空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何外形與網(wǎng)格劃分模式日趨豐富多彩，給設(shè)計(jì)建模與修改調(diào)整工作帶來難度。本文針對(duì)此問題提出了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)的概念，將創(chuàng)建與優(yōu)化問題作為研究對(duì)象，著重探討幾何形態(tài)的實(shí)現(xiàn)過程。論文完善了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)的基礎(chǔ)理論；提出了三類幾何造型技術(shù)：生成設(shè)計(jì)、基于力學(xué)原理的造型方法以及逆向建模方法；研究了網(wǎng)格劃分模式的擴(kuò)展與網(wǎng)格體系的優(yōu)化方法。 本文首先分析了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)曲面形式和網(wǎng)格劃分的多樣性，歸納出幾何形態(tài)研究的若干關(guān)

2、鍵問題。介紹了曲面造型與網(wǎng)格劃分技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀，并闡述了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)領(lǐng)域圍繞幾何形態(tài)研究所遇到的一些問題。 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)曲面形態(tài)一般可分為函數(shù)曲面與自由曲面。論文中，對(duì)于函數(shù)曲面采用解析方式進(jìn)行描述。對(duì)于自由曲面表達(dá)則引入表現(xiàn)力較強(qiáng)的B樣條曲面以及準(zhǔn)均勻B樣條曲面，并根據(jù)曲線曲面邊界趨勢(shì)，結(jié)合數(shù)值方法，形成邊界預(yù)測(cè)切矢技術(shù)使曲面表達(dá)更為精確。提煉出幾何基本參數(shù)及曲面曲率性質(zhì)。提出基于二次插值的網(wǎng)格映射劃分方法以解決曲面曲率不均

3、造成的網(wǎng)格畸變問題。 幾何造型的生成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)程序化操作。針對(duì)函數(shù)曲面與仿生類自由曲面形態(tài)特征，由參數(shù)設(shè)定構(gòu)建呈矩形拓?fù)潢P(guān)系的型值點(diǎn)陣，通過B樣條曲面插值算法分別進(jìn)行曲面重構(gòu)與曲面造型設(shè)計(jì).特別地，在構(gòu)建仿生類自由曲面時(shí)，分別討論了仿梅花形體與仿花瓣形體兩類自然形態(tài)的參數(shù)設(shè)置原理。通過數(shù)值模擬與對(duì)比分析驗(yàn)證了生成設(shè)計(jì)能夠滿足曲面重構(gòu)精度要求并有效地提高了幾何形態(tài)生成效率。 基于力學(xué)原理的曲面造型方法將

4、幾何形態(tài)與力學(xué)原理相結(jié)合，簡(jiǎn)化了依靠幾何參數(shù)調(diào)整的繁復(fù)操作。其一為能量法造型技術(shù)：由薄板彈性變形推導(dǎo)了變形曲面的完備能量模型，明確了各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的物理意義，統(tǒng)一了曲面構(gòu)造設(shè)計(jì)與曲面修改調(diào)整的控制方程，并引入雙三次準(zhǔn)均勻B樣條曲面單元，簡(jiǎn)化了曲面邊界處簡(jiǎn)支及固支約束條件的處理。另一類是基于薄膜平衡的曲面造型技術(shù)：引入差分預(yù)測(cè)切矢技術(shù)及雙三次準(zhǔn)均勻B樣條曲面描述初始曲面，根據(jù)曲率性質(zhì)推導(dǎo)了結(jié)點(diǎn)虛擬剛度，將拉普拉斯方程與動(dòng)力松弛法相結(jié)合，由薄

5、膜平衡的自然性質(zhì)構(gòu)造與優(yōu)化曲面形態(tài)。數(shù)值模擬表明此技術(shù)在尋找極小曲面，類比相似曲面形態(tài)以及獲取加密網(wǎng)格方面有比較便利的應(yīng)用。 逆向建模方法借鑒逆向工程的操作原理。首先利用自組激光三維掃描系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物樣件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，然后將點(diǎn)云經(jīng)逆向軟件預(yù)處理，由改良后的蒙皮法進(jìn)行曲面造型以及網(wǎng)格初步劃分，得到網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，再經(jīng)曲面條帶化旋轉(zhuǎn)展開，由紙板加工放樣，實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型的加工制作。上述工作表明了逆向建模方法的可行性與實(shí)用性。

6、論文給出網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展了網(wǎng)格劃分模式。運(yùn)用改進(jìn)后的能量法進(jìn)行網(wǎng)格體系光順，并得到了光順罰因子與各項(xiàng)網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化規(guī)律。提出考慮曲面特征、網(wǎng)格質(zhì)量、桿件單元長(zhǎng)度偏差等因素的網(wǎng)格體系優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并考慮權(quán)重影響，統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)一維搜索技術(shù)，得到最優(yōu)網(wǎng)格體系。 根據(jù)上述理論與方法編制了幾何形態(tài)設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)GCCAD。該程序系統(tǒng)具有圖形化的用戶界面、幾何形態(tài)設(shè)計(jì)和結(jié)果處理功能。為實(shí)際工程應(yīng)用提供了操作平臺(tái)，提高了幾何形