一种拓扑优化结果的几何重构方法
【专利摘要】本发明提供了一种拓扑优化结果的几何重构方法，首先获取拓扑优化结果的表面几何结构IGES文件及数据转化，其次对轮廓线进行规整，获得由直线和圆弧拟合的参数化图像，最后将由长折线和圆弧拟合而成的闭合轮廓线输出至CAD软件中得到相应的修改后的几何模型。本发明用简单的分段直线和圆弧拟合复杂的轮廓图像，通过控制多个可调参数实现不同复杂程度的拟合。交互性好、算法简洁，有效衔接CAD与CAE软件，快速实现CAD模型的重构和修整。
【专利说明】一种拓扑优化结果的几何重构方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种拓扑优化结果的几何重构方法。
【背景技术】
[0002]结构拓扑优化能在工程结构设计的初始阶段为设计者提供一个概念性设计，使结构在布局上采用最优方案。但目前商用CAD与CAE软件接口还不太完善，由于拓扑优化使用有限元模型，优化结果不能直接转换成参数化CAD的模型，需要设计师重新创建一个接近拓扑优化结果的参数化CAD模型，重复导入CAE软件进行验证和进一步优化，同时，拓扑优化的结果轮廓通常也较复杂，不便于加工制造。对拓扑优化结果重构和修整是很繁琐而耗时，在一定程度上增加了设计周期和设计成本。
[0003]国内对如何实现自动重构，研究并不深入。在国内外一些初步研究中，提出了几种转化方法，其中一种是将拓扑优化后结果的图形通过识别图形灰度创建B样条曲面截面，通过多个B样条截面形成3D的CAD模型；还有一种是对优化结果的复杂点云文件通过减少网格节点的做法形成一个简单的点云文件，保留其基本轮廓信息，利用点云文件构成CAD模型，以上两种方法在一定程度上获得了成功，但很多简单图形并不需要用复杂的B样条去描述，而且在细化模型结构时缺乏逻辑功能操作，同时这两种方法缺少与设计师的交互性，并不能保证结果就是设计者所需要的；Brigham Young大学的Shane Larsen andC.Greg Jensen提出了形状模板法，将结构的某些截面轮廓几何坐标转化成极坐标形式，并与模板的极坐标对比，逼近结构轮廓。此方法允许设计者定义模型拟合的复杂程度，更自由且更符合设计者的需求，但不足之处在于模板复杂繁多，运行速度慢。
【发明内容】
[0004]要解决的技术问题
[0005]为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种拓扑优化结果的几何重构方法。
[0006]技术方案
[0007]本发明的技术方案为:
[0008]所述一种拓扑优化结果的几何重构方法，其特征在于:采用以下步骤:
[0009]步骤1:获取拓扑优化结果的表面几何结构IGES文件及数据转化:
[0010]步骤1.1:通过CAE软件生成拓扑优化结果IGES文件；
[0011]步骤1.2:将IGES文件包含的元素几何及位置信息转化为MATLAB可识别的数据矩阵，从而获取轮廓线几何参数；
[0012]步骤2:对轮廓线进行规整，获得由直线和圆弧拟合的参数化图像:
[0013]步骤2.1:轮廓分段:对组成闭合轮廓线的任意一条轮廓曲线AB，采用以下方法进行分段:连接轮廓曲线始末点A点和B点，根据步骤I得到的A点和B点坐标，得到直线AB方程，以及轮廓曲线AB上各点到直线AB的距离，其中最远距离点为C，最远距离为CH;判断CH/AB > α若成立，则表示轮廓曲线AB可分，将点C作为曲线AB的分段点，轮廓曲线AB分为轮廓曲线AC和轮廓曲线CB两段；再对轮廓曲线AC和轮廓曲线CB分段，直至轮廓曲线不可分，将不可分的轮廓曲线始末点直线相连形成折线；其中α为分段阈值；闭合轮廓线分段后得到有若干段折线收尾相连的新轮廓线；
[0014]步骤2.2:轮廓参数化拟合:根据步骤I中得到的轮廓线数据，得到闭合轮廓线的总长为Ltl ;对折线进行区分:其中第η段折线长度为Ln，若LnZltl < β，则第η段折线为短折线，反之则为长折线，β为修正阈值；
[0015]对于任意一条短折线PQ，拟合得到过短折线两端点P点和Q点以及轮廓曲线PQ上一点M的圆弧PMQ，用圆弧PMQ代替短折线PQ ；若相邻多条短折线的拟合圆弧的圆心距离小于误差阈值，且相邻多条短折线的拟合圆弧的半径之差小于误差阈值，则拟合得到过这相邻多条短折线中的三个端点的圆弧，用该圆弧代替这相邻多条短折线；将整个闭合轮廓线由长折线和圆弧拟合而成；
[0016]步骤3:将由长折线和圆弧拟合而成的闭合轮廓线输出至CAD软件中得到相应的修改后的几何模型。
[0017]有益效果
[0018]本发明用简单的分段直线和圆弧拟合复杂的轮廓图像，通过控制多个可调参数实现不同复杂程度的拟合。交互性好、算法简洁，有效衔接CAD与CAE软件，快速实现CAD模型的重构和修整。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1.本发明提出的技术方案流程图；
[0020]图2.原始轮廓线曲线；
[0021]图3.分段后的曲线；
[0022]图4.三点圆弧拟合；
[0023]图5.算例有限元网格图；
[0024]图6.通过有限元文件导出的平面图；
[0025]图7.不同阈值的重构结果图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0027]本实施例中某一平面零件的拓扑优化结果的有限元网格文件如图5，平面上开有多个不规则的孔，外形轮廓也比较复杂。通过拓扑优化软件导出IGES格式的平面图形如图6所示，共有八条封闭曲线，其中七条内轮廓线，一条外轮廓线，每条轮廓线由多段B样条曲线首位相接而成。
[0028]将拓扑优化结果进行几何重构方法的步骤为:
[0029]步骤1:获取拓扑优化结果的表面几何结构IGES文件及数据转化:
[0030]步骤1.1:通过CAE软件生成拓扑优化结果IGES文件；
[0031]步骤1.2:将IGES文件包含的元素几何及位置信息转化为MATLAB可识别的数据矩阵，从而获取轮廓线几何参数；如NURBS曲面中的B样条曲线在MATLAB中以一个细胞数组数据形式存储，包含其曲线类型和各点坐标等几何参数信息。[0032]步骤2:对轮廓线进行规整，获得由直线和圆弧拟合的参数化图像:
[0033]步骤2.1:轮廓分段:
[0034]闭合轮廓线由多条曲线首尾相连而成，对组成闭合轮廓线的任意一条轮廓曲线AB，如图2所示，采用以下方法进行分段:连接轮廓曲线始末点A点和B点，根据步骤I得到的A点和B点坐标，得到直线AB方程，以及轮廓曲线AB上各点到直线AB的距离，其中最远距离点为C，最远距离为CH;判断CH/AB> α若成立，则表示轮廓曲线AB可分，将点C作为曲线AB的分段点，轮廓曲线AB分为轮廓曲线AC和轮廓曲线CB两段；再对轮廓曲线AC和轮廓曲线CB分段，直至轮廓曲线不可分，如图3所示，原轮廓曲线AB被分为曲线AC，⑶，DE，EF，FB。遍历所有轮廓曲线，完成整个轮廓的分段。将不可分的轮廓曲线始末点直线相连形成折线；闭合轮廓线分段后得到有若干段折线收尾相连的新轮廓线。其中α为分段阈值，该值愈小，折线段越多，对轮廓的刻画也愈精确。
[0035]步骤2.2:轮廓参数化拟合:
[0036]若仅以折线拟合曲线误差较大，由此引入了轮廓线的圆弧拟合，在保证图形精度的同时避免图形过于复杂。
[0037]首先对已经分段的轮廓线进行筛选，根据步骤I中得到的轮廓线数据，得到闭合轮廓线的总长为Ltl ;对折线进行区分:其中第η段折线长度为Ln，若LnZltl < β，则第η段折线为短折线，反之，为长折线，β为修正阈值，是可根据实际几何模型修改的值，该值愈大，被认定为短折线的区域越多。
[0038]对于任意一条短折线PQ，如图4，拟合得到过短折线两端点P点和Q点以及轮廓曲线PQ上一点M的圆弧PMQ，用圆弧PMQ代替短折线PQ ;若相邻多条短折线的拟合圆弧的圆心距离小于误差阈值，且相邻多条短折线的拟合圆弧的半径之差小于误差阈值，则拟合得到过这相邻多条短折线中的三个端点的圆弧，用该圆弧代替这相邻多条短折线；将整个闭合轮廓线由长折线和圆弧拟合而成；
[0039]对于长折线，则认定该折线对应的轮廓曲线可由直线段代替，此时该段轮廓曲线只需记录起始点和终止点的几何信息，生成直线方程。
[0040]经过以上步骤处理，整个几何轮廓由直线段和圆弧拟合而成，原始的轮廓B样条曲线曲面信息转化为直线和圆弧参数方程信息，大大降低了数据的复杂程度，为CAD模型的自动重构提供了信息基础。
[0041]步骤3:将参数写入CAD软件可识别处理的数据格式文件:将由长折线和圆弧拟合而成的闭合轮廓线输出至CAD软件中得到相应的修改后的几何模型。
[0042]商用CAD软件一般都有其对应的可识别文件格式，参数化模型输出时，要按对应格式将参数写入。可通过MATLAB的文件写入语句按照相应的语言格式，将直线和圆弧参数用命令写入文本，通过对应的输入方法在商用CAD软件中生成可修改的几何模型。
[0043]本实施例中以商用软件UG为例，通过MATLAB的写入语句按照Grip语言格式，将拟合后的直线和圆弧参数用命令写入文本,生成grs文件，该文件通过UG工具中的NX OpenGrip进行编译后，可直接导入UG中生成可修改的CAD模型，如图7所示。在轮廓分段及拟合的过程中，α、β是可以调整的值，α愈小，折线段越多，β愈大，被认定为短折线的区域越多，对轮廓的拟合也愈精确，但加工性可能越差，设计者可以根据实际情况调节参数以获得期望结果。图7 (a)、(b)、(C)分别为不同α、β值对应的几何重构模型。几何重构后， 设计者还可以按需要方便的继续对CAD模型中的元素进行调整。
【权利要求】
1.一种拓扑优化结果的几何重构方法，其特征在于:采用以下步骤: 步骤1:获取拓扑优化结果的表面几何结构IGES文件及数据转化: 步骤1.1:通过CAE软件生成拓扑优化结果IGES文件； 步骤1.2:将IGES文件包含的元素几何及位置信息转化为MATLAB可识别的数据矩阵，从而获取轮廓线几何参数； 步骤2:对轮廓线进行规整，获得由直线和圆弧拟合的参数化图像: 步骤2.1:轮廓分段:对组成闭合轮廓线的任意一条轮廓曲线AB，采用以下方法进行分段:连接轮廓曲线始末点A点和B点，根据步骤I得到的A点和B点坐标，得到直线AB方程，以及轮廓曲线AB上各点到直线AB的距离，其中最远距离点为C，最远距离为CH ;判断CH/AB > α若成立，则表示轮廓曲线AB可分，将点C作为曲线AB的分段点，轮廓曲线AB分为轮廓曲线AC和轮廓曲线CB两段；再对轮廓曲线AC和轮廓曲线CB分段，直至轮廓曲线不可分，将不可分的轮廓曲线始末点直线相连形成折线；其中α为分段阈值；闭合轮廓线分段后得到有若干段折线收尾相连的新轮廓线； 步骤2.2:轮廓参数化拟合:根据步骤I中得到的轮廓线数据，得到闭合轮廓线的总长为Ltl ;对折线进行区分:其中第η段折线长度为Ln，若LnZltl < β，则第η段折线为短折线，反之则为长折线，β为修正阈值； 对于任意一条短折线PQ，拟合得到过短折线两端点P点和Q点以及轮廓曲线PQ上一点M的圆弧PMQ，用圆弧PMQ代替短折线PQ ;若相邻多条短折线的拟合圆弧的圆心距离小于误差阈值，且相邻多条短折线的拟合圆弧的半径之差小于误差阈值，则拟合得到过这相邻多条短折线中的三个端点的圆弧，用该圆弧代替这相邻多条短折线；将整个闭合轮廓线由长折线和圆弧拟合而成； 步骤3:将由长折线和圆弧拟合而成的闭合轮廓线输出至CAD软件中得到相应的修改后的几何模型。
【文档编号】G06F17/50GK103455674SQ201310391023
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月31日 优先权日:2013年8月31日
【发明者】方宗德, 卞翔, 覃琨, 连礼婓, 高扬, 侯祥颖, 张宝玉 申请人:西北工业大学