一种用于铸造过程建模和仿真应用的自动网格剖分方法

技术领域

本发明涉及建模仿真技术领域，特别涉及一种用于铸造过程建模和仿真应用的自动网格剖分方法。

背景技术

铸造过程建模和仿真过程需要先对分析对象的三维几何模型进行离散处理，根据离散方法的不同，可生成有限元和有限差分等不同的计算网格。有限元网格生成过程复杂、繁琐，通常对于简单几何结构比较适用，但对于复杂装配体的几何模型离散通常采用有限差分网格。

传统均匀尺寸的有限差分网格在离散几何模型时在边界处会产生锯齿状离散误差；通常为消除离散误差，需采用较小的网格尺寸进行离散，但由此会产生庞大的计算网格量，严重降低计算效率。铸造过程建模和仿真过程网格剖分一直是CAE工程师最耗费精力的环节。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于铸造过程建模和仿真应用的自动网格剖分方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种用于铸造过程建模和仿真应用的自动网格剖分方法，包括如下步骤：

步骤S1，并行读取模具三维模型文件；

步骤S2，创建多层块结构框架布局；

步骤S3，逐个模型网格剖分；

步骤S4，对生成的网格进行检查修复；

步骤S5，输出节点信息至网格文件。

进一步，在所述步骤S1，采用多线程分别将铸件和模具的三维几何模型文件数据读取到对应的数据结构内，根据每个模型中的每个图元求取最大值和最小值；再求取整个模具和铸件的三维几何模型的最大值和最小值。

进一步，在所述步骤S2中，采用多层块结构自适应局部加密技术模型进行剖分，包括：

创建多层块结构布局，多层块结构布局逐层采用不规则大小的长方体块对全域三维空间内存在模具和铸件三维模型的位置进行覆盖；

将空间域上长方体块与多线程之间的从属关系、相邻长方体块所属的线程ID广播至全部线程。

进一步，在所述步骤S3中，所述逐个模型网格剖分，采用对每个模型逐个剖分的方式，其中，对每个所述模型进行剖分，包括：

对全域内的所有离散点赋网格初始属性值；

对模型三维轮廓线在Z方向逐层求取交线并保存；再次对Z方向上求取的交线在Y方向逐层求交点，并成对保存交点；

对Z方向上求取的交点对形成的小段在X方向逐层求交点，将交点的网格属性值标记为当前模型对应的实体编号。

进一步，在所述步骤S4中，所述对生成的网格进行检查修复，其中对网格质量的检查和修复均基于最高层生成的网格进行，包括：

如果存在多个网格单元属性值为零但被其余实体单元包围，则认定该网格为间隙单元；

如果间隙单元相邻的多个单元被标记为实体单元，在其周围两层单元范围内存在相同网格属性的实体单元，则认定这些单元为非连续孤立单元；

如果存在非连续孤立单元，则采用更小的网格尺寸重新进行剖分直至没有非连续孤立单元生成；或对非连续孤立单元直接赋予周围优先级较低的实体网格的标记属性。

进一步，在所述步骤S5中，所述输出节点信息至网格文件，包括：将节点空间位置信息和实体标记属性信息输出至网格文件，供后续计算使用。

根据本发明实施例的用于铸造过程建模和仿真应用的自动网格剖分方法，针对铸造过程CAE的自动网格剖分方法，该方法采用多层加密技术，可以对模具三维模型进行自动网格剖分、网格质量检查、坏网格修复，在提高网格模型对几何模型逼近程度的基础上，大幅降低了总计算网格量，提升了计算效率。本发明采用高性能并行多层块结构自适应网格剖分算法；网格检查和修复方法。本发明在多层块结构布局下，相同剖分精度(对空间域三维几何模型的逼近程度)条件下总网格数量呈数量级下降，在保持计算准确度前提下，大大提升后续计算效率；网格剖分、检查和修复全部由本发明提供的方法自动完成，无需用户参与；网格剖分过程全并行，经测算，单个复杂模型剖分时间均在10s以内，相较传统有限元或有限差分离散方法，大大降低用户使用难度，缩短了剖分时间。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的用于铸造过程建模和仿真应用的自动网格剖分方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的创建多层块结构布局的示意图；

图3为根据本发明实施例的单个模型网格剖分过程图；

图4为根据本发明实施例的网格检查修复过程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的用于铸造过程建模和仿真应用的自动网格剖分方法，包括如下步骤：

步骤S1，并行读取模具三维模型文件。

采用多线程分别将铸件和模具的三维几何模型文件数据读取到对应的数据结构内，根据每个模型中的每个图元求取最大值和最小值；再求取整个模具和铸件的三维几何模型的最大值和最小值。

步骤S2，创建多层块结构框架布局。每层采用不同的网格尺寸对模具三维几何模型在三维空间上进行剖分，根据模具实体的属性标定不同的属性。

在本步骤中，采用多层块结构自适应局部加密技术模型进行剖分，包括：

在对模型进行剖分时，首先创建多层块结构布局，多层块结构布局逐层采用不规则大小的长方体块对全域三维空间内存在模具和铸件三维模型的位置进行覆盖；并将空间域上长方体块与多线程之间的从属关系、相邻长方体块所属的线程ID广播至全部线程。

如图2所示，基础层即第一层的块结构布局如clv＝1图中蓝色线框所示，根据空间域大小采用较大的长方体块对全域进行覆盖；第二层(图中clv＝2)采用较小的长方体块对由模型标记的空间区域进行覆盖；第三层(图中clv＝3)及以上层(图中clv＝4)采用比下方一层更小的长方体对模型标记的空间区域进行覆盖。

步骤S3，逐个模型网格剖分。

在创建了多层块结构布局后，可以对读取到数据结构内的模型进行离散网格剖分。剖分过程是逐几何模型进行。网格剖分的实质即对模型所在的三维连续空间进行离散处理。对单个模型进行网格剖分先由基础层开始，然后类推之其他层。基础层用较大的网格尺寸对模型进行剖分，其他层采用较小的网格尺寸对模型进行剖分。具体剖分算法如下图3所示，以下剖分步骤均是逐长方体块，多线程同时进行计算。

逐个模型网格剖分，采用对单个模型逐个剖分的方式，如图3所示。

在本发明的实施例中，对每个模型进行剖分，包括：

首先，对全域内的所有离散点赋网格初始属性值0；

其次，对模型三维轮廓线在Z方向逐层求取交线并保存；再次对Z方向上求取的交线在Y方向逐层求交点，并成对保存交点；

最后对Z方向上求取的交点对形成的小段在X方向逐层求交点，将交点的网格属性值标记为当前模型对应的实体编号，如1，2，3等。

步骤S4，对生成的网格进行检查修复。

由于多模型文件之间由于三维几何模型配合间隙造成的误差或网格剖分精度误差，会在网格剖分后存在间隙单元，这些间隙单元没有对应的实体编号，仍然保持初始属性值，会造成严重计算误差；同时网格剖分过程由于选取的最小网格尺寸过大，会造成部分模型局部区域产生非连续网格结构，在流动计算中，这种因为非连续的网格单元造成的孤立区域严重影响流动计算的准确性。

因此，在网格剖分结束后，采用本步骤将对生成的网格质量进行检查和修复。对网格质量的检查和修复均基于最高层生成的网格进行，具体采用如下步骤：

对生成的网格进行检查修复，其中对网格质量的检查和修复均基于最高层生成的网格进行，包括：

如果存在多个网格单元属性值为零但被其余实体单元包围，则认定该网格为间隙单元；

如果间隙单元相邻的多个单元被标记为实体单元，在其周围两层单元范围内存在相同网格属性的实体单元，则认定这些单元为非连续孤立单元。如图4(左图)所示，离散分布的暗红色网格即被认定为非连续孤立单元。

如果存在非连续孤立单元，则采用更小的网格尺寸重新进行剖分直至没有非连续孤立单元生成；或对体积分数低于1％非连续孤立单元直接赋予周围优先级较低的实体网格的标记属性。

步骤S5，输出节点信息至网格文件。

输出节点信息至网格文件，包括：将节点空间位置信息和实体标记属性信息输出至网格文件，供后续计算使用。

具体的，网格剖分实质为空间域的离散，离散过程即对空间域内的每个离散点(Xi,Yj,Zk)赋予不同的实体标号属性。在网格剖分结束，经检查无网格质量问题时，将节点空间位置信息以及实体标记属性信息输出至网格文件，供后续计算使用。

根据本发明实施例的用于铸造过程建模和仿真应用的自动网格剖分方法，针对铸造过程CAE的自动网格剖分方法，该方法采用多层加密技术，可以对模具三维模型进行自动网格剖分、网格质量检查、坏网格修复，在提高网格模型对几何模型逼近程度的基础上，大幅降低了总计算网格量，提升了计算效率。本发明采用高性能并行多层块结构自适应网格剖分算法；网格检查和修复方法。本发明在多层块结构布局下，相同剖分精度(对空间域三维几何模型的逼近程度)条件下总网格数量呈数量级下降，在保持计算准确度前提下，大大提升后续计算效率；网格剖分、检查和修复全部由本发明提供的方法自动完成，无需用户参与；网格剖分过程全并行，经测算，单个复杂模型剖分时间均在10s以内，相较传统有限元或有限差分离散方法，大大降低用户使用难度，缩短了剖分时间。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。