發(fā)布時間：2020-08-22 21:52

【摘要】：三角網(wǎng)格表面模型是一種通用的三維物體表示方法,它在機械工程中的逆向設(shè)計、快速原型制造、3D打印、有限元分析、虛擬仿真等方面起著非常重要的作用,因此三角網(wǎng)格表面模型重建及處理相關(guān)技術(shù)一直是機械工程領(lǐng)域研究的重要課題。本文所作的研究為三角網(wǎng)格表面模型重建及處理相關(guān)技術(shù)。在基于ICT(Industrial Computed Tomography)的逆向工程中,從序列切片圖像平面輪廓中進行輪廓匹配是三角表面網(wǎng)格重建的關(guān)鍵步驟,當物體的拓撲和輪廓較為復雜時,輪廓匹配將變得困難。在重建得到的三角網(wǎng)格表面模型中,需要做相應的處理,以滿足隨后的網(wǎng)格應用要求。這些網(wǎng)格處理包括:特征區(qū)域提取、可展區(qū)域提取和網(wǎng)格參數(shù)化等。由于有的機械零件表面幾何過渡尖銳,且在基于特征建模時凸凹特征同等重要,需要對其表面網(wǎng)格特征區(qū)域進行提取。對于從整體表面網(wǎng)格模型中獲取可展網(wǎng)格區(qū)域,目前方法中存在著未進行可展分類和未提取連續(xù)可展曲面網(wǎng)格的缺點。減少度量失真是表面網(wǎng)格參數(shù)化研究一直以來的一個重要目標,現(xiàn)有的網(wǎng)格參數(shù)化方法還不完善,并不能滿足應用要求。針對上述問題,對三角網(wǎng)格表面模型重建中的矢量化輪廓層間匹配、表面網(wǎng)格的特征區(qū)域提取、可展區(qū)域提取和曲面網(wǎng)格參數(shù)化等技術(shù)進行研究,主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)為了在物體的拓撲和輪廓結(jié)構(gòu)較為復雜時輪廓匹配能順利地進行,鑒于工業(yè)零件有一定的規(guī)則性和相鄰層間切片輪廓有一定的相似性,提出了一種基于形狀信息的輪廓匹配方法。在方法中,首先,利用每一種矢量化圖元的性質(zhì),進行相鄰層間圖元相互匹配;然后,基于匹配的圖元,采用接近原則和窮舉搜索,進行層間輪廓相互匹配。該方法充分利用了輪廓的形狀信息,能處理具有復雜結(jié)構(gòu)的工業(yè)零件輪廓匹配問題。(2)為利于表面幾何過渡尖銳的機械零件表面模型的基于特征的建模,在認知科學最小準則(minima rule,MR)基礎(chǔ)上,定義了修訂的最小準則(revised minima rule,RMR),并基于RMR原理提出了將凸凹特征區(qū)域從表面網(wǎng)格模型中分割提取的改進方法。方法利用規(guī)范化的網(wǎng)格頂點最小曲率的對數(shù)函數(shù),根據(jù)RMR確定了網(wǎng)格的特征頂點的求解公式,并利用迭代過程實現(xiàn)特征頂點的自動求解。根據(jù)獲得的特征頂點,通過增長鄰域獲得特征邊和特征面片。改進方法克服了原方法的缺點,無需參數(shù)設(shè)置,并能獲得比傳統(tǒng)方法更準確、更接近真實特征的結(jié)果。(3)針對目前表面網(wǎng)格模型可展區(qū)域提取方法中存在的問題即未進行可展分類和不能提取連續(xù)可展曲面網(wǎng)格,提出了提取和分類可展曲面網(wǎng)格的新方法。首先,利用可展曲面高斯曲率為零的特點對曲面網(wǎng)格模型進行泛可展曲面網(wǎng)格提取;然后,根據(jù)泛可展區(qū)域的邊界頂點創(chuàng)建條帶網(wǎng)格區(qū)域;第三,為得到的條帶網(wǎng)格區(qū)域進行直紋面擬合;第四,根據(jù)可展條件判斷直紋面可展與否并進行可展類型的判定;最后合并同一可展類型的條帶網(wǎng)格區(qū)域,得到大片同一可展類型的網(wǎng)格面片。新方法所得是精確分類網(wǎng)格面片,并且包括傳統(tǒng)方法不能獲得的連續(xù)柱面和連續(xù)錐面,這利于以后的網(wǎng)格處理。(4)為進一步減少曲面網(wǎng)格參數(shù)化中的度量失真即面積失真和角度失真,提出了一種自由邊界網(wǎng)格參數(shù)化方法。首先,進行從三維曲面網(wǎng)格面片到平面的初始固定邊界保形參數(shù)化;然后,在初始參數(shù)化結(jié)果的基礎(chǔ)上,進行自由邊界準調(diào)和參數(shù)化的迭代。在迭代中,每一個迭代步驟都更新其中的張量域,并且利用網(wǎng)格頂點主曲率方向構(gòu)建終止準則。新方法可得到較低度量失真的參數(shù)化結(jié)果,并利用一系列線性系統(tǒng)求解,方便進行計算。本文研究成果已經(jīng)集成到課題組所開發(fā)的軟件系統(tǒng)。使用結(jié)果驗證了這些方法能達到預期效果,即正確地進行重建表面網(wǎng)格模型中的序列層間輪廓匹配,準確地提取表面網(wǎng)格特征區(qū)域、提取和分類可展曲面網(wǎng)格,以及對曲面網(wǎng)格面片進行效率更高、度量失真更小的參數(shù)化。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.7

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本文編號：2801194