本發明涉及計算機建模，尤其涉及一種拓撲優化結果的cad模型重構方法及裝置。

背景技術：

1、拓撲優化(topology?optimization)是一種在設計約束下，通過迭代調整尋找最佳材料分布和結構布局的方法。拓撲優化可用于設計高強度、輕量化的結構，在工程設計中得到了廣泛應用。

2、然而，從拓撲優化結構中提取的網格模型多為高密度、低質量的網格模型，這類網格模型難以直接應用于設計驗證、原型制造等設計迭代環節。為了滿足上述再設計需求，通常需要對從拓撲優化結構中提取的網格模型重構為更易于處理的cad(computer?aideddesign，計算機輔助設計)模型。

3、目前，可以直接對從拓撲優化結構中提取的網格模型的頂點數據進行曲面擬合，這種方法不僅涉及過多變量，且重構效果較差，重構效率低。而基于骨架和輪廓線提取的模型重構方法，雖然在重構效率和效果上較優，但是該類方法僅適用于管狀拓撲優化結構，通用性不足。而基于草圖繪制與布爾運算等操作的人工重構方法，不僅耗時且易出錯，效率也較低。

技術實現思路

1、針對相關技術中存在的不足之處，本發明提供了一種拓撲優化結果的cad模型重構方法及裝置，以解決目前的三角網格重構方法重構效果較差，重構效率低，通用性不足的問題。

2、第一方面，本技術提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，包括：

3、基于三維拓撲優化結果生成待重構三角網格模型；

4、對所述待重構三角網格模型進行網格預處理，得到預處理三角網格模型，其中，所述待重構三角網格模型為從拓撲優化結構中提取的網格模型，所述待重構三角網格模型具有鋸齒狀邊界和冗余頂點，并且所述預處理三角網格模型不具有鋸齒狀邊界和冗余頂點；

5、對所述預處理三角網格模型進行組件型網格分割，得到至少兩個組件子網格，其中，所述組件子網格的拓撲結構不為單位圓盤拓撲結構；

6、分別對各個所述組件子網格進行面片型網格分割，得到至少兩個子網格面片，其中，所述子網格面片的拓撲結構為單位圓盤拓撲結構；

7、對各個所述子網格面片進行初始參數化，得到各子網格面片的初始參數化結果；

8、基于所述初始參數化結果對各個所述子網格面片進行迭代參數化，得到各子網格面片的最終參數化結果；

9、基于各所述最終參數化結果進行均勻插值采樣，得到多組采樣點；

10、利用所述采樣點生成與各子網格面片對應的樣條曲面；

11、裝配所述樣條曲面，生成與所述三維拓撲優化果對應的重構cad模型。

12、可選的，根據本發明提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，所述預處理三角網格模型由三角面片和頂點組成，所述對所述預處理三角網格模型進行組件型網格分割，得到至少兩個組件子網格，包括：

13、提取所述預處理三角網格模型的所有頂點的信息特征；

14、根據所述信息特征對所述預處理三角網格模型的每個三角面片進行分類預測；

15、根據所述三角面片的分類預測結果，對所述預處理三角網格模型進行組件型網格分割，得到至少兩個組件子網格。

16、可選的，根據本發明提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，所述分別對各個所述組件子網格進行面片型網格分割，得到至少兩個子網格面片，包括：

17、根據所述組件子網格中所有相鄰三角面片之間的距離，計算每個三角面片屬于不同分割區域的初始概率；

18、基于所述初始概率，迭代調整每個三角面片的屬于不同分割區域的概率直至收斂，得到每個三角面片屬于不同分割區域的最終概率；

19、基于所述最終概率確定分割邊界；

20、基于所述分割邊界分別對各個所述組件子網格進行面片型網格分割，得到至少兩個子網格面片。

21、可選的，根據本發明提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，所述對各個所述子網格面片進行初始參數化，得到各子網格面片的初始參數化結果，包括：

22、創建單位方形參數域；

23、將所述子網格面片利用floater?shape-preserving法映射至所述單位方形參數域，得到各子網格面片的初始參數化結果，其中，所述初始參數化結果為所述子網格面片在所述單位方形參數域中的初始二維參數坐標。

24、可選的，根據本發明提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，所述基于所述初始參數化結果對各個所述子網格面片進行迭代參數化，得到各子網格面片的最終參數化結果，包括：

25、基于所述初始參數化結果，將所述子網格面片迭代映射至所述單位方形參數域，直至參數化過程中的幾何拉伸值不再減小，得到各子網格面片的最終參數化結果，其中，所述最終參數化結果為所述子網格面片在所述單位方形參數域中的最終二維參數坐標，迭代參數化采用的參數化方法為凸組合法、最小化能量方法和自由邊界法中的其中一種參數化方法。

26、可選的，根據本發明提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，所述基于所述最終參數化結果進行均勻插值采樣，得到多組采樣點，包括：

27、在所述單位方形參數域中設置直線方格；

28、在所述直線方格中，基于所述最終二維參數坐標進行均勻插值，得到均勻插值點集；

29、將與所述均勻插值點集中的均勻插值點距離最近的所述子網格面片的三角面片的三個頂點的最終二維參數坐標確定為參考二維參數坐標；

30、根據所述均勻插值點的二維坐標和所述參考二維參數坐標，利用重心坐標插值公式，計算所述均勻插值點對應的重心系數，所述重心坐標插值公式為：

31、

32、γ＝1-α-β

33、其中，(x,y)為所述均勻插值點的二維坐標，α,β,γ為重心系數，(xa,ya),(xb,yb),(xc,yc)分別為所述子網格面片的三角面片δabc的三個頂點a，b，c的最終二維參數坐標；

34、對所述均勻插值點所在的所述子網格面片的三維網格頂點，利用所述重心坐標插值公式和所述重心系數，計算所述均勻插值點對應的三維頂點空間坐標，其中，所述均勻插值點對應的三維頂點空間坐標為所述采樣點的三維空間坐標。

35、可選的，根據本發明提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，所述利用所述采樣點生成至少兩個樣條曲面，包括：

36、根據所述均勻插值點對應的三維空間坐標，將所述均勻插值點確定為樣條控制點；

37、根據所述樣條控制點生成所述樣條曲面。

38、可選的，根據本發明提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，所述裝配所述樣條曲面，生成與所述三維拓撲優化果對應的重構cad模型，包括：

39、將所有所述樣條曲面通過相鄰邊連接，生成與所述三維拓撲優化果對應的重構cad模型。

40、可選的，根據本發明提供的拓撲優化結果的cad模型重構方法，所述網格預處理包括拉普拉斯平滑和各向同性重新網格化，其中，拉普拉斯平滑和各向同性重新網格化的迭代次數不超過三次。

41、第二方面，本技術提供的拓撲優化結果的cad模型重構裝置，包括：

42、模型生成單元，用于執行：基于三維拓撲優化結果生成待重構三角網格模型；

43、網格預處理單元，用于執行：對待重構三角網格模型進行網格預處理，得到預處理三角網格模型，其中，所述待重構三角網格模型為從拓撲優化結構中提取的網格模型，所述待重構三角網格模型具有鋸齒狀邊界和冗余頂點，并且所述預處理三角網格模型不具有鋸齒狀邊界和冗余頂點；

44、組件型網格分割單元，用于執行：對所述預處理三角網格模型進行組件型網格分割，得到至少兩個組件子網格，其中，所述組件子網格的拓撲結構不為單位圓盤拓撲結構；

45、面片型網格分割單元，用于執行：分別對各個所述組件子網格進行面片型網格分割，得到至少兩個子網格面片，其中，所述子網格面片的拓撲結構為單位圓盤拓撲結構；

46、初始參數化單元，用于執行：對各個所述子網格面片進行初始參數化，得到各子網格面片的初始參數化結果；

47、迭代參數化單元，用于執行：基于所述初始參數化結果對各個所述子網格面片進行迭代參數化，得到各子網格面片的最終參數化結果；

48、采樣單元，用于執行：基于各所述最終參數化結果進行均勻插值采樣，得到多組采樣點；

49、樣條曲面生成單元，用于執行：利用所述采樣點生成與各子網格面片對應的樣條曲面；

50、cad模型裝配單元，用于執行：裝配所述樣條曲面，生成與所述三維拓撲優化果對應的重構cad模型。

51、本發明首先對從拓撲優化結構中提取的三角網格模型進行網格預處理，進行網格預處理后的三角網格模型不具有鋸齒狀邊界和冗余頂點，因此更有利于后續的網格模型重構。然后對預處理三角網格模型進行組件型網格分割，得到至少兩個組件子網格。組件型網格分割后的網格拓撲結構不為單位圓盤拓撲結構，不滿足參數化要求。因此針對分割后的組件子網格再進行面片型網格分割，得到至少兩個子網格面片。子網格面片的網格拓撲結構為單位圓盤拓撲結構，因此滿足參數化要求，網格模型可以繼續進行后續的參數化。之后對各個子網格面片進行初始參數化，得到初始參數化結果。基于初始參數化結果進行迭代計算，即進行迭代參數化，得到最終參數化結果。最后基于最終參數化結果進行均勻插值采樣，得到多組采樣點，并生成與各子網格面片對應的樣條曲面，裝配這些樣條曲面，生成與所述三維拓撲優化果對應的重構cad模型。

52、本發明提供的技術方案包括以下有益效果：

53、通過平滑、分割以及參數化等一系列幾何處理，將其重構為基于參數曲面表達的cad模型，具有高自動化程度、強可實現性和操作簡單等優點，能夠在一定程度解決拓撲優化結構進行再設計迭代的問題。同時，生成的模型為常用的iges格式，適用于后續的產品結構分析、原型制造驗證與設計驗證參數化設計等環節。

54、相對于提取骨架、輪廓線等拓撲優化結構的重構方法，應用場景不局限于管狀的拓撲優化結構，在處理管狀和非管狀模型特征時效果無明顯差異，具有更強的通用性，能夠適應工業結構優化的多樣性需求。

55、在網格分割過程中采用二次分割策略方案，針對拓撲優化結構具有強對稱性幾何特征的特點，先應用“組件”型網格分割，再應用“面片”型網格分割，產生的子網格數量較少，提高了重構效率。

56、為模塊化設計，各環節高度獨立，可針對不同幾何特點的拓撲優化結構，通過模塊化地更換其它預處理方法、網格分割方法與參數化方法，進一步提升網格模型的重構效率，優化重構質量。