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基于点云数据的自由曲面网壳网格生成与优化方法研究进展李娜1宗伟.docVIP

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基于点云数据的自由曲面网壳网格生成与优化方法研究进展李娜1宗伟.doc

基于点云数据的自由曲面网壳 网格生成与优化方法研究进展* 李娜1 宗伟1 钱佳欢2 金豪2 南京林业大学机械电子工程学院,南京 210037;2. 南京林业大学土木工程学院,南京 210037) 提 要:本文对基于点云数据的自由形态的网格生成、网格质量评价指标、网格优化方法的发展现状进行整理与总结。首先基于逆向工程及有限元方法分类阐述在网格生成中常用的六种方法:Delaunay三角剖分法、区域增长法、组合法、映射法、基于栅格法、波前法,对各种网格生成方法的原理及特点进行了对比介绍,并结合相关文献对进展情况进行了梳理;介绍了适用于网壳结构的质量评价指标;将网格的优化方法依据优化目标分为基于几何元素优化、基于力学性能优化以及综合优化,并分别阐述各类优化方法原理与研究现状。最后简要探讨了自由曲面网壳结构的网格划分与优化工作的发展趋势。 关键词:自由曲面,网壳,点云,网格生成,网格优化 引言 具有球面、抛物面、椭球面等规则曲面的网壳结构可由传统的解析函数建模实现。随着计算机辅助几何设计技术的不断发展,当今建筑造型设计风格也越来越创新,大胆,别致。自由曲面造型因其独特的视觉表现力、富于灵动的美感而成为空间结构发展的一个重要方向。所谓自由曲面,是指不能由初等解析曲面组成,而以复杂方式自由变化的曲面形态[1]。在建筑参数化设计时代,自由曲面建筑造型往往借助于数字技术的设计方法,越来越多的数字化构建手段开始流行[2]。 随着三维扫描技术的不断推广,将实物样件进行原形扫描得到精准的测量点云,成为一项行之有效的数字化构建手段。该技术最初应用于产品设计制造业中的逆向工程:将实物模型转变为工程概念模型以期得到更好的改进与创新。在建筑行业逆向工程的应用近年来也有所发展[3]。美国著名的建筑师弗兰克·盖里在古根海姆博物馆设计中数字扫描手工模型,获取数字化几何信息[4-6],最终实现此博物馆“流动金属”式的建筑雕塑效果。澳大利亚鱼飞雕塑试验性项目形成一套可将自由曲线转化为数字模型并数字化加工制作的设计技术[5-6]。 但基于点云数据的数字化造型方法也给自由形态设计工作带来挑战:一方面,通过三维扫描技术获得的初始点云,经初步处理后依然具备数据量大、数据散乱等特点,因此基于点云数据的网格生成与优化的相关研究工作需要不断深入探索;另一方面点云数据很难直接满足网壳结构对于网格划分质量以及构件标准化制作的技术要求,因此实用化的网格生成与优化技术亦不断发展与应用。 网格生成方法 目前直接基于点云数据的网格生成方法较多应用于逆向工程中,而在有限元分析领域的网格划分技术发展相对成熟,特别是曲面网格生成技术对于基于点云数据的自由曲面网格生成可提供较多的技术参考。 (一)逆向工程的网格生成 1. Delaunay三角剖分 Delaunay三角剖分是目前最为流行的通用的网格生成方法与三角剖分标准,要求三角剖分满足空圆准则及最大化最小角特性准则等。该方法严谨,可生成“最接近于规则化”的三角网格。其实现算法可分为3类:分治法、逐点插入法和三角网生长法,前两种应用较多,算法计算效率与具体的实现算法相关[7]。 Delaunay三角剖分最先应用于二维平面,后逐渐推广至曲面及三维空间。经典的三维Bowyer-Watson[8-9]算法属于逐点输入法,根据四面体空外接球准则,由初始四面体单元-插入节点-计算外接球-删除相关联四面体-形成插入节点的空腔-形成新的四面体网格,直至网格划分完毕,此方法实现简单,但计算效率较低。针对平面点集特点,谢增广[10]在Delaunay三角化中引入了双链接边表(DCEL)的数据结构,实现分治算法的简化,计算效率较高。姜元政等[11]针对平面以及三维空间散乱点云提出一种以局部连接Delaunay边以及Delaunay面为主的三角剖分算法,该方法计算准确、易于实现。 2. 区域增长法 区域增长法源于图像分割,其原理为设定种子-按照生长准则搜寻扩展-直至临界停止增长。对于点云数据,可设定一个种子三角形,以种子三角形为基础边按一定检测规则向外搜寻新的节点而构成三角形,同时刷新边界集,不断向四周增长形成网格,直至生成完整的网格曲面。该算法易于实现,计算速度快,但不够严谨,有可能产生网格自交。 高福顺等[12]为防止产生拓扑错误,保证三角网格生成质量,引入一组综合考虑二面角、最小内角及边长限制检测的最佳匹配点检测规则;魏玫[13]设立二面角、已用点优先等检测规则,并增加内点邻接表以加快边的扩张性检测;张世辉和马淑静[14]引入并分析计算边界边权值以控制网格生长方向,可以较好地处理具有尖锐边界特征的网格剖分。 3. 组合方法 组合方法即将上述基于点云的网格生成方法有效结合,优势互补,从而达到更好的网格划分效果。 王先泽等[15]为提高曲面重塑的网格质量,在点云

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