基于有限元网格划分的网格调整方法、设备和存储介质与流程

1.本发明实施例涉及有限元网格处理技术，尤其涉及一种基于有限元网格划分的网格调整方法、设备和存储介质。


背景技术：

2.汽车结构有限元仿真开发中，有限元网格划分是影响仿真结果的关键因素，而整个汽车承载结构主要以冲压零件为主，如车身、开闭件、悬架等。有限元网格划分过程已经有专业前处理工具进行网格划分，如altair的hypermesh和beta公司的ansa，两款软件均包含一维、二维、三维网格生成的算法。
3.在汽车开发过程中，软件工具在汽车结构中生成网格算法后，仍然需要人工操作软件调整零件的局部复杂区域网格形状，该过程十分耗时，需要投入的人力较多、费用较高。随着汽车产品开发周期越来越短，网格调整效率与整体项目开发进度的矛盾也越来越突出。
4.因此，在零件网格划分的过程中如何自动化完成零件中复杂区域的网格调整是汽车结构cae性能仿真中亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种基于有限元网格划分的网格调整方法、设备和存储介质，提供了复杂区域内有限元网格的自动调整方案。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种基于有限元网格划分的网格调整方法，包括：获取cae软件针对目标零部件生成的三维网格特征；将所述三维网格特征向指定平面映射，得到二维几何特征；在所述二维几何特征中确定具有相互连接关系的外轮廓；在所述外轮廓包围的范围内逐行重新生成网格，并将重新生成得到的网格特征映射回三维空间。
7.第二方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如任一实施例所述的基于有限元网格划分的网格调整方法。
8.第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现任一实施例所述的基于有限元网格划分的网格调整方法。
9.本发明实施例将三维网格特征投影为二维几何特征，从而便于确定外轮廓；然后在二维平面内对外轮廓包围的范围内逐行重新生成网格，通过降维简化网格调整的计算，保证了网格调整的自动有序进行；最后将调整后的二维网格特征映射回三维空间，实现了
三维网格的自动调整。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1是本发明实施例提供的一种基于有限元网格划分的网格调整方法的流程图；图2是本发明实施例提供的多个连通区域的示意图；图3是本发明实施例提供的三维凸包和外轮廓三角平面的示意图；图4是本发明实施例提供的二维几何特征的外轮廓的示意图；图5是本发明实施例提供的修补前后的二维几何特征的示意图；图6是本发明实施例提供的凸多边形切分的示意图；图7是本发明实施例提供的线段集合的示意图；图8是本发明实施例提供的第一对向线段集合和第二对向线段集合的示意图；图9是本发明实施例提供的一种节点总数相等时逐行生成网格的示意图；图10是本发明实施例提供的另一种节点总数相等时逐行生成网格的示意图；图11是本发明实施例提供的节点总数不相等时逐行生成网格的示意图图12是本发明实施例提供的网格插值的示意图；图13是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
12.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
13.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
14.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
15.本发明实施例提供一种基于有限元网格划分的网格调整方法，适用于对汽车零部件的复杂区域进行自动化网格调整的情况，以解决汽车结构开发中网格调整效率低，需投入人员与费用较多的问题。该方法可以由电子设备执行。参见图1，本实施例提供的方法包
括：s110、获取目标零部件中待调整的三维网格特征，所述三维网格特征由cae软件生成。
16.本实施例中的目标零部件指汽车的板壳结构零部件。将目标零部件的cad模型导入cae软件中，cae软件自动生成整个目标零部件的三维网格特征；从整个目标零部件的三维网格特征中，确定待调整的三维网格特征。本实施例将在结构简单的区域保留cae软件自动生成的三维网格，而将结构复杂区域的三维网格特征作为调整对象。
17.可选地，首先将整个目标零部件的三维网格特征进行聚类，得到包围不合格网格（即三角形网格）的连通区域，所述连通区域的三维网格特征即为待调整的三维网格特征。
18.具体来说，基于机器学习中无监督学的聚类方法，以不合格网格之间的距离为目标对二维几何特征进行聚类，得到至少一个局部网格连通区域。图2是本发明实施例提供的多个连通区域的示意图，可以看出，聚类得到的连通区域之间相互独立，并不干涉。可选地，距离较近的多个不合格网格及其周围的正常网格聚为一簇，网格数较少的簇可以扩大范围形成新的连通区域。
19.可选地，所述三维网格特征，包括：包括点、线、面的数据，具体包括各点的编号、在原始坐标系中的坐标，线段的编号，面的编号等，并将点与线段信息保存，为后续步骤提供数据输入。其中，原始坐标系指三维空间坐标系，可以为整车坐标系、用户自定义坐标系或装配坐标系。
20.s120、将所述待调整的三维网格特征向指定平面映射，得到二维几何特征。
21.本实施例将网格特征从三维空间映射到二维平面，得到平面几何坐标点集和线段集，反映了目标零部件的二维几何特征。该二维几何特征用于确定二维平面内的网格调整范围。
22.可选地，首先根据所述待调整的三维网格特征的三维凸包确定面积最大的外轮廓三角平面，所述外轮廓三角平面即为所述指定平面。具体来说，根据待调整的三维网格特征构成的点集计算整个特征的三维凸包，然后基于三维凸包，找到面积最大的外轮廓三角平面，如图3所示。
23.得到所述外轮廓三角平面后，将所述待调整的三维网格特征向所述外轮廓三角平面进行投影，得到二维几何特征。由于所述外轮廓三角平面是由三维凸包确定的面积最大的平面，因此将三维点集投影到该平面上可以保证所有点、线落在该平面上，进而将三维网格特征完全地转换为二维几何特征。
24.s130、在所述二维几何特征中确定具有相互连接关系的外轮廓。
25.所述外轮廓将所述二维几何特征进一步抽象，概括为更加简单的边缘信息。具体来说，在所述二维几何特征中选取具有相互连接关系的点，并确定所述点的二维凸包；将所述二维凸包上的点以及点之间的连接关系构成所述外轮廓。
26.图4是本发明实施例提供的二维几何特征的外轮廓的示意图。如图4所示，外轮廓是一个有向的环路次序，由外轮廓上的点集和点之间的线段构成。
27.s140、在所述外轮廓包围的范围内逐行重新生成网格，并将重新生成得到的网格特征映射回三维空间。
28.具体来说，将外轮廓包围的平面范围内沿某一方向划分为多行；将划分结果逐行
传输给cae软件，通过cae软件重新划分网格，从而实现目标零部件自动化网格调整功能。逐行调整二维网格后，再将重新生成的网格节点的二维坐标映射回三维空间内，从而构成新的三维网格特征。
29.本实施例将三维网格特征投影为二维几何特征，从而便于确定外轮廓；然后在二维平面内对外轮廓包围的范围内逐行重新生成网格，降低了网格调整的空间维度，简化计算的同时保证网格调整的自动有序进行；最后将调整后的二维网格特征映射回三维空间，实现了三维网格的自动调整。
30.在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对三维网格特征的映射过程进行细化。在实际映射过程中，由于三维网格特征是基于原始坐标系定义的，为了便于运算可以基于所述外轮廓三角平面构建局部坐标系；根据所述局部坐标系与三维网格特征的原始坐标系之间的空间关系，对所述三维网格特征的整体进行平移和旋转；将平移和旋转之后的三维网格特征向所述外轮廓三角平面进行投影，得到二维几何特征。也就是说，坐标变换后再行投影。
31.具体来说，以三维网格特征中各节点的形心作为原点o'，以外轮廓三角平面的法向量和最长的边分别为z'轴和x'轴，建立局部坐标系，由于后续坐标线性变换均需要在同一个原点上进行，因此需要将局部坐标系的原点移动至整体坐标系的原点o，移动后局部坐标系中x'、y'、z'三个坐标轴相对于整体坐标系的x、y、z三个坐标轴相对角度不变。具体移动局部坐标系至原始坐标系时需要计算其原点在原始坐标系下的向量v，随后按照向量v的负方向移动一个以向量长度的距离，此时局部坐标系各轴相对于原始坐标系各轴的角度维持不变。
32.由于三维网格特征整体形状并不能完全垂直或者平行于原始坐标系的某个平面，因此在进行进一步处理特征信息时需要将特征整体在空间上进行旋转和平移。
33.计算局部坐标系各轴相较于原始坐标系各轴的角度，此时需要根据角度结果将特征沿原始坐标系进行旋转，使得整个特征中整体是平行于原始坐标系的xoy平面或xoz、yoz平面。计算局部坐标系各轴相对于原始坐标系各轴的角度，并且沿原始坐标系旋转，本质上是局部坐标系上的坐标点或原始坐标系上的坐标点乘以一个3
×
3旋转矩阵，该矩阵的各元素组成为上述局部坐标系与原始坐标系各轴之间角度值的三角函数。将完成坐标变换的点向局部坐标系xoy平面上投影，得到投影后的平面几何坐标点集和线段集，构成二维几何特征。
34.在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对外轮廓的确定过程进行细化。可选地，在所述二维几何特征中确定具有相互连接关系的外轮廓，具体包括如下步骤：步骤一、对所述二维几何特征进行修补。
35.所述二维几何特征由三维空间中的连通区域映射而来，在二维空间中也对应连通区域。当二维连通区域包括锯齿状结构时，对二维连通区域进行修补，消除锯齿状的边界。具体来说，在锯齿状网格旁增加网格，或删除锯齿状网格，使二维连通区域外围的网格形状规整，避免出现锯齿状结构，即保证每个节点都是凸的。
36.图5是本发明实施例提供的修补前后的二维几何特征的示意图。其中，图5(a)为修补前的二维几何特征，存在锯齿状结构；通过增加相邻网格对锯齿状结构进行修补，使相邻两端网格线的内角为大钝角；修补后的二维几何特征如图5(b)所示。
37.步骤二、判断所述修补后的二维几何特征是否为凸多边形。
38.本实施例将在凸多边形内重新进行网格划分。
39.步骤三、如果所述修补后的二维几何特征为凸多边形，则在所述修补后的二维几何特征中确定具有相互连接关系的外轮廓。如果不为凸多边形，将所述修补后的二维几何特征切分为至少两个凸多边形；在切分后的每个凸多边形中，确定具有相互连接关系的外轮廓。图6是本发明实施例提供的凸多边形切分的示意图。如图6所示，将一个二维连通区域划分为6个凸多边形。
40.可选地，在一凸多边形中确定所述外轮廓，所述外轮廓包括五条以上首尾相连的线段。具体来说，通过二维凸包算法识别一个凸多边形最外部的边界，该边界即为外轮廓，包括五条以上首尾相连的线段。
41.在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对逐行重新生成网格的过程进行细化。在一具体实施方式中，所述外轮廓归类为4个首尾相连的线段集合，包括两组对向线段集合。
42.图7是本发明实施例提供的线段集合的示意图，包括以下两种情况：1）所述外轮廓为4条首尾相连的线段，如图7(a)所示。这时，每条线段为一个线段集合。对向线段集合指“面对面”的线段集合，在左边的图中，线段集合a、c和线段集合b、d构成两组对向线段集合。
43.2）所述外轮廓包括5条以上首尾相连的线段，如图7(b)所示。这时得到所述外轮廓后，按照相连两线段夹角的要求，将所述外轮廓归类为4个首尾相连的线段集合。
44.具体来说，可选地，从满足夹角要求的相连线段中，选取内角最大的相连线段归类为一个线段集合；如果归类后线段集合与未选取线段的数量之和仍大于4，从未被选取的线段中选取内角最大的相邻线段归类为一个线段集合，依此类推，直到归类后线段集合与未选取线段的数量之和等于4，这时每条未选取的线段视为一个线段集合。
45.可选地，所述夹角要求包括：相连两线段的内角大于60
°
且小于110
°
。以图7右边的图为例，外轮廓包括首尾相接的5条线段a1、a2、b、c和d，其中，a1与a2的夹角大于60
°
且小于110
°
，则将a1与a2归类为一个线段集合a，b、c和d各自作为一个线段集合。线段集合a、c构成一组对向线段集合，线段集合b、d构成另一组对向线段集合。
46.需要说明的是，本步骤仅将多条线段归类为4个线段集合，并不改变二维凸包的形状。
47.当所述外轮廓归类为4个首尾相连的线段集合时，在所述外轮廓包围的范围内逐行重新生成网格，具体包括如步骤：步骤一、计算所述外轮廓的每组对向线段集合的节点总数的差值，并确定差值较少的第一对向线段集合。另一组对向线段集合为第二对向线段集合。
48.以图7为例，在a和c构成的一组对向线段集合中，获取线段集合a包括的网格节点总数与线段集合c包括的网格节点总数，其中每个线段集合的网格节点总数为每个线段集合包括的所有线段上的网格节点总数（两条线段连接处的网格节点只进行一次计数）；将两个网格节点总数相减，得到a和c构成的一组对向线段集合对应的差值。同样地，计算b和d构成的另一组对向线段集合对应的差值。
49.得到每组对向线段集合对应的差值后，将差值较小的一组对象线段集合作为第一
对向线段集合，包括的两个线段集合分别作为第一线段集合和第二线段集合；另一组对向线段集合作为第二对向线段集合，包括的两个线段集合分别作为第三线段集合和第四线段集合。图8是本发明实施例提供的第一对向线段集合和第二对向线段集合的示意图。
50.步骤二、在所述第一线段集合和第二线段集合之间逐行重新生成网格，以下通过两种可选实施方式说明该网格生成过程。
51.在一可选实施方式中，第一线段集合和第二线段集合的节点总数相等，则以第二对向线段集合中的线段方向为行，在所述第一线段集合和第二线段集合上逐行选定位置对应的点对，并经过所述点对绘制直线；然后逐行在两条相邻的直线之间重新生成网格。
52.图9和图10分别是本发明实施例提供的两种节点总数相等时逐行生成网格的示意图。其中，图9中第三线段集合和第四线段集合的节点总数相等，图10中第三线段集合第四线段集合的节点总数不等。
53.如图9或图10所示，将第一线段集合和第二线段集合上的节点按照第一方向（例如从上往下）排序后，将节点序号i初始化为1，分别选取第一线段集合中的第i个节点和第二线段集合中的i个节点，组成位置对应的点对；经过所述点对绘制直线，根据上一条直线上的网格节点，使用cae软件的网格创建操作在新绘制的直线上插入一系列网格节点，生成新网格；将节点序号i加1，返回选取位置对应的点对的步骤，直至外轮廓包围的区域被填充完毕。其中，i=1时，将第三线段集合中的网格节点作为上一条直线上的网格节点。
54.图9与图10的区别在于，图9中相邻两条直线上的网格点数量一致，生成一行四边形网格；而图10中如果相邻两条直线上的网格节点数量不一致，则生成的一行网格中存在三角形网格。
55.在另一可选实施方式中，第一线段集合和第二线段集合的节点总数不等，则确定节点数较多的第一线段集合，相应地，在第一线段集合和第二线段集合之间逐行重新生成网格的过程分为两个阶段：第一阶段：以第二对向线段集合中的线段方向为行，在所述第一线段集合和第二线段集合上逐行选定位置对应的点对，并经过所述点对绘制直线，逐行在两条相邻的直线之间重新生成网格，直至第二线段集合中的节点选取完毕。具体过程如上一可选实施方式所述，不再赘述。
56.第二阶段：第二线段集合中的节点选取完毕后，经过所述第一线段集合中未选取的点绘制直线，继续在两条相邻的直线之间重新生成网格。为了便于区分和描述，将第一阶段中绘制的直线称为第一直线，将第二阶段中绘制的直线称为第二直线。
57.图11是本发明实施例提供的节点总数不相等时逐行生成网格的示意图。如图11所示，所述第一对向线段集合包括线段集合a和线段集合c，将节点数较多a确定为第一线段集合，以第二对向线段集合中的线段方向为行，分别选取第三线段集合b中的第i个节点和第四线段集合d中的第i个节点，组成位置对应的点对，并经过所述点对绘制直线；根据上一条直线上的网格节点，使用cae软件的网格创建操作在新绘制的直线上插入一系列网格节点，生成新网格；将选取的节点序号i加1，返回选取位置对应的点对的操作，直至第二线段集合中的节点选取完毕。其中，i=1时，将第一线段集合中的网格节点作为上一条直线上的网格节点。
58.第二线段集合中的节点选取完毕后，第一线段集合中还存在未选取的节点。将另
一节点序号j初始化为1，从第一线段集合的未选取节点中选取第j个节点，经过所述第j个节点沿第二线段集合的方向逐行绘制直线；根据上一条直线上的网格节点，使用cae软件的网格创建操作在新绘制的直线上插入一系列网格节点，生成新网格；将节点序号j加1，返回从第一线段集合的未选取节点中选取第j个节点的操作，直至第一线段集合中的节点选取完毕。为了便于区分，在图11中用实线表示第一直线，用虚线表示第二直线。
59.本实施例通过在对向线段集合之间自动绘制直线，在相邻直线之间重新生成二维网格。与原始二维网格相比，重新生成的二维网格形状更加规则，不合格网格的数量更少，从而使三维空间的网格划分更加合理，更有利于后续的有限元计算。
60.可选地，在二维平面内得到重新生成的网格后，根据所述外轮廓的二维几何特征与三维空间的映射关系，采用插值法将重新生成得到的网格特征映射回三维空间。
61.由上述实施例可知，所述二维几何特征是原始坐标系中的三维网格特征进行平移、旋转及投影后得到的，因此根据所述平移、旋转及投影操作的逆映射，仍可以将二维几何特征映射回三维空间。同理，根据所述逆映射，也可以将重新生成得到的网格特征映射回三维空间。
62.图12是本发明实施例提供的网格插值的示意图。以图12为例，二维平面内的网格节点a、b是由三维空间中的网格节点进行平移、旋转及投影后得到的，将所述平移、旋转及投影操作记为映射f。c、d为通过上述实施例记载的步骤在二维平面内重新生成的网格节点。在将c、d映射回三维空间时，首先根据a、b在二维空间内的坐标，插值得到c、d在二维空间内的坐标；然后将该坐标通过f的逆映射映射回三维空间，得到三维空间内的新网格节点。这样就实现了三维网格的调整。
63.图13为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图13所示，该设备包括处理器40、存储器41、输入装置42和输出装置43；设备中处理器40的数量可以是一个或多个，图13中以一个处理器40为例；设备中的处理器40、存储器41、输入装置42和输出装置43可以通过总线或其他方式连接，图13中以通过总线连接为例。
64.存储器41作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的基于有限元网格划分的网格调整方法对应的程序指令/模块。处理器40通过运行存储在存储器41中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的基于有限元网格划分的网格调整方法。
65.存储器41可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器41可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器41可进一步包括相对于处理器40远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
66.输入装置42可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置43可包括显示屏等显示设备。
67.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一实施例的基于有限元网格划分的网格调整方法。
68.本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意
组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（ram）、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
69.计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
70.计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
71.可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c ，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如”c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
72.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。