本發(fā)明屬于流體機械設(shè)計領(lǐng)域，特指一種三維模型的重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

1、通過cad軟件設(shè)計的葉片泵cad模型，通常需要經(jīng)過人工進行碎面處理后才可進行網(wǎng)格劃分，而將其轉(zhuǎn)換為stl文件格式則可避免這一操作。stl文件則是一種使用離散化表示法的一種文件格式，可通過一組三角面片描述三維模型表面，屏蔽了不同cad系統(tǒng)的差異。但由于cad軟件直接導出的葉片泵stl模型通常質(zhì)量較差，如果直接進行網(wǎng)格劃分，將嚴重影響劃分后生成的網(wǎng)格質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于stl文件的葉片泵三維模型的重構(gòu)方法。本發(fā)明從葉片泵stl模型出發(fā)，在滿足葉片泵stl模型整體結(jié)構(gòu)完整的狀態(tài)下，實現(xiàn)葉片泵stl模型的重構(gòu)，提高葉片泵stl模型的三角面片質(zhì)量，建立一種葉片泵stl模型的重構(gòu)方法。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：基于半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和rar算法對葉片泵stl模型進行三維重構(gòu)。

3、包括如下步驟：

4、a：基于半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的葉片泵stl模型數(shù)據(jù)重構(gòu)

5、stl(stereolithography)模型是一種用于描述三維物體表面的文件格式，其模型由一系列三角面片組成，每個面片定義了物體表面的一部分。在葉片泵的三維模型中，通常包含復雜的幾何形狀，這些形狀通過stl模型中的三角面片進行逼近和表示。此外，stl模型中不存儲網(wǎng)格中的節(jié)點、邊和三角面片之間的連接信息，各元素彼此獨立，沒有明確的拓撲結(jié)構(gòu)，在對葉片泵stl模型進行重構(gòu)時，首先需將stl模型轉(zhuǎn)換成更適合網(wǎng)格處理算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便進行拓撲重建。

6、所述數(shù)據(jù)重構(gòu)指，為葉片泵stl文件中的每一個三角面片創(chuàng)建一個面對象f，面對向f包括對應的三角面片的三個頂點{v1，v2，v3}，以及由三個頂點建立三個半邊對象，半邊對象分別為v1v2，v2v3，v3v1。其中v1v2表示該半邊的方向從v1指向v2；

7、b：基于幾何保持的葉片泵stl模型特征邊提取

8、stl模型中還包含一些具有顯著幾何特征的特征邊，如尖銳邊緣或轉(zhuǎn)角，這些特征邊在數(shù)據(jù)重構(gòu)過程中需要被識別和保留，以確保模型的準確性和完整性。為確保重構(gòu)后的葉片泵stl模型保持原有模型的關(guān)鍵特征，首先需要從原始葉片泵stl模型中識別并提取關(guān)鍵的幾何特征邊。

9、所述步驟b中，特征邊提取步驟如下所示：

10、(1)根據(jù)葉片泵比轉(zhuǎn)速給定法向夾角閾值α，低比轉(zhuǎn)速(比轉(zhuǎn)速ns≤80)葉片泵α為50°，中比轉(zhuǎn)速(80<ns≤220)葉片泵為55°，高比轉(zhuǎn)速(ns>220)葉片泵α為60°。

11、(2)遍歷原始葉片泵stl模型的所有邊，并利用拓撲數(shù)據(jù)找到每條邊連接的兩個三角面片。測量這兩個面片的法向量之間的夾角γ，然后計算兩面片間的夾角β，β是γ的互補角。如果β大于α，那么這條邊e就被判定為特征邊，并在后續(xù)操作中對此特征邊進行保留，保持模型的幾何精度和細節(jié)，使得重構(gòu)后的模型更接近原始設(shè)計。

12、c：基于夾角限制的葉片泵stl模型子區(qū)域劃分

13、在葉片泵stl模型中，可能會出現(xiàn)如圓柱形表面和各種曲面等連續(xù)平滑結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)需要通過一系列連續(xù)平滑的三角面片來表示，但這些平滑結(jié)構(gòu)的邊通常不會被自動標識為特征邊，對葉片泵stl模型三角面片的法向量夾角進行限制并進行子區(qū)域劃分，能避免整個連續(xù)平滑結(jié)構(gòu)錯誤地被識別為一個單獨的子區(qū)域。獨立的子區(qū)域是指在模型中，根據(jù)法向量夾角的差異，將具有顯著不同幾何特征的區(qū)域劃分開來，以便對每個區(qū)域進行更加細致的處理。這種劃分可以確保在數(shù)據(jù)重構(gòu)過程中，不同幾何特征的區(qū)域不會混淆，從而提高模型的準確性和完整性。具體步驟如下：

14、(1)任意選定一個三角面片作為單獨子區(qū)域的起始點，從這個起始三角面片出發(fā)，沿其三條邊向外擴展，將相鄰的三角面片歸入同一個子區(qū)域。

15、(2)循環(huán)進行擴展操作，直到出現(xiàn)一對相鄰三角面片的法向量夾角γ大于α，就停止擴展，此時形成的區(qū)域為一個獨立子區(qū)域。

16、d：基于rar算法的葉片泵stl模型重三角化

17、通過構(gòu)建四種操作算子對原始葉片泵stl模型三角面片的頂點進行局部移動和調(diào)整，對原始葉片泵stl模型進行重構(gòu)，并將三角面片的邊長作為質(zhì)量度量指標，對葉片泵stl模型局部進行迭代優(yōu)化，直至曲率場加權(quán)的邊長近似一致，從而達到重構(gòu)的目的。

18、所述步驟d中的主要操作算子如下：

19、(1)定義4種重構(gòu)幾何算法，具體為頂點移動、邊翻轉(zhuǎn)、邊塌陷和邊切割。

20、頂點移動：通過對三角面片的頂點進行移動至該點形成所有三角面片重心的加權(quán)面積平均位置上，調(diào)整模型整體的形狀和拓撲結(jié)構(gòu)，頂點移動用于消除模型表面的小波動和不規(guī)則性，使得表面更加平滑和連續(xù)。

21、邊翻轉(zhuǎn)：通過調(diào)整相鄰三角形的邊，從而改變?nèi)切蔚倪B接關(guān)系。具體為將擁有相鄰邊的兩個三角面片，構(gòu)造為一個四邊形，并重新連接另一個條對角線形成新的兩個三角面片。邊翻轉(zhuǎn)可以減少stl模型中出現(xiàn)的瘦長三角形，使得三角面皮在曲面上的分布更加自然和均勻，從而提高表面質(zhì)量。

22、邊塌陷：通過將兩個相鄰頂點合并為一個頂點，從而消除冗余的邊。具體為將三角面片一條邊的2個頂點合并為1個點，并將其相鄰的兩個三角面片進行消除。邊塌陷通過減少頂點和邊的數(shù)量來簡化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而減少模型的復雜度。

23、邊切割：該算子用于在stl模型中插入新的頂點和邊，從而增加stl模型的精細度。邊切割可以顯著增加模型的分辨率，改善模型表面的光滑度。通過增加更多的頂點和邊，模型表面可以更好地逼近連續(xù)的曲面，從而減少表面不規(guī)則性和粗糙度。

24、(2)確定目標邊長作為質(zhì)量度量指標

25、在stl模型重構(gòu)過程中，確定目標邊長作為質(zhì)量度量指標不僅可以幫助控制模型的三角面片的密度和精度，還能夠統(tǒng)一化處理整個模型的結(jié)構(gòu)。設(shè)定適當?shù)哪繕诉呴L有助于確保模型在不同區(qū)域具有合適的網(wǎng)格分辨率，從而在幾何表達上保持足夠的精度。因此將三角面片的邊長作為質(zhì)量度量指標，用于控制三角面片的重三角化程度。若邊位于平面上，則目標邊長為輸入stl模型的平均三角面片邊長；若邊位于二次曲面時，則目標邊長通過下式進行確定：

26、

27、式中ε為誤差，取為葉片泵stl模型三角面片平均邊長的1％；r為邊對應圓弧的內(nèi)切圓半徑，可通過曲面的參數(shù)定義來確定。

28、若邊位于nurbs曲面上時，目標邊長通過下式進行確定：

29、

30、式中，k為邊上的最大絕對曲率。

31、(3)構(gòu)建約束

32、針對以上4種重構(gòu)幾何算法，基于幾何特征保持的思想分別構(gòu)建如下約束條件來保持葉片泵模型的幾何特征。

33、約束一：針對頂點移動，對移動后的三角面片的領(lǐng)接面片進行三角反轉(zhuǎn)和退化判斷，如果出現(xiàn)反轉(zhuǎn)和退化則不進行頂點移動操作。

34、約束二：針對邊翻轉(zhuǎn)過程，對構(gòu)造的四邊形在切平面上的投影進行判斷，只在其投影不為凸多邊型時進行翻轉(zhuǎn)操作。翻轉(zhuǎn)完成后，檢查翻轉(zhuǎn)前后四邊形的對角線中點與到原始stl模型的投影距離的差值，若大于設(shè)定的距離，則將翻轉(zhuǎn)操作還原。

35、約束三：針對邊塌陷過程，判斷塌陷前后三角面片的法向夾角是否超過90°，如超過90°，則不進行邊塌陷操作。

36、約束四：針對邊切割過程，判斷切割前后三角面片的邊長度，若小于設(shè)定的距離，則不進行邊切割操作。

37、(4)幾何重構(gòu)

38、輸入：初始葉片泵stl模型，平均邊長l，誤差ε。

39、步驟一：遍歷特征邊上的所有點，若該點位于邊界上時，通過式(1)進行目標邊長lm計算；否則判斷曲面類型，若為平面，則lm＝l；若為二次曲面，則根據(jù)曲面參數(shù)，通過式(1)確定目標邊長lm；若為nurbs曲面，則目標邊長lm通過式(2)確定。

40、步驟二：遍歷三角面片的每條邊，若邊長大于目標邊長0.75lm，進行邊切割操作。

41、步驟三：遍歷三角面片的每條邊，若邊長小于目標邊長0.2lm且非特征邊，則進行邊翻轉(zhuǎn)操作。

42、步驟四：遍歷三角面片的每條邊，若該邊兩側(cè)三角面片的法向夾角小于30°，且該邊所對的兩個角之和大于180°，則進行邊塌陷。

43、步驟五：對所有非邊界點進行頂點移動操作。

44、步驟六：重復進行步驟一至步驟四至所有邊長符合目標邊長要求。

45、輸出：重構(gòu)后的葉片泵stl模型。

46、有益效果

47、1、本發(fā)明方法能夠大幅提高葉片泵三維模型劃分出的三角面片質(zhì)量，具有識別結(jié)果準確、效率高、修復效果好等優(yōu)點，可大幅提高葉片泵三維模型質(zhì)量。

48、2、stl(stereolithography)模型是一種用于描述三維物體表面的文件格式，其各元素彼此獨立，沒有明確的拓撲結(jié)構(gòu)，本發(fā)明首先進行數(shù)據(jù)重構(gòu)，將stl模型轉(zhuǎn)換成更適合網(wǎng)格處理算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于后續(xù)進行拓撲重建。

49、3、本發(fā)明進行特征邊的提取，有利于保持模型的幾何精度和細節(jié)，使得重構(gòu)后的模型更接近原始設(shè)計。

50、4、本發(fā)明根據(jù)法向量夾角的差異，將具有顯著不同幾何特征的區(qū)域劃分開來，以便對每個區(qū)域進行更加細致的處理。這種劃分可以確保在數(shù)據(jù)重構(gòu)過程中，不同幾何特征的區(qū)域不會混淆，從而提高模型的準確性和完整性。

51、5、本發(fā)明在stl模型重構(gòu)過程中，確定目標邊長作為質(zhì)量度量指標不僅可以幫助控制模型的三角面片的密度和精度，還能夠統(tǒng)一化處理整個模型的結(jié)構(gòu)。設(shè)定適當?shù)哪繕诉呴L有助于確保模型在不同區(qū)域具有合適的網(wǎng)格分辨率，從而在幾何表達上保持足夠的精度。