自由曲面网络智能布局方法

文档序号:6597357阅读:424来源:国知局
专利名称:自由曲面网络智能布局方法
技术领域
本发明涉及建筑设计领域,且特别涉及一种自由曲面网络智能布局方法。
背景技术
当今随着建筑技术的进步,建筑表皮逐渐朝着跨度更大和覆盖空间更广的方向转变。在这种趋势的影响下,一些复杂的建筑表皮曲面就需要利用一种或几种单元结构组合而成(李滨泉,莫天伟,建筑表皮的拓扑剖分[J],华中建筑,2008年第IO期)。建筑表面的这种网格单元的划分标准不同于有限元网格的划分,它更侧重于如杆件长度尽量一致、网格分布尽量均匀、杆件线条尽量流畅等以定性要求为标准的网格质量评价(张浩,空间结构曲面造型算法及程序实现[D],浙江大学硕士学位论文,杭州2005年3月)。
随着计算机软硬件技术的进步和各类工业设计软件在建筑领域的应用,尤其是建筑师个人独创欲的发挥,各种体型怪异的"非标准"建筑不断涌现。然而,为了方便制作和加工,以及美观的要求,要求每根构件的长度基本一致、线条流畅。这种结构构件的布局设计在传统的标准曲面是非常方便的,这是因为标准曲面具有一定周期性或规律性。而非标准曲面则完全是自由的,很难通过解析的方法表达曲面信息,在非标准曲面上这个问题变得非常复杂。 因此,在现有的技术中,纯粹的有限元网格划分或单纯的根据几何关系进行网格布置都无法在自由曲面上实现想要的网格结构。

发明内容
为了克服现有技术无法在自由曲面上实现的网络布局的问题,本发明提供了一种易在自由曲面实现网络智能布局的方法。 为了实现上述目的,本发明提出一种自由曲面网格智能布局的方法,包括以下步骤 步骤1 :创建所述自由曲面的二维网格; 步骤2 :将所述二维网格映射或投影至三维曲面,形成三维网格;
步骤3 :将所述三维网格导入有限元模型,生成索网结构; 步骤4 :约束所述三维网格中边界节点的三维自由度和内部节点的面外自由度;
步骤5 :设定所述杆件上的预应力,所述预应力的大小和所述杆件的长度成正比,并在所述杆件上施加所述预应力; 步骤6 :计算施加所述预应力之后的所述杆件的长度,并更新所述三维网格;
步骤7 :计算所述杆件的长度变化百分比,并设定标准百分比,判断所述百分比是否小于所述标准百分比,若是,则停止计算;若否,则转入步骤4。
可选的,所述标准百分比为1%。 可选的,所述预应力的大小和所述杆件的长度之间为线性关系。
可选的,所述预应力的大小和所述杆件的长度之间为非线性关系。
可选的,步骤5中采用有限元方法计算施加所述预应力之后的所述杆件的长度。
由于采用了上述技术方案,与现有技术相比,本发明自由曲面网格智能布局的方 法具有以下优点对初始网络的质量要求低;计算速度快,而且形成的网格质量较高;适用 于所有标准及非标准曲面的网格布置,尤其适用于非标准曲面(或称为自由曲面)表面的 网格布置,即可适用于不同拓扑结构的网格,选择空间大。


图1为本发明自由曲面网格智能布局的方法的流程示意图; 图2为本发明自由曲面网格智能布局的自由曲面节点处的法向方向示意图; 图3和图4为本发明自由曲面网格智能布局的第一实施例示意图; 图5和图6为本发明自由曲面网格智能布局的第二实施例示意图; 图7至图9为本发明自由曲面网格智能布局的第三实施例示意图。
具体实施例方式
下面,结合附图对本发明做进一步的说明。 首先,请参考图l,图1为本发明自由曲面网格智能布局的方法的流程示意图,从
图上可以看出,本发明一种自由曲面网格智能布局的方法,包括以下步骤 步骤ll :创建所述自由曲面的二维网格,这一步比较简单,在一个常规的工程设
计软件(例如AutoCAD、Rhino等)中导入事先给定的自由曲面和2D网格,如果没有现成的
2D网格,可以绘制,绘制过程遵循两个原则(1)确保网格特定的类型和拓扑关系;(2) 2D网
格边界与3D曲面边界之间的对应关系,至于网格的大小和分布在这一步中可不必考虑,因
为它们将在后面的步骤中进行调整; 步骤12 :将所述二维网格映射或投影至三维曲面,形成三维网格,这里可分为单 连通曲面和多连通曲面(在区域DcR2内,如果任意两条有同一起点和同一终点的曲线, 其中一条总可以在区域D内连续的变动为另一条,则称区域D是单连通的;否则就是多连 通。)两种情况考虑。对于单连通曲面,可以通过"投影"的方法将2D网格"蒙皮"到3D曲 面上;对于多连通曲面,可采用"映射"的方法将2D网格"蒙皮"到3D曲面上,另外,单连通 曲面和多连通曲面的"2D网格边界和3D曲面边界的对应关系的建立"方法也各有不同,单 连通曲面对应关系的建立比较简单直接将3D曲面边界线投影到作图平面即为2D网格的 边界线,多连通曲面对应关系的建立涉及到一个"参考域"的概念,虽然这一概念在数学上 非常复杂,但在现有软件(如Rhino)的操作上却非常简单。这是因为任何一张标准或非标 准曲面都可对应于一个长方形的"参考域",而曲面的边界则对应长方形的四条边。根据这 一理论,多连通曲面的"2D网格边界和3D曲面边界的对应关系"也可以方便地建立起来了, 无论是单连通曲面的"投影"还是多连通曲面的"映射"都可以在现有的工程设计软件(如 Rhino)中解决,建立完边界的对应关系后,我们只需要将其余网格可随意"塞入"这个长方 形的方框内,而不必考虑该长方形的规格(可狭长、可方正)。由于这一步中的约束条件非 常少,因此很容易实现,在以上步骤中通过"投影"或"映射"已经在三维曲面上形成了 3D网 格,且已经满足了拓扑关系和三维曲面造型的要求,但还有杆件的长度问题需要下一步解 决;
步骤13 :将所述三维网格导入有限元模型,生成索网结构,即在有限元软件中建
模,即将三维网格的杆件转换成有限元模型中的索单元。如在Ansys软件中我们定义为
linklO单元,该单元只考虑受拉、不考虑受压,类似于现实世界中的索单元; 步骤14 :约束所述三维网格中边界节点的三维自由度和内部节点的面外自由度,
通过约束节点的自由度来保证网格只在三维平面内进行调整,内部节点的约束调整,是指
节点在上一次计算后移动到了的新位置,因此必须重新计算该位置处的平面外方向,并加
以约束。节点的平面外方向,从数学意义上讲,就是曲面在节点处的法线方向。具体的方
法是依次由每个节点周围的两根杆件建立若干三角形,分别计算出每个三角形的法线方
向,然后将这些法线通过矢量求和,便为该节点处的曲面法线方向,请参考图2,图2为本发
明自由曲面网格智能布局的内部节点的法向示意图,涉及一种寻找曲面在节点处法线的方
法,图中需要找到A点处曲面的法向,首先创建了一些辅助三角形,这些三角形的法线的朝
向可能是相反的,需要统一它们的朝向,然后求这些三角形法线的矢量和,得到A点处曲面
的法向并将其约束; 步骤15 :设定所述杆件上的预应力,所述预应力和所述杆件的长度成正比,并在 所述杆件上施加所述预应力,实际操作中,杆件预应力的赋值依据是由杆件长度与所有杆 件长度的平均值之间的差异来确定的,长的杆件赋予的预应力大,短的杆件赋予的预应力 小。因此,计算总是朝着杆件长度基本相同的方向进行,并且随着杆件长度逐渐均匀,赋予 杆件的预应力值也逐渐收敛,所述预应力的大小和所述杆件的长度之间可以为线性关系, 也可以为非线性关系; 步骤16 :计算施加所述预应力之后的所述杆件的长度,并更新所述三维网格,采 用有限元方法计算施加所述预应力之后的所述杆件的长度;步骤17 :计算所述杆件的长度 变化百分比,并设定标准百分比,所述标准百分比为1% ;步骤18 :判断所述百分比是否小 于所述标准百分比,即1%,若是,则转入步骤19 :停止计算;若否,则转入步骤14。
下面介绍三个实施例。 首先请参考图3和图4,图3和图4为本发明自由曲面网格智能布局的第一实施例 示意图,图3是初始网格,图4是在图3的基础上,使用本发明提供的方法所形成的最终的 网格形式。本实施例说明的是(l)采用本方法可以不关心初始网格的形状,只要初始网格 和目标网格具有相同的拓扑关系,均能调整到最终网格的样式;(2)由于本例是有解析解 的(最终为九个大小相同的小方块),因此很容易检验本方法的正确性。
接着,请参考图5和图6,图5和图6为本发明自由曲面网格智能布局的第二实施 例示意图,是足球网格的制作。如图5所示,在球体表面画上12个随意五边形、20个随意六 边形,此处的随意是指五边形和六边形的形状大小随意,但必须保证每个五边形周围有五 个六边形,每个六边形周围间隔着有三个五边形和三个六边形的拓扑关系。使用本发明提 供的方法后,自动形成12个正五边形和20个正六边形,如图6所示,该案例说明本程序适 用于其他多种类型的网格。 最后,请参考图7至图9,图7至图9为本发明自由曲面网格智能布局的第三实施 例示意图,其中图7为创建的自由曲面的二维网格,为了显示本方法能将初始凌乱的网格 最终修正成为线条流畅的网格,此处故意将初始网格设置得杂乱无章;图8为将所述二维 网格映射或投影至三维曲面所形成的三维网格;图9为采用本方法造型的最终结果,从图中可以看出,网格过渡均匀、线条流畅,满足建筑工程的预期目标。 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所述技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
一种自由曲面网格智能布局的方法,其特征在于包括以下步骤步骤1创建所述自由曲面的二维网格;步骤2将所述二维网格映射或投影至三维曲面,形成三维网格;步骤3将所述三维网格导入有限元模型,生成索网结构;步骤4约束所述三维网格中边界节点的三维自由度和内部节点的面外自由度;步骤5设定所述杆件上的预应力,所述预应力的大小和所述杆件的长度成正比,并在所述杆件上施加所述预应力;步骤6计算施加所述预应力之后的所述杆件的长度,并更新所述三维网格;步骤7计算所述杆件的长度变化百分比,并设定标准百分比,判断所述百分比是否小于所述标准百分比,若是,则停止计算;若否,则转入步骤4。
2. 根据权利要求1所述的自由曲面网格智能布局的方法,其特征在于所述标准百分 比为1%。
3. 根据权利要求1所述的自由曲面网格智能布局的方法,其特征在于所述预应力的 大小和所述杆件的长度之间为线性关系。
4. 根据权利要求1所述的自由曲面网格智能布局的方法,其特征在于所述预应力的 大小和所述杆件的长度之间为非线性关系。
5. 根据权利要求1所述的自由曲面网格智能布局的方法,其特征在于所述步骤5中 采用有限元方法计算施加所述预应力之后的所述杆件的长度。
全文摘要
本发明提供一种自由曲面网格智能布局的方法,包括以下步骤创建所述自由曲面的二维网格;将二维网格映射或投影至三维曲面,形成三维网格;将三维网格导入有限元模型,生成索网结构;约束三维网格中边界节点的三维自由度和内部节点的面外自由度;设定杆件上的预应力,并在所述杆件上施加所述预应力;计算施加预应力之后的杆件的长度,并更新三维网格;计算杆件的长度变化百分比,并设定标准百分比,判断百分比是否小于标准百分比以确定是否完成计算,本发明计算速度快,形成的网络质量高,可适用于不同拓扑结构的网络,选择空间大。
文档编号G06T17/40GK101739723SQ20101002298
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者卢旦, 李承铭 申请人:上海现代建筑设计(集团)有限公司
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1