基于STL文件的有限元模拟模具自动生成技术

1、基于 S TL 文件的有限元模拟模具自动生成技术温建昌董湘怀李赞(华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室)摘要 : 针对板料成型模拟技术 ,在分析三维 S TL 文件格式数据结构的基础上 ,提出了对实体数据模型进行自动诊断与修复的原则和方法 ,并自动生成具有三角形网格的冲压模具 ,减轻了模具网格剖分的工作量 ,开发了 适应性强的程序 ,通过实际应用证明了程序的实用性.关 键 词 : 板料成型模拟 ; S TL ; 实体数据模型 ; 诊断 ; 修复 ; 网格剖分中图分类号 : T G386文献标识码 : A文章编号 : 167124512 (2002) 0220027203在有限元分析

2、计算中 ,前期的数据准备费时费力 ,整个过程极其复杂 ,是板料成型模拟的前提 和关键技术. 而空间曲面网格剖分难度更大 , 因此 ,寻求简易快捷的模具生成及其网格剖分方法具有重要意义 . 本文选用大型造型系统中常用的 S TL 造型文件格式为接口数据文件 ,研究有限元 前置处理的模具自动生成和网格剖分技术.拓扑关系是三维有限元网格剖分和模具型面自动生成的基础. 由于 S TL 文件重复记录一些顶点信 息 ,造成大量的数据冗余. 在 S TL 文件中顶点数约为面片数的一半 ,边数为面片数的的 1 . 5 倍 . 因此建立拓扑关系可以降低数据量.从 S TL 数据模型中提取工件网格模型的拓 扑信息

3、的过程如下 :首先是依次读出三角面片 ,一 个三角面片对应一个三角形单元 ,每读取一个三角面片 ,就生成一个相应的三角形单元的三个节 点编号和法向量 ,每个节点单元记录节点编号和三个顶点的坐标分量 . 然后归并重复的点和由于计算误差而造成的相距很近的分离点 ,建立一个 无重复点的节点链表 ,对节点链表重新进行编号 ,调整单元链表中记录的相应顶点编号 ,三个顶点 的排列顺序符合右手定则. 拇指指向平面的外法线矢量.1压缩冗余信息 ,建立拓扑结构S TL 文件1 是通过对 CAD 实体模型或曲面模型进行表面三角化离散得到的 ,相当于用一种 全由小三角形面片构成的多面体来近似原 CAD模型. 在 S

4、 TL 文件中它提供了每一个小三角形的三个顶点的绝对坐标值和描述小三角形方向的平 面外法线矢量 (如图 1) .2模型缺陷分析 、诊断与修复从文件格式分析得知 , S TL 文件所描述的正确实体数据模型应满足右手法则 、顶点法则和边 法则.在实际应用中 ,不符合上述三条法则的模型缺陷 ,可以分成四大类 :a . 三角形平面的的法矢方向与三角形顶点 之间不符合右手法则 (如图 2) ;b 三角形的某个顶点落在另一个三角形的边 上 ,不符合顶点法则 (如图 3) ;图 1 曲面的 S TL 文件表示拓扑信息主要描述各几何实体间的连接关系和邻接关系2 ,3 . 对 S TL 来说 ,每个三角形应该与

5、 另外三个共边三角形相连接 ,从任何一条边可以知道它的两个顶点以及共此边的两个三角形 ,顶 点的连接信息应包括共此点的所有边和所有三角形面片. 目前 S TL 文件中不包含拓扑信息 ,建立收稿日期 : 2001210210 .作者简介 : 温 建 昌 ( 19762) , 男 , 硕 士 研 究 生 ; 武 汉 , 华 中 科 技 大 学 塑 性 成 型 模 拟 及 模 具 技 术 国 家 重 点 实 验 室(430074) .基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (59875025) ;教育部优秀年轻教师基金资助项目.学 报 (自然科学版)28华 中 科 技 大学第 30 卷a . 取不符

6、合上述法则的顶点 , 在节点链表中找到相应的节点 , 标记为 10 . 如图 4 中的 G , H点 .图 2 不符合右手法则图 3 不符合顶点法则c . 同一个顶点相分离 ,在 CAD 造型系统中 ,由于其本身的浮点运算精度与 S TL 模型转换精 度等的影响 , CAD 实体数据模型向 S TL 三角形 面化数据模型转化时 ,出现同一个顶点分离成几个顶点的现象 ,导致与这些分离点相连的某些三 角形不符合边法则 ;d. 出现悬浮和重叠面 , 有裂缝和孔洞等.对于第一种缺陷 , 由于空间曲线具有连续性 和平滑性 , 相邻三角面片的法矢夹角不大于 90°.因此 , 若出现相邻法矢夹角大

7、于 90°, 则将其中不 符合右手法则的法矢反向. 具体判断和修复方法如下.图 4 复杂缺陷的修复b. 遍历所有单元 , 若组成该单元的三个顶点 中含有标记为 10 的节点 , 则将该单元标记为 10 . 如图 4 (a) 中的三角形单元 B HD , G H E , B FG .c . 在节点链表中删除标记为 10 的节点.d. 在单元链表中删除标记为 10 的单元. 形 成如图 4 ( b) 的局部小区域 A B CD E FA .e. 依次选取局部小区域边界顶点 , 生成一个链表.f . 选取一个边界顶点 , 如图 4 ( c) 中的点 A , 生成一个新单元 , 加入单元链表

8、 , 该单元的三个节 点依次为该顶点和顺序接下来的两个顶点. 如图4 (c) 中的三角形单元 A B C .g. 生成一个新单元 , 其节点依次为前面选取 的顶点 , 如图 4 (c) 中的点 A , 前一单元的最后一顶点 , 如图 4 ( c) 中的点 C , 及链表中接下来的一 个顶点 , 如图 4 (c) 中的点 D .h. 重复 g , 直到所有小区域边界链表顶点都 遍历一次.i. 重复上述过程直到所有需要重新划分的 区域都处理完 .j . 重 新 排 列 单 元 号 和 节 点 号 , 并 做 优 化 处理 .两个向量 a ( a x , a y , a z ) , b ( bx ,

9、量积定义为by ,bz )的数a ·b = a x bx + a y by + a z bz ,它们的向量积定义为a ×b = ( a y bza x bz ) j + ( a x by - a z by ) i + ( a z bx -a y bx ) k .如果 a ·b 为正 , 表示两个向量的夹角小于90°, 反之大于 90°. 因此通过相邻三角面片法向量 的数量积 , 可以判断他们法向量是否一致. 如果不 一致 , 则分别判断三角单元是否符合右手法则. 由 顶点 v 1 指向 v 2 的向量为 v12 , 由顶点 v 1 指向 v 3

10、 的向量为 v13 , 判断向量 v = v12 ×v13 与三角单元 的法向量 n 的方向是否一致 , 若不一致 , 则将 n 反向.对 于 第 二 种 缺 陷 ( 如 图 3 所 示 ) , 删 除A B D , 并增加 A B E 和 A ED , 其法矢方向与A B D 相同 , 其顶点排列次序应根据法矢方向和 右手法则自动确定.对于第三种缺陷 , 首先找到所分离的顶点 , 然 后判断这些顶点之间的距离是否小于某个设定值 , 再将这些顶点归并成一个顶点.对于悬浮面和重叠面 , 将其删除即可 .而对于其他比较复杂缺陷的修复 , 一般来说 ,出现的裂缝和孔洞等的区域很小 , 只要

11、将有缺陷 区域的三角单元和顶点删除 , 然后重新生成节点 和划分三角形单元 , 就可以精确地近似原来的曲 面 . 具体做法如下 :3模具自动生成技术建立 S TL 文件曲面模型的拓扑结构 ,修复了各种缺陷之后 ,就生成了完整的工件三角形网格 模型. 在此基础上 ,根据工件的模型可以自动生成 板料冲压成型所需要的凸模 、凹模 、压边圈等的全 三角形网格数据模型以及拉延筋节点数据模型. 可以很方便地为一个具体工件成型过程数值模拟 和分析作好准备. 由于板料成型过程中凸凹模的变形很微小 ,对分析的影响不大 ,可以把其看成刚 体 ,因此三角形网格可以满足分析的要求 .在工件的网格模型基础上 ,生成凸模

12、 、凹模 、 压边圈等的具体方法如下 .对于压边圈的生成方法 ,分两种情况 :© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 2 期温建昌等 : 基于 S TL 文件的有限元模拟模具自动生成技术29a . 若工件的 S TL 文件格式网格模型没有凸沿 ,则选定工件的部分外部边界 ,与这些选定的外 边界作为压边圈的内部边界 . 然后围绕工件将选定的外部边界向外沿 x oy 平面平移一定距离 ,生成压边圈的外部边界 . 压边圈内外边界节点连表 是相对应的 ,因此可

13、以按照节点顺序生成压边圈 的三角形单元链表 ,也即生成压边圈的网格数据模型.b. 若 工 件 的 S TL 文 件 格 式 网 格 模 型 有 凸 沿 ,则选定工件的部分外部边界 ,与这些边界相连 的三角单元网格即可作为压边圈的网格数据模 型 .S TL 数据模型中节点的法向量是由所有共 此节点的三角面片的法向量决定的 . 设该节点的 法向量为 ( v x , v y , v z ) , n 个共该节点的三角形单元的法向量依次为 ( n x 1 , n y1 , n z 1 ) , ( n x 2 , n y2 ,具运动方式 ,定义了拉延筋等模具工艺参数之后 ,就建立了板料成型过程的完整的计算

14、模型.本方法适用于边界比较规则的冲压工件. 已 经成功地对一些实际工件进行了处理 ,生成冲压 成型所需的模具 ,大大提高了前置处理效率. 图 5 所示为某轻型车底盘横梁的工件形状及据此生成 的模具型面.n z 2 ) , ( n x n , n y n , n z n ) , 则 := ( n x 1 += ( n y1 += ( n z 1 + n x n ) / n ;+ n y n ) / n ;+ n z n ) / n .v xv yv zn x 2 +n y2 +n z 2 +图 5 利用工件的 S TL 文件生成模具型面设 S TL 文件表示的是冲压件的中面 ,为了自动生成凸模和

15、凹模的网格数据模型 ,将工件分别 沿着节点法向量的正向和反向偏移 ,偏移的距离 都是板坯厚度的一半 , 使得凸模和凹模之间的间 隙为板厚. 复制前面生成的压边圈网格数据模型 ,偏移到凹模的位置 ,将凹模网格数据模型和偏移 后的压边圈网格数据模型连接起来 ,建立单元和 节点的拓扑关系 ,整理节点和单元的编号. 加上模参考文献1 J acob G G K , Kai C C , Mei To ng , et al . Develop mentof a new rapid p rotot yping interface. Co mp uters inIndust ry , 1999 , 39 : 6

16、1702 Mortensio n M E. Geo met ric modelin g. New Yor k : Jo hn Wiley & So ns Inc. , 1985 .3 孙家广 ,杨长贵 . 计算机图形学 . 北京 : 清华大学出版社 ,1995 .The technol ogy of a utomat ic die generat ion f or f in iteelement simulat ion ba sed on STL f ileW en J i a ncha n gDon g X i a n gh u aiL i Za nAbstract : Aiming

17、 at t he technology of plank fo r ming simulatio n o n t he basis of analyzing data st ruct ure of32D S TL file fo r m , t he p rinciple and t he met ho d fo r auto matically diagno sing and mo dif ying t he solid data mo del are p resented. And t he dies are generated auto matically. The wo r k amo unt of mesh generatio n is greatly decreased. The sof t ware wit h high adap tabilit y is developed and t he p racticabilit y of t he p ro gram is p roved.Key words : plank molding simulatio n ; S TL ; solid data mo del ; diagno sis ; mo dificatio n ; mesh generatio n