tǒng)掃描、非接觸式三維獲取儀掃描中的一種。
[0023]其中，在步驟三中所述的“去噪”是指去除掃描過程中由于測量設(shè)備精度、被測物體表面質(zhì)量、環(huán)境、人為因素而產(chǎn)生的誤差(噪聲點(diǎn))，這樣點(diǎn)的排列會(huì)更平滑；所述的“采樣”是指以規(guī)定密度減少曲面上的點(diǎn)數(shù)目，保證后續(xù)操作的順暢。
[0024]其中，在步驟四中所述的“封裝”是指將點(diǎn)云轉(zhuǎn)為網(wǎng)格以將點(diǎn)對(duì)象轉(zhuǎn)成多邊形對(duì)象。封裝是用許多細(xì)小的空間三角形來逼近還原實(shí)體模型。
[0025]其中，在步驟六中所述的“對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行三維修復(fù)”，是由于被測模型本身的幾何拓?fù)?、遮擋效?yīng)、破損以及不同站之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接存在縫隙，會(huì)導(dǎo)致部分表面無法測量及掃描的點(diǎn)云模型存在數(shù)據(jù)破損的現(xiàn)象?？赏ㄟ^填充孔命令將這些缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊，進(jìn)行三維修復(fù)，其修復(fù)的方法包括調(diào)整法向、粘貼縫隙、補(bǔ)洞。
[0026]其中，在步驟七中所述的“再設(shè)計(jì)”，即在原有模型的基礎(chǔ)上添加新的設(shè)計(jì)以滿足設(shè)計(jì)要求及改進(jìn)原有設(shè)計(jì)缺陷。再設(shè)計(jì)過程可以運(yùn)用到草圖、網(wǎng)格模型階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有模型的更新。再設(shè)計(jì)對(duì)于具體例子有不同的設(shè)計(jì)方法。若無需添加新設(shè)計(jì)，則此步驟可跳過。
[0027]其中，在步驟八中所述的“重新劃分網(wǎng)格”，其目的是使三角片網(wǎng)格的形狀更接近等邊三角形，這樣后期仿真計(jì)算的結(jié)果更接近真實(shí)情況。采用三角形、四邊形、四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用網(wǎng)格數(shù)量、邊長及曲率來控制網(wǎng)格的質(zhì)量。
[0028]其中，在步驟九中所述的“生成體網(wǎng)格”，其原因是三維實(shí)體模型是有限元分析的模型基礎(chǔ)，有限元分析時(shí)直接在實(shí)體模型上加載，因?yàn)閷?shí)體模型是獨(dú)立于有限元網(wǎng)格的，重新劃分網(wǎng)格及局部網(wǎng)格修改時(shí)將不影響載荷，即不需要重新加載，這樣使得加載操作變得更容易。所述的“可直接進(jìn)行有限元分析的格式優(yōu)選”，是優(yōu)選inp”、“.cdb”、“.mphtxt”、“.msh ”、“.nas ”、“.0ut ” 中的一種。
[0029]其中，在步驟十中所述的“有限元分析”，是選用ABAQUS、ANSYS、Comsol、FLUENT、Nastran, Patran軟件中的一種進(jìn)行有限元分析。將生成的實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行計(jì)算求解，采集處理分析結(jié)果。
[0030](三)優(yōu)點(diǎn)及有益效果
[0031]本發(fā)明提出了一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，該方法具有以下優(yōu)勢:
[0032]1、大大縮減掃描數(shù)據(jù)處理的時(shí)間。3-matic軟件通過直接對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重建和操作設(shè)計(jì)的工具，提供了一個(gè)可選的快速處理方式，將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)格。節(jié)約了大量的時(shí)間。
[0033]2、減少模型準(zhǔn)備時(shí)間。使用3-matic軟件將不同格式的三維文件合并在一起，進(jìn)行文件修復(fù)。傳統(tǒng)三維軟件中復(fù)雜的修復(fù)操作可以在3-matic軟件中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
[0034]3、大大縮減FEA/CFD前處理時(shí)間。3-matic提供了 FEA/CFD和虛擬成型地快捷方式?？梢詫⒉煌愋臀募缀文Ｐ秃铣傻揭粋€(gè)項(xiàng)目中并且進(jìn)行高度自動(dòng)化地網(wǎng)格優(yōu)化。原來需要花費(fèi)一個(gè)月時(shí)間地工作可以在一周甚至幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)輕松完成，縮短了 FEA/CFD前處理時(shí)間。
[0035]4、避免不同軟件間模型格式的相互轉(zhuǎn)換造成的模型誤差和重要數(shù)據(jù)丟失，極大程度地還原了模型。
[0036]5、可在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯、修改，方便對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明所述方法的流程框圖。
[0038]圖中“ 3-mat i c ”是指逆向工程軟件

【具體實(shí)施方式】
[0039]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的介紹。
[0040]本發(fā)明一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，見圖1所示，其具體步驟如下:
[0041]步驟一:采用關(guān)節(jié)臂對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0042]步驟二:將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3-matic軟件中，調(diào)整好模型的位置。
[0043]步驟三:利用3-matic 中的 Point Cloud 模塊的 “Reduce Noice”、“Subsample”、“Split”功能對(duì)導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。先去除體外孤點(diǎn)和噪音點(diǎn)，保證網(wǎng)格化過程的準(zhǔn)確性；再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣處理，減少點(diǎn)云數(shù)量，保證后續(xù)操作的順暢；還需要對(duì)小特征進(jìn)行清除、修改和模型簡化。
[0044]步驟四:對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格操作，根據(jù)已有點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過表面三角剖分法形成網(wǎng)格化模型。
[0045]步驟五:對(duì)模型的曲率和薄壁區(qū)域結(jié)構(gòu)，可以利用3-matic中的Analyze模塊進(jìn)行曲率和薄壁厚度分析，曲率和薄壁厚度可以用色彩清晰地標(biāo)識(shí)出來，以便進(jìn)行觀察和檢測。然后對(duì)薄壁區(qū)域進(jìn)行局部優(yōu)化，以獲得最優(yōu)CFD分析模型。
[0046]步驟六:若多次掃描，還需要通過“Mesh Data”和“Mesh Range Data”將網(wǎng)格化后的結(jié)果融合，融合后的數(shù)據(jù)通過修復(fù)模塊下的“Glue Meshes”操作將重疊的部位粘成一個(gè)整體。
[0047]步驟七:得到完整的網(wǎng)格化模型后，針對(duì)該模型存在的問題逐一進(jìn)行修復(fù)主要包括調(diào)整法向，孔洞的填補(bǔ)，將狹長三角面片進(jìn)行替換、光順、修整邊界操作。
[0048]步驟八:利用3-matic中的Design模塊根據(jù)實(shí)際需求對(duì)模型的外形、結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男驮O(shè)計(jì)，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、改變參數(shù)操作，獲得新的模型。
[0049]步驟九:利用3-matic中的Remesh模塊,根據(jù)新模型的尺寸，選擇合適的“Shapequality threshold'“Maximum geometrical error”和“ Maximum triangle edge length，，參數(shù)對(duì)新模型面網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分和優(yōu)化，提高網(wǎng)格質(zhì)量，還需要進(jìn)行單元調(diào)整。
[0050]步驟十:根據(jù)新模型的尺寸選擇合適的“Maximum edge length”、“Shapemeasure”和“Shape quality threshold”參數(shù)生成體網(wǎng)格,并可附加材料屬性，為有限元分析做準(zhǔn)備。
[0051]其中，步驟一中獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)STL格式儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。3-matic具有強(qiáng)大的STL編輯功能，可以直接從掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)開始進(jìn)行設(shè)計(jì)。不但具有對(duì)STL三角片曲面進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、陣列、延誤曲線掃描和抽殼普通三維操作功能，還具有強(qiáng)大的STL錯(cuò)誤修復(fù)功能，可以在不損壞模型的基礎(chǔ)上修復(fù)所有STL錯(cuò)誤。
[0052]步驟三中所述的“體外孤點(diǎn)”是指與模型多數(shù)點(diǎn)保持一定距離的點(diǎn)?！霸胍酎c(diǎn)”是指掃描過程中由于測量設(shè)備精度、被測物體表面質(zhì)量、環(huán)境、人為因素而產(chǎn)生的誤差。
[0053]步驟四中所述的“三角剖分法”是指把離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)集(無論是二維平面還是三維空間)連接成不均勻的三角形網(wǎng)格，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)點(diǎn)集的面化、體化。
[0054]步驟九中所述的“單元調(diào)整”有多種方法，可以對(duì)局部重新劃分，也可以調(diào)整個(gè)別節(jié)點(diǎn)位置，拆分個(gè)別單元。
[0055]步驟十中所述的“體網(wǎng)格”是指四面體網(wǎng)格。體網(wǎng)格的劃分可使模型成為有限的體單元，可直接進(jìn)行有限元分析。有限元分析的精確度與單元網(wǎng)格的劃分密切相關(guān)，單元的個(gè)數(shù)越多，網(wǎng)格越密，模型的質(zhì)量就越高，所得結(jié)果也越接近真實(shí)?！案郊硬牧蠈傩浴睌?shù)量越多，結(jié)果越精確。但無限制地細(xì)分單元和材料屬性，使運(yùn)算量以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量增多，徒然耗費(fèi)時(shí)間及人力，因而合理地劃分材料屬性數(shù)量以減少運(yùn)算量、縮短運(yùn)算時(shí)間是進(jìn)行有限元分析的重要前提。
[0056]實(shí)例說明
[0057]本實(shí)例以人體股骨為例，闡述用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法。
[0058]首先采用絕對(duì)關(guān)節(jié)臂測量機(jī)RA 7525 SI獲取股骨模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入3-matic軟件中，調(diào)整好模型位置，掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量為672859個(gè)。先進(jìn)行去噪、采樣處理，將reduct1n的參數(shù)設(shè)為0.7,得到質(zhì)量較好的點(diǎn)云,此時(shí)點(diǎn)的數(shù)目為100062個(gè)。然后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化操作，3-matic根據(jù)已有點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過表面三角剖分法形成網(wǎng)格化模型，此時(shí)形成的三角面片的數(shù)量為200230個(gè)。
[0059]因?yàn)榇四Ｐ蜑橐淮螔呙璜@取，所以無需進(jìn)行模型融合(若模型是經(jīng)過多次掃描獲取，則此步驟為必須的)。得到完整的網(wǎng)格化模型后，可以先對(duì)模型的薄壁特征和曲率進(jìn)行分析，了解模型的基本結(jié)構(gòu)?？芍苯俞槍?duì)模型已存在的問題進(jìn)行修復(fù)(勾選“Color lowquality triangles”項(xiàng)，可更直觀的看出需要修復(fù)的區(qū)域)。模型修復(fù)完成后，根據(jù)需要將股骨模型進(jìn)行加長，生成新的模型。然后對(duì)新模型進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分，將“Shape qualitythreshold” 的參數(shù)設(shè)為 0.3, “Maximum geometrical error” 的參數(shù)設(shè)為 0.8, “Maximumtriangle edge length”的參數(shù)設(shè)為20 (這些參數(shù)都是根據(jù)實(shí)際模型來設(shè)定的)，此步驟生成的新模型的網(wǎng)格數(shù)量為39154個(gè)。
[0060]在重新劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上生成體網(wǎng)格并附加材料屬性。勾選“Control edgelength”項(xiàng)，將“Maximum edge length”、“Shape measure，，和“Shape quality threshold”的參數(shù)分別設(shè)置為20、“AspeCt rad1 (A) ”和75，并將模型材料的彈性模量設(shè)為1.1GPa, ^松比為0.3，密度為0.24g/cm3，材料屬性分為10種。此步驟得出的模型節(jié)點(diǎn)為155153個(gè)，體網(wǎng)格單元數(shù)為108884個(gè)。
[0061]最后將生成的實(shí)體模型通過形成Abaqus (.1np)、Ansys (.cdb)有限元分析軟件可以讀取的格式，即可進(jìn)行有限元分析。這樣既節(jié)省了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和成本，同時(shí)有限元的分析結(jié)果為三維實(shí)體模型的修改與結(jié)構(gòu)再優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
[0062]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則和精神之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均就包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一:對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 步驟二:將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3-matic軟件中，調(diào)整好模型的位置； 步驟三:對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、采樣等處理； 步驟四:點(diǎn)云數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)三維重建:對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，生成面網(wǎng)格模型； 步驟五:對(duì)模型進(jìn)行薄壁特征分析，了解模型基本結(jié)構(gòu)； 步驟六:對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行三維修復(fù)，使模型邊緣與實(shí)物缺損輪廓相匹配； 步驟七:根據(jù)實(shí)際需求對(duì)模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使模型結(jié)構(gòu)更合理及滿足設(shè)計(jì)需求； 步驟八:對(duì)再設(shè)計(jì)后的模型重新劃分網(wǎng)格； 步驟九:生成體網(wǎng)格，附加材料屬性，并將新模型保存為能直接進(jìn)行有限元分析的格式； 步驟十:有限元分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:在步驟一中所述的“獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)”，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指通過3D掃瞄儀獲取的海量點(diǎn)數(shù)據(jù)；“獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)”的設(shè)備是優(yōu)選關(guān)節(jié)臂、激光掃描系統(tǒng)、非接觸式三維獲取儀三維掃描設(shè)備中的一種，方法優(yōu)選是關(guān)節(jié)臂掃描、激光掃描系統(tǒng)掃描及非接觸式三維獲取儀掃描中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:在步驟三中所述的“去噪”是指去除掃描過程中由于測量設(shè)備精度、被測物體表面質(zhì)量、環(huán)境、人為因素而產(chǎn)生的誤差即噪聲點(diǎn)，這樣點(diǎn)的排列會(huì)更平滑；所述的“采樣”是指以規(guī)定密度減少曲面上的點(diǎn)數(shù)目，保證后續(xù)操作的順暢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:在步驟四中所述的“封裝”是指將點(diǎn)云轉(zhuǎn)為網(wǎng)格以將點(diǎn)對(duì)象轉(zhuǎn)成多邊形對(duì)象；封裝是用許多細(xì)小的空間三角形來逼近還原實(shí)體模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:在步驟六中所述的“對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行三維修復(fù)”，是由于被測模型本身的幾何拓?fù)浼罢趽跣?yīng)、破損以及不同站之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接存在縫隙原因，會(huì)導(dǎo)致部分表面無法測量及掃描的點(diǎn)云模型存在數(shù)據(jù)破損的現(xiàn)象；通過填充孔命令將這些缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊，進(jìn)行三維修復(fù)，其修復(fù)的方法包括調(diào)整法向、粘貼縫隙、補(bǔ)洞。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:在步驟七中所述的“再設(shè)計(jì)”，即在原有模型的基礎(chǔ)上添加新的設(shè)計(jì)以滿足設(shè)計(jì)要求改進(jìn)原有設(shè)計(jì)缺陷；再設(shè)計(jì)過程運(yùn)用到草圖、網(wǎng)格模型階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有模型的更新；再設(shè)計(jì)對(duì)于具體例子有不同的設(shè)計(jì)方法，若無需添加新設(shè)計(jì)，則此步驟跳過。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:在步驟八中所述的“重新劃分網(wǎng)格”，其目的是使三角片網(wǎng)格的形狀更接近等邊三角形，這樣后期仿真計(jì)算的結(jié)果更接近真實(shí)情況；采用三角形、四邊形、四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用網(wǎng)格數(shù)量、邊長及曲率來控制網(wǎng)格的質(zhì)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:在步驟九中所述的“生成體網(wǎng)格”，其原因是三維實(shí)體模型是有限元分析的模型基礎(chǔ)，有限元分析時(shí)直接在實(shí)體模型上加載，因?yàn)閷?shí)體模型是獨(dú)立于有限元網(wǎng)格的，重新劃分網(wǎng)格及局部網(wǎng)格修改時(shí)將不影響載荷，即不需要重新加載，這樣使得加載操作變得更容易；所述的“可直接進(jìn)行有限元分析的格式優(yōu)選”，是優(yōu)選inp”、“.Cdb”、“.mphtXt”、“.msh”、“.nas” 及 “.0ut” 中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維實(shí)體模型重建的有限元前處理方法，其特征在于:在步驟十中所述的“有限元分析”，是選用ABAQUS、ANSYS, Comsol, FLUENT、Nastran及Patran軟件中的一種進(jìn)行有限元分析，將生成的實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行計(jì)算求解，采集處理分析結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104282040SQ201410513928
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】王偉, 楊亞男, 趙罡, 韓鵬飛, 王帥 申請人:北京航空航天大學(xué)