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1、基于STL文件的有限元模拟模具自动生成技术温建昌董湘怀李赞(华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室)摘要:针对板料成型模拟技术,在分析三维STL文件格式数据结构的基础上,提出了对实体数据模型进行自动诊断与修复的原则和方法,并自动生成具有三角形网格的冲压模具,减轻了模具网格剖分的工作量,开发了适应性强的程序,通过实际应用证明了程序的实用性.关键词:板料成型模拟;STL;实体数据模型;诊断;修复;网格剖分中图分类号:TG386文献标识码:A文章编号:167124512(2002)0220027203在有限元分析计算中,前期的数据准备费时费力,整个过程极其复杂,是板
2、料成型模拟的前提和关键技术.而空间曲面网格剖分难度更大,因此,寻求简易快捷的模具生成及其网格剖分方法具有重要意义.本文选用大型造型系统中常用的STL造型文件格式为接口数据文件,研究有限元前置处理的模具自动生成和网格剖分技术.拓扑关系是三维有限元网格剖分和模具型面自动生成的基础.由于STL文件重复记录一些顶点信息,造成大量的数据冗余.在STL文件中顶点数约为面片数的一半,边数为面片数的的1.5倍.因此建立拓扑关系可以降低数据量.从STL数据模型中提取工件网格模型的拓扑信息的过程如下:首先是依次读出三角面片,一个三角面片对应一个三角形单元,每读取一个三角面片,就生成一个相应
3、的三角形单元的三个节点编号和法向量,每个节点单元记录节点编号和三个顶点的坐标分量.然后归并重复的点和由于计算误差而造成的相距很近的分离点,建立一个无重复点的节点链表,对节点链表重新进行编号,调整单元链表中记录的相应顶点编号,三个顶点的排列顺序符合右手定则.拇指指向平面的外法线矢量.1压缩冗余信息,建立拓扑结构STL文件1是通过对CAD实体模型或曲面模型进行表面三角化离散得到的,相当于用一种全由小三角形面片构成的多面体来近似原CAD模型.在STL文件中它提供了每一个小三角形的三个顶点的绝对坐标值和描述小三角形方向的平面外法线矢量(如图1).2模型缺陷分析、诊断与修复从文件
4、格式分析得知,STL文件所描述的正确实体数据模型应满足右手法则、顶点法则和边法则.在实际应用中,不符合上述三条法则的模型缺陷,可以分成四大类:a.三角形平面的的法矢方向与三角形顶点之间不符合右手法则(如图2);b三角形的某个顶点落在另一个三角形的边上,不符合顶点法则(如图3);图1曲面的STL文件表示拓扑信息主要描述各几何实体间的连接关系和邻接关系2,3.对STL来说,每个三角形应该与另外三个共边三角形相连接,从任何一条边可以知道它的两个顶点以及共此边的两个三角形,顶点的连接信息应包括共此点的所有边和所有三角形面片.目前STL文件中不包含拓扑信息,建立收稿日期:2001
5、210210.作者简介:温建昌(19762),男,硕士研究生;武汉,华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室(430074).基金项目:国家自然科学基金资助项目(59875025);教育部优秀年轻教师基金资助项目.学报(自然科学版)28华中科技大学第30卷a.取不符合上述法则的顶点,在节点链表中找到相应的节点,标记为10.如图4中的G,H点.图2不符合右手法则图3不符合顶点法则c.同一个顶点相分离,在CAD造型系统中,由于其本身的浮点运算精度与STL模型转换精度等的影响,CAD实体数据模型向STL三角形面化数据模型转化时,出现同一个顶点分离成几个顶点的现象,导致
6、与这些分离点相连的某些三角形不符合边法则;d.出现悬浮和重叠面,有裂缝和孔洞等.对于第一种缺陷,由于空间曲线具有连续性和平滑性,相邻三角面片的法矢夹角不大于90°.因此,若出现相邻法矢夹角大于90°,则将其中不符合右手法则的法矢反向.具体判断和修复方法如下.图4复杂缺陷的修复b.遍历所有单元,若组成该单元的三个顶点中含有标记为10的节点,则将该单元标记为10.如图4(a)中的三角形单元BHD,GHE,BFG.c.在节点链表中删除标记为10的节点.d.在单元链表中删除标记为10的单元.形成如图4(b)的局部小区域ABCDEFA.e.依次选取局部小区域边界顶点,生成一个链表
7、.f.选取一个边界顶点,如图4(c)中的点A,生成一个新单元,加入单元链表,该单元的三个节点依次为该顶点和顺序接下来的两个顶点.如图4(c)中的三角形单元△ABC.g.生成一个新单元,其节点依次为前面选取的顶点,如图4(c)中的点A,前一单元的最后一顶点,如图4(c)中的点C,及链表中接下来的一个顶点,如图4(c)中的点D.h.重复g,直到所有小区域边界链表顶点都遍历一次.i.重复上述过程直到所有需要重新划分的区域都处理完.j.重新排列单元号和节点号,并做优化处理.两个向量a(ax,ay,az),b(bx,量积定义为by,bz)的数a·b
