基于cad的初始表面幾何圖形校正的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明概括而言涉及計算機程序和系統(tǒng)領(lǐng)域，具體而言，涉及計算機輔助設(shè)計 (CAD)、計算機輔助工程（CAE)、建模以及仿真領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 市場上提供了許多系統(tǒng)和程序用于部分或者部分的組裝的設(shè)計。這些所謂的CAD 系統(tǒng)允許用戶構(gòu)造并且操縱對象或者對象的組裝的復雜的三維模型。因此，CAD系統(tǒng)使用 邊或線，某些情況下使用面，來提供對模型化的對象的表示。線、邊、面或多邊形可以用多種 方式表示，例如，非均勻有理B樣條（NURBS)。
[0003] 這些CAD系統(tǒng)管理主要是幾何圖形的規(guī)格說明的模型化的對象的部分或者部分 的組裝。具體而言，CAD文件包含利用其生成幾何圖形的規(guī)格說明。利用幾何圖形來生成 表示。規(guī)格說明、幾何圖形和表示可以存儲在單獨的CAD文件或多個CAD文件中。CAD系統(tǒng) 包括用于將模型化的對象呈現(xiàn)給設(shè)計者的圖形工具；這些工具專用于復雜對象的顯示，即， 在CAD系統(tǒng)范圍中呈現(xiàn)對象的文件的典型大小，而對于部分，其通常是兆字節(jié)數(shù)量級。組裝 可以包含數(shù)千個部分，并且組裝文件相應(yīng)地較大。CAD系統(tǒng)管理存儲在電子文件中的對象的 模型。
[0004] CAD和CAE系統(tǒng)的出現(xiàn)允許對于對象的廣泛表示的可能性。一個這樣的表示是有 限元分析（FEA)模型。術(shù)語FEA模型、有限元（FE)模型、有限元網(wǎng)格以及網(wǎng)格在整個說明 書中可互換地使用。FE模型通常表示CAD模型，并且由此可以表示一個或多個部分或整個 組裝。FE模型是被稱為節(jié)點的點的系統(tǒng)，這些節(jié)點彼此互連以形成柵格，被稱為網(wǎng)格。按照 如下方式可以對FE模型進行編程：FE模型具有基本的對象以及所述基本的對象表示的對 象的屬性。當FE模型以這樣的方式進行編程時，其可以用于執(zhí)行對所表示的對象的仿真。 例如，F(xiàn)E模型可以用于表示車輛的內(nèi)部空腔、圍繞結(jié)構(gòu)的聲學流體以及任何數(shù)量的現(xiàn)實世 界的對象（包括例如支架之類的醫(yī)療設(shè)備）。當給定的FE模型表示對象，并且因此進行編 程時，所述給定的FE模型可以用于對現(xiàn)實世界中的對象本身進行仿真。例如，表示支架的 FE模型可以用于對在現(xiàn)實世界中的醫(yī)療設(shè)定中支架的使用進行仿真。
[0005] 然而，有限元仿真的有用性受到仿真本身的準確性限制。例如，在有限元仿真中的 常見誤差是穿透，即，生成指示了 FE模型的表面已經(jīng)被破壞或者已經(jīng)破壞了另一 FE模型的 表面、或者接觸的兩個表面之間虛假的間隙的結(jié)果的仿真。雖然存在現(xiàn)有的方案來補償這 些誤差并且增強了有限元仿真的準確性，但是這些現(xiàn)有的方案是不充分的。
[0006] 有限元仿真通常涉及曲面之間的接觸。曲面之間的接觸的成功的有限元仿真通常 依賴于這些界面的良好的分辨率。然而，基于有限元的暴露的側(cè)面的表面的小平面的呈現(xiàn) 通常不是幾何圖形的準確表示。這往往導致魯棒地開始仿真時的各種困難并且常常造成感 興趣的解決方案結(jié)果的嚴重不準確性。
[0007] 本領(lǐng)域中存在兩種方法來解決這些誤差。一種方法被稱作等幾何有限元方法，其 中，有限元公式是直接基于CAD類型的空間插值（NURBS等）的。Thomas J.R. Hughes教授 已經(jīng)成為這一方法的首席研宄員和支持者。該方法的一些形式已經(jīng)被LS-Dyna?或可能 其他CAD系統(tǒng)所采用。
[0008] 解決這些誤差的另一個公知的方法是通過圓周和球形的平滑能力。使用此能力， 用戶指示用于圓周平滑的近似圓柱軸或者用于球形平滑的近似球心。如果CAD幾何圖形是 已知的，則過程將針對基于有限元的部分的、相關(guān)聯(lián)的CAD幾何圖形分別是精確的軸對稱 的或球形的表面來自動地書寫圓柱軸或球形中心。該方法基于初始CAD與給定的表面的有 限元表示之間的差異，向穿透/間隙距離計算引入校正。
[0009] 等幾何有限元方法的缺點包括導致勁度矩陣的完全填充的高級連通性。插入器的 高階連續(xù)性同樣可能是某些類型的變化模式的缺點。進一步地，該方法是非直觀的（例如， 控制點不在真實表面上）。
[0010] 圓周/球形平滑方法的缺點和限制包括在某些情況下用于用戶指定圓柱軸或球 心的繁瑣的操作。進一步地，該方法僅適用于某些表面形狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 因此，需要提高有限元仿真的準確性的方法。本發(fā)明的實施例使執(zhí)行涉及曲面接 觸的有限元分析更簡單。
[0012] 申請人先前實現(xiàn)了用于改善具體的普通曲線幾何圖形類型（例如，圓柱體、圓錐 體以及球體）的接觸處理的方法。利用本發(fā)明，申請人將先前的方法擴展至更普遍的曲面 類型。有限元分析的預處理（網(wǎng)格生成）通常開始于非常準確的計算機輔助設(shè)計（CAD)幾 何圖形說明。本發(fā)明的實施例使用CAD表面信息來說明在初始有限元幾何圖形與初始真實 幾何圖形之間的差異。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法和相對應(yīng)的系統(tǒng)集中于執(zhí)行有限元仿真。本發(fā)明的實 施例通過獲取第一有限元模型和所述第一有限元模型表示的第一 CAD模型開始。接下來， 所述方法通過至少使用所述第一有限元模型和第一 CAD模型來執(zhí)行有限元仿真而繼續(xù)，其 中，所述執(zhí)行包括：確定在第一有限元模型與第一 CAD模型之間的一個或多個變化。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述有限元仿真包括確定在第一有限元模型與第一 CAD模 型之間的一個或多個變化。在這樣的實施例中，在第一有限元模型與第一 CAD模型之間的 一個或多個變化可以包括在第一有限元模型的小平面與第一 CAD模型的表面之間的距離。 根據(jù)實施例，所述距離可以是在初始獲得的（即，在執(zhí)行任何仿真或使所述有限元模型變 形的任何仿真之前）第一有限元模型與第一 CAD模型的表面之間的距離。在本發(fā)明的另一 個實施例中，所述方法進一步包括：獲取第二有限元模型和所述第二有限元模型表示的第 二CAD模型。進一步地，在這樣的實施例中，執(zhí)行有限元仿真包括：對在第一有限元模型與 第二有限元模型之間的接觸進行。此外，使用除了第一有限元模型以外的第二有限元模型 以及第二CAD模型來執(zhí)行有限元仿真。根據(jù)本發(fā)明的實施例進一步包括：獲取第二有限元 模型和第二CAD模型，并且使用第二有限元模型和第二CAD模型來執(zhí)行有限元仿真，在這樣 的實施例中，執(zhí)行所述有限元仿真包括：利用第一 CAD模型和第二CAD模型來確定有限元仿 真中的一個或多個誤差。在示例實施例中，有限元仿真中的一個或多個誤差可以是間隙和 穿透中的至少一個。
[0015] 本發(fā)明的替代實施例包括：獲取第一有限元模型、第一 CAD模型、以及第二CAD模 型。這樣的實施例進一步包括執(zhí)行對第一有限元模型與第二CAD模型之間的接觸進行仿真 的有限元仿真，以及使用第一有限元模型、第一 CAD模型、以及第二CAD模型來執(zhí)行所述有 限元仿真。然而，在本發(fā)明的這樣的實施例中，進一步地，在所述有限元仿真中將第二CAD 模型作為剛體處理。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，執(zhí)行有限元仿真包括：基于所述第一 CAD模型生成一個或 多個插值函數(shù)，以及利用所述插值函數(shù)來執(zhí)行有限元仿真。在這樣的實施例中，插值函數(shù)可 以近似第一 CAD的幾何圖形。在本發(fā)明的另一實施例中，第一有限元模型表示至少兩個部 分，并且所述有限元仿真對所述至少兩個部分之間的接觸進行仿真。
[0017] 本發(fā)明的替代實施例針對用于執(zhí)行有限元仿真的系統(tǒng)。在這樣的實施例中，所述 系統(tǒng)包括被配置為獲取第一有限元模型和所述第一有限元模型表示的第一 CAD模型的模 型模塊。所述系統(tǒng)可以進一步包括被配置為至少使用第一有限元模型和第一 CAD模型來執(zhí) 行有限元仿真的仿真模塊，所述執(zhí)行包括確定在第一有限元模型與第一 CAD模型之間的一 個或多個變化。根據(jù)本發(fā)明的實施例，在第一有限元模型與第一 CAD模型之間的一個或多 個變化包括在第一有限元模型的小平面與第一 CAD模型的表面之間的距離。
[0018] 在所述系統(tǒng)的替代實施例中，所述模型模塊進一步被配置為獲取第二有限元模型 和第二有限元模型表示的第二CAD模型。此外，在這樣的實施例中，所述有限元仿真包括對 第一有限元模型與第二有限元模型之間的接觸進行仿真，并且所述仿真模塊進一步被配置 為使用第二有限元模型和第二CAD模型來執(zhí)行有限元仿真。
[0019] 在進一步被配置為獲取第二CAD模型的系統(tǒng)的實施例中，所述仿真模型可以被配 置為利用第一 CAD模型和第二CAD模型來確定有限元仿真中的一個或多個誤差。在這樣的 實施例中，有限元仿真中的一個或多個誤差是被仿真的接觸中的誤差，所述一個或多個誤 差是間隙以及穿透中的至少一個。
[0020] 根據(jù)本系統(tǒng)的另一實施例，所述模型模塊被配置為獲取第二CAD模型。此外，所述 仿真模塊進一步被配置為使用第二CAD模型來執(zhí)行有限元仿真，并且所述有限元仿真對第 一有限元模型與第二CAD模型之間的接觸進行仿真。在本發(fā)明的另一實施例中，所述仿真 模塊進一步被配置為在有限元仿真中將第二CAD模型作為剛體處理。
[0021] 根據(jù)本系統(tǒng)的實施例，所述仿真模塊可以進一步被配置為：基于第一 CAD模型來 生成一個或多個插值函數(shù)，并且在