一種基于空間約束的可變形組件快速設計方法技術

本發明專利技術公開了一種基于空間約束的可變形組件快速設計方法，包括如下步驟：1.提取目標組件的空間約束邊界；2.建立簡化的質點?彈簧模型，在約束空間中初始化可變形組件，通過逐漸遞增的氣壓來模擬可變形組件的自由膨脹，并進行質點受力分析；3.求解質點的運動方程，采用Verlet積分法來進行質點?彈簧系統運動方程的數值積分求解；4.進行碰撞檢測，采用基于AABB包圍盒樹的碰撞檢測方法來處理可變形組件與約束空間邊界之間的碰撞問題；5.判斷模型是否到達滿意的形狀；6.計算目標組件的體積，判斷是否達到預定的體積。本發明專利技術建立了簡化的質點?彈簧模型結構，采用精確的碰撞檢測方法嚴格控制模型的變形過程，可顯著提高可變形產品的設計效率。

A fast design method of deformable components based on space constraint

The invention discloses a space constraints can be fast design method based on component deformation, which comprises the following steps: 1. the extraction of target component space constraint boundary; mass spring model 2. simplified, in restricted space to initialize deformable components, by gradually increasing pressure to simulate the deformation of components of the free expansion, and stress analysis of the particle motion equation of 3. particle; solution, numerical integral solution to spring particle motion equation of the system by using Verlet integral method; 4. collision detection, the collision detection method to deal with the collision problem between deformation component and the constraint space boundary touch AABB bounding box tree based on 5. to determine whether the model; satisfactory shape; 6. components of the calculation of the target volume, determine whether to achieve the predetermined volume. The invention establishes a simplified model of particle spring structure, the deformation process of collision detection using accurate method to strictly control model, can significantly improve the design efficiency of deformable products.

【技術實現步驟摘要】
一種基于空間約束的可變形組件快速設計方法
本專利技術屬于工業可變形產品設計中的造型設計
，具體涉及一種基于空間約束的可變形組件快速設計方法。
技術介紹
在現代化設計中，產品的設計通常受到產品自身性能要求、裝配環境以及加工工藝等因素的制約，是一個多約束作用下的空間設計問題。現代產品大多是集機、電、液于一體的復雜系統，其組成零件不僅數量眾多，而且結構復雜。除標準化的組件，例如發動機、電氣元件等以外，還包括部分可變形組件。該類組件在滿足自身功能需求的前提下沒有固定的外形，具有較大的設計自由度，但其設計約束通常又較為復雜，是產品設計中的一個難點。以汽車油箱設計為例，為實現整車的緊湊布局，在設計中既要保證油箱容積要求，又不能與汽車底盤上的其他零部件發生空間位置干涉，為了獲得滿意的設計效果通常需要設計人員對設計的三維模型進行反復修改。然而，在現有的三維造型軟件中，自由曲面的創建和修改相當復雜，勞動強度較大，嚴重影響了產品設計的效率。目前，關于模型虛擬變形建模的方法主要分為兩類：基于幾何的方法和基于物理的方法。基于幾何的可變形物體建模方法的一種重要形式是基于網格模型的形變方法。如《Geometricmodelingbasedonpolygonalmeshes》(BotschM,PaulyM,KobbeltL,etal.ProcoftheAcmSiggraphCourseNotes,2007,29(29):432-41.)中提到采用網格單元集合的形式來描述可變形物體，其主要特點是通過對網格頂點、邊界等特征進行幾何平移、旋轉以及網格面片的合并和拆分等操作來達到改變模型形狀的效果。然而由于表示物體的網格數量眾多，直接建模比較困難，對單個點或者面片進行操作很難使模型產生顯著并且有意義的形變。因此，基于物理的變形方法受到了越來越多的關注。其中的質點-彈簧模型方法，質點的受力是直接從受力分析中得到，因此計算效率較高。另外，質點-彈簧模型不但克服了幾何建模時因構造復雜造型的控制節點大量增多而費時不直觀的不足，也實現了對現實世界進行仿真，解決了最終形狀未知的變形體對象的表達問題，因此在織物、面部仿真、外科手術領域受到了廣泛的應用，但在工程造型領域的應用則較為罕見。如《DevelopingalternativedesignconceptsinVRenvironmentsusingvolumetricself-organizingfeaturemaps》(IgwePC,KnopfGK,CanasR.JournalofIntelligentManufacturing,2008,19(6):661-675.)將質點-彈簧可變形物理模型用于產品的概念設計，這是質點-彈簧模型在產品外觀設計方面一次很好的嘗試，但是他們僅考慮單個物體的受力形變，物體形變較難控制，不適合具有復雜空間約束的可變形組件的形變過程模擬。綜上所述，現有的具有復雜空間約束的可變形組件造型設計方法中，不足主要體現在以下兩個方面：1.基于現有的三維造型軟件對自由曲面的創建和修改相當復雜，存在耗時長、效率低的問題；2.當前研究中利用簡化的質點-彈簧物理模型方法用于產品的概念設計存在設計范圍窄、形變較難控制的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術中的上述問題，提供一種基于空間約束的可變形組件快速設計方法，將柔性物體變形模擬技術應用于復雜產品中可變形組件的造型設計領域。為實現上述專利技術目的，本專利技術采用了如下技術方案：一種基于空間約束的可變形組件快速設計方法，包括如下步驟：步驟1：根據產品的設計要求和裝配環境，提取目標組件的空間約束邊界；步驟2：建立簡化的質點-彈簧模型，其質點全部分布在模型表面，并且只有相鄰的兩質點之間通過彈簧進行連接；在約束空間中初始化可變形組件，通過逐漸遞增的氣壓來模擬可變形組件的自由膨脹，并進行質點受力分析；質點的重力和摩擦力對實現可變形組件設計沒有實際意義，其值設定為0，故質點主要受力為彈簧彈力、質點運動阻尼力和內部氣體壓力；步驟3：求解質點的運動方程，采用Verlet積分法來進行質點-彈簧系統運動方程的數值積分求解；步驟4：進行碰撞檢測，采用基于AABB包圍盒樹的碰撞檢測方法來處理可變形組件與約束空間邊界之間的碰撞問題，然后轉至執行步驟5或步驟6；步驟5：判斷模型是否到達滿意的形狀，若滿意則終止變形模擬，變形結束；若不滿意則重新執行步驟2；步驟6：計算目標組件的體積，判斷是否達到預定的體積，若達到則變形結束；若達不到則重新執行步驟2。上述步驟2的質點-彈簧模型，其系統的運動方程為如下公式：式中，M為系統的質量矩陣，X為質點的空間位置，t為增加氣體壓力的時間，Fk、Fd和Fp分別為質點系統的彈簧力矩陣、阻尼力矩陣和氣體壓力矩陣；設質點之間的彈簧為理想的線性彈簧，服從胡克定律，并且忽略彈簧變形阻尼，與質點相連的每一根彈簧都對該質點有力的作用，假設與質點i通過彈簧連接的相鄰質點有j個，根據胡克定律，作用在質點i上的彈簧力合力表示為如下公式：式中，為質點i受到的彈簧力合力，E為與質點i之間具有彈簧連接的相鄰點集，kij為質點i與j之間的彈簧剛度，xi與xj為質點i與j在時間t時的位置，為質點i與j之間彈簧的原長；質點運動中受到的阻尼力與質點的運動速度成正比，則阻尼力表示為如下公式：式中，為質點運動受到的阻尼力；C為阻尼系數，v為質點i的運動速度；作用在質點i上的氣體壓力等于氣體在與質點i相鄰的各個三角面片上產生的氣體壓力之和；對于理想氣體，根據Clausius-Clapeyron方程，質點i上受到的氣體壓力表示為如下公式：式中，為質點i受到的氣體壓力，Tri為共用質點i的三角面片集，Aik為與質點i相連的三角形k的面積，為三角面片外法向量；上述步驟3的求解質點的運動方程為將質點位置項x(t+Δt)和x(t-Δt)分別采用泰勒公式進行展開，則得如下公式：x(t+Δt)＝2x(t)-x(t-Δt)+M-1F[x(t),v(t)]Δt2；式中，v(t)和v(t+Δt)分別為t時刻和(t+Δt)時刻質點系統的速度矩陣；x(t)和x(t+Δt)分別為t時刻和(t+Δt)時刻質點系統的位移矩陣；F[x(t)，v(t)]為t時刻質點-彈簧系統的受到的合力矩陣。上述步驟4的碰撞檢測的算法步驟如下：步驟4.1：采用八叉樹空間剖分方法建立可變形組件與約束空間邊界的層次包圍樹結構；步驟4.2：執行一次模擬時間步，根據x(t)計算得到x(t+Δt)，并對此時可變形組件的包圍盒結構進行更新；步驟4.3：對可變形組件與約束空間邊界之間進行包圍盒相交測試，找到發生干涉的底層包圍盒對；步驟4.4：對發生干涉的底層包圍盒對內部的幾何單元進行精確碰撞檢測，直到找出所有發生碰撞的質點和三角單元，然后更新質點位置、速度和受力，顯示模型。上述步驟4.4中，在找到具體碰撞單元之后，對(t+Δt)時刻的質點位置進行修正，修正位置后點的坐標表示如下公式：式中，Δt為時間步長，d為質點穿透到約束空間內部的深度，P(t)和P(t+Δt)為質點P在t時刻以及(t+Δt)的位置。上述步驟6的目標組件的體積計算為通過在可變形組件上對三角網格面片與坐標原點之間構成的離散四面體體積進行積分，從而目標組件的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于空間約束的可變形組件快速設計方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：根據產品的設計要求和裝配環境，提取目標組件的空間約束邊界；步驟2：建立簡化的質點?彈簧模型，其質點全部分布在模型表面，并且只有相鄰的兩質點之間通過彈簧進行連接；在約束空間中初始化可變形組件，通過逐漸遞增的氣壓來模擬可變形組件的自由膨脹，并進行質點受力分析；質點的重力和摩擦力對實現可變形組件設計沒有實際意義，其值設定為0，故質點主要受力為彈簧彈力、質點運動阻尼力和內部氣體壓力；步驟3：求解質點的運動方程，采用Verlet積分法來進行質點?彈簧系統運動方程的數值積分求解；步驟4：進行碰撞檢測，采用基于AABB包圍盒樹的碰撞檢測方法來處理可變形組件與約束空間邊界之間的碰撞問題，然后轉至執行步驟5或步驟6；步驟5：判斷模型是否到達滿意的形狀，若滿意則終止變形模擬，變形結束；若不滿意則重新執行步驟2；步驟6：計算目標組件的體積，判斷是否達到預定的體積，若達到則變形結束；若達不到則重新執行步驟2。

【技術特征摘要】
1.一種基于空間約束的可變形組件快速設計方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：根據產品的設計要求和裝配環境，提取目標組件的空間約束邊界；步驟2：建立簡化的質點-彈簧模型，其質點全部分布在模型表面，并且只有相鄰的兩質點之間通過彈簧進行連接；在約束空間中初始化可變形組件，通過逐漸遞增的氣壓來模擬可變形組件的自由膨脹，并進行質點受力分析；質點的重力和摩擦力對實現可變形組件設計沒有實際意義，其值設定為0，故質點主要受力為彈簧彈力、質點運動阻尼力和內部氣體壓力；步驟3：求解質點的運動方程，采用Verlet積分法來進行質點-彈簧系統運動方程的數值積分求解；步驟4：進行碰撞檢測，采用基于AABB包圍盒樹的碰撞檢測方法來處理可變形組件與約束空間邊界之間的碰撞問題，然后轉至執行步驟5或步驟6；步驟5：判斷模型是否到達滿意的形狀，若滿意則終止變形模擬，變形結束；若不滿意則重新執行步驟2；步驟6：計算目標組件的體積，判斷是否達到預定的體積，若達到則變形結束；若達不到則重新執行步驟2。2.根據權利要求1所述的基于空間約束的可變形組件快速設計方法，其特征在于：所述步驟2的質點-彈簧模型，其系統的運動方程為如下公式：式中，M為系統的質量矩陣，X為質點的空間位置，t為增加氣體壓力的時間，Fk、Fd和Fp分別為質點系統的彈簧力矩陣、阻尼力矩陣和氣體壓力矩陣；設質點之間的彈簧為理想的線性彈簧，服從胡克定律，并且忽略彈簧變形阻尼，與質點相連的每一根彈簧都對該質點有力的作用，假設與質點i通過彈簧連接的相鄰質點有j個，根據胡克定律，作用在質點i上的彈簧力合力表示為如下公式：式中，為質點i受到的彈簧力合力，E為與質點i之間具有彈簧連接的相鄰點集，kij為質點i與j之間的彈簧剛度，xi與xj為質點i與j在時間t時的位置，為質點i與j之間彈簧的原長；質點運動中受到的阻尼力與質點的運動速度成正比，則阻尼力表示為如下公式：式中，為質點運動受到的阻尼力；C為阻尼系數，v為質點i的運動速度；作用在質點i上的氣體壓力等于氣體在與質點i相鄰的各個三角面片上產生的氣體壓力之和；對于理想氣體，根據Clausius-Clapeyron方程，質點i上受到的氣體壓力表示為如下公式：式中，為質點i受到的氣體壓力，Tri為共...

【專利技術屬性】
技術研發人員：夏薇，王承輝，王燦，韋春華，廖小平，胡治流，
申請(專利權)人：廣西大學，
類型：發明
國別省市：廣西,45