数字化产品设计中面向有限元分析的网格编辑技术研究

As the complexities of the digital product increase, the CAD modeling process is expected to integrate seamlessly with the CAE analysis to accelerate the cycle of the product development. Keeping the consistency of finite element mesh with the CAD model is important while modifying the product in the CAD/CAE seamless integration platform. And directly editing the finite element mesh (FEM) is an important way to achieve this goal. Because current mesh editing techniques cannot meet this requirement, this project will conduct the research on some key mesh editing techniques of digital product for finite element analysis in order to support CAD/CAE seamless integration. In this project, we will explore the representation and automatic extraction of multi-level semantics of the FEM systematically to meet the semantic-based and multi-level editing of finite element mesh during the analysis process. Then, we will study new methods for feature recognition, feature parameter extraction and parameter driven editing algorithms of the FEM. The local mesh optimization methods will be also studied, which will guarantee the qualities of the FEM for finite elements analysis.

随着现代数字化产品复杂性的增加，为提高产品设计质量、缩短设计开发周期，工程人员越来越希望将CAD设计与CAE仿真这两个过程无缝集成起来。CAD/CAE无缝集成的目标之一就是实现产品有限元网格模型与CAD模型的关联互动，支持在分析阶段直接对网格模型进行编辑修改，以减少设计与分析之间十分耗时的循环往复。由于目前已有的网格编辑算法不能满足此类要求，本项目将对数字化产品设计中面向有限元分析的网格编辑的关键问题展开深入的研究，以支持CAD/CAE的无缝集成，加快新产品的开发速度。本项目将系统研究有限元网格模型的多层次语义表征结构、网格特征的识别与参数提取、特征参数驱动的网格编辑以及局部网格优化等各部分，以支持在有限元分析阶段对网格模型进行多层次的编辑，满足数字化产品设计中面向有限元分析的网格编辑的需求。

本项目顺利基本上实施完成，共发表SCI论文4篇，EI检索期刊论文3篇，申请专利1项，取得软件著作权1项。.本项目针对工业设计中的有限元网格模型，提出了一种有效、快速的基于形状特征的交互式体网格编辑方法。此方法允许用户选择需要保持特征的一组表面区域，通过对这些区域的平移、旋转等操作，来实现模型的编辑。该方法可以在编辑过程中，精确地保持模型原有的特征，并且编辑速度足够快，完全符合有限元分析中局部修改模型特征参数等相关领域的应用要求。本项目还研究了一种针对局部编辑后四面体网格的优化算法。该优化方法首先根据局部编辑区域，确定出质量较差的四面体网格单元，然后计算出体单元的目标边长，并根据目标边长对这些单元进行相应的边分裂、边合并、四面体翻转等优化操作，最后再进行网格平滑操作。在进行网格优化时，内部网格和表面体网格单元存在着不同的处理方式。在研究过程中，本文特别针对外表面的体单元网格优化，提出了保持形状特征的优化方法，整个优化过程迭代地进行。实验表明，本项目提出的方法能有效、快速地针对四面体网格模型进行局部优化，并得到符合有限元分析的体网格模型。.本项目还研究了四边形网格上螺旋条带与网格上奇异点的关系及其性质，根据这个性质给出了四边形网格中螺旋条带的一般生成算法。该算法可以有效地搜索四边形网格上的螺旋条带，进而通过删除螺旋条带优化四边形网格的拓扑结构。.此外，本项目还对优化变形能的平面多边形同构剖分算法、拟等距插值、误差可控的控制网格生成、快速形状编辑方面进行了深入的研究，并得到一些重要的结果。