基于医学体数据生成四面体网格的方法

为了从医学体数据直接构造四面体网格,提出一种基于栅格的网格生成算法.该算法的主要思想是从背景栅格中提取并填充代表区域边界的等值面.首先,对医学体数据进行预处理与采样,构建一个背景栅格.其次,用对偶方法从栅格提取三角表面网格,用于分段线性逼近等值面.然后,对栅格中所有位于等值面之内或与等值面相交的立方体,用预定义的模板分解成四面体单元.最后,用Laplacian平滑技术优化四面体网格.在均匀网格的基础上,研究了自适应网格生成算法,在保持网格几何精度的同时精简单元数量,以提高有限元计算效率.给出了从CT数据生成人体股骨远端四面体网格的实例,该网格模型被用于虚拟膝关节镜手术.     

基于快速建立四面体网格的有限元心脏建模

针对目前通过医学成像技术获得心脏序列图像来提取相关心脏结构参数,判断心脏的功能的三维心脏建模技术的热点问题.提出了一种基于快速建立四面体网格的有限元心脏建模的方法,结合心脏这种形变模型的各种约束条件,模拟心脏的动态形变,利用有限元与生物力学原理构建心脏表面重建的有限元方程,由心脏表面三角网格数据点快速构建一系列不相重叠的四面体网格单元,以满足单元的应力矢量及单元节点位移矢量计算的需要,为模拟重建心脏运动奠定基础.实验结果表明了有效性和可行性.     

基于Netgen的层状地质体四面体网格划分方法

为解决三维地质建模中难以表达层状地质体内部属性的问题,将有限元网格划分方法应用于层状地质体建模中,研究基于Netgen进行层状地质体四面体网格划分的方法.以地质钻探数据为数据源,按照钻孔数据分层构建三维表面模型,用三角面片的集合构成封闭的包围壳来描述层状地质体的外部形状;结合Netgen强大的几何自适应和细部划分控制功能,用四面体网格划分方法对形成的三维表面模型进行空间区域划分,从而实现对复杂形状的层状地质体三维模型构建,并分析Netgen的输入、输出数据结构和地质钻探数据到STL格式的三维模型数据、STL格式数据到Netgen网格划分结果数据的生成过程.某矿区多个岩层的模型构建证明该方法稳定、可靠且有效.     

虚拟膝关节镜手术中保持单元质量的体网格形变方法

在虚拟膝关节手术中,需要对膝关节进行大范围形变的实时模拟。本文针对四面体网格的膝关节模型,提出了采用LSD度量建立形变能量,然后将带约束的最优化问题转化为不带约束的最优化问题,最后通过带Armijo线性查找的非精确牛顿法求解最优化问题。在求解过程中,通过预估未知点的位置,减少迭代步数,提高了算法的效率。这种方法具有较好的保体积性,同时保证形变后的四面体网格不出现体元翻转和退化。该方法也能推广应用于其它类似的关节弯曲运动的变形中。     

网格融合技术在列车过隧道运动网格数值模拟中的应用

在高速列车过隧道问题的数值模拟中,为提高模拟准确性而考虑转向架、受电弓导流罩、车厢连接处等细部结构后,几何模型变得复杂。为了得到质量高、适用性强的计算网格,在列车附近生成非结构化四面体网格,运动网格及计算区域其余部分划分块结构化六面体网格。在融合面上,利用网格融合技术处理四面体网格的三角形面网格和六面体网格的四边形面网格的联结问题,通过控制节点位置的变化满足拓扑一致,实现无缝连接。通过三维数值模拟计算结果与一维实验结果的对比发现,在同等精度要求下,采用网格融合技术及分区思想生成的网格整体上数量更少,生成速率更高,该方法可推广应用于更复杂几何模型的网格划分中。     

高性能非结构化四面体网格解耦并行生成算法

针对大规模科学计算领域非结构化网格生成问题,提出一种基于AFT-Delaunay方法的三维复杂域解耦并行四面体网格生成算法.该算法以待剖分三维域的闭合的表面三角形网格为输入,采用边界一致约束Delaunay剖分方法串行地生成较小规模的初始四面体网格;采用界面优先策略扩展三维AFT-Delaunay方法,以几何分界面为参考指引前沿推进方向,在分界面处生成一层由四面体单元构成的有厚度的"墙",递归、并行地将初始四面体网格分割成完全解耦的子区域;此时,各子区域均为不含内部节点的四面体网格,继续利用AFT-Delaunay方法解耦并行地生成各子区域内部四面体网格.算例结果表明,文中算法很好地解决了分界面处网格质量差的难题以及收敛性问题,具有较好的并行效率及几何适应性,可在PC平台全自动地完成108量级的非结构四面体网格生成.     

基于结构化网格自动划分的汽车发动机强度分析

使用三维设计软件CATIA设计了汽车发动机的复杂结构,然后在网格划分软件HARPOON中将设计的发动机零件自动划分为以结构化六面体网格为主的有限元网格,最后在大型非线性有限元软件ABAQUS中,分析了发动机在静力和动力作用下的应力分布.计算结果表明,采用结构化六面体网格,单元数量少,计算速度快,结果可靠;而采用四面体网格,单元数量大,对于同样配置的计算机,无法进行四面体网格的模型的计算.网格尺寸增加后,单元数量减少,计算机可以计算四面体网格模型,但计算结果与六面体网格偏差比较大.     

人体面骨三维有限元模型重构及碰撞分析

本文实现了螺旋CT图像构建面颅骨三维有限元模型过程,用CT断层图像输入计算机,采用CT图像三维再现软件和CAD软件构建轮廓线,用非规则形体、有限元软件Ansys划分网格.此模型包括上颌骨、鼻骨、泪骨、颧骨.六面体与四面体的网格细化到平均尺寸6mm,四面体的网格细化到平均4mm.通过与前人实验的对比,可知该模型有一定的价值,并且对比了两种网格对于结果的影响.     

基于单幅图像的真实感人体动画合成

由于单幅图像缺失三维信息以及完整的纹理信息,基于单幅图像的真实感三维人体动画合成极具挑战性。针对单幅图像三维信息缺失问题,提出了一种基于SMPL参数模型的三维人体几何重建方法。该方法以单幅图像为输入,先根据输入图像人体轮廓信息变形标准的SMPL参数模型分别生成与目标轮廓一致的正反面的三维几何模型,然后利用基于B样条插值的网格拼接融合算法拼接正反面三维几何,最后为了恢复正确的手部几何,利用基于B样条插值的网格拼接融合算法,将重建后的模型上错误的手部几何用标准SMPL参数模型上正确的手部几何替换。同时,针对单幅图像中纹理缺失的问题,提出了一个称为FBN（front to back network）的对抗生成网络,用于恢复被遮挡的人体背面纹理。实验结果表明,该方法生成的具有完整纹理的人体几何能够由3D运动数据驱动运动,生成具有高度真实感的三维人体动画。     

基于分类体数据的四面体网格剖分算法

虚拟内窥手术是以真实病人的CT或者MRI扫描数据为基础，首先通过组织分割，在计算机内部建立起三维模型，然后通过虚拟现实技术来模拟窥镜手术全过程的一项技术。其中，人体器官的三维网格建模是该技术中一个十分重要的部分，为了准确地进行了人体器官三维网格建模，在对三维体数据进行组织分割的基础上，提出了一种由分类体数据直接建立三维四面体网格的方法，由于Delaunay三角剖分所产生的网格质量比较高，所以该方法沿用逐点插入算法的思想，以特征点的提取和Steiner布点为基础来生成四面体网格，并通过组织边界的判定准则和利用flip操作来恢复组织边界，实践证明，该方法所生成的网格具有自适应的网格密度。     

基于边长的三维形状插值

形状插值在计算机图形学和几何处理中是一个极其重要而基础的问题,在计算机动画等领域有 着广泛应用。注意到在平面三角网格和三维四面体网格插值问题中,对边长平方插值等价于对回拉度量进行插 值,因此具有等距扭曲和共形扭曲同时有界的良好性质。通过将其推广至曲面三角网格,提出了一种完全基于 边长的曲面三角网格插值算法。给定边长,在重建网格阶段,使用牛顿法对边长误差能量进行优化。并且给出 了其海森矩阵的解析正定化形式,从而避免了高代价的特征值分解步骤。注意到四面体网格的边长平方插值结 果具有极低曲率,意味着只需少许修改即可将其压平从而嵌入三维空间。因此提出先将曲面三角网格四面体化, 再从四面体网格的插值结果提取表面。然后将这表面作为初始化用于边长误差能量的牛顿迭代,从而使得收敛 结果更加接近全局最优。在一系列三角网格上进行了实验,结果说明了本文方法比之前方法的边长误差更小, 且得到的结果还是有界扭曲的。     

3D finite element mesh generation of complicated tooth model based on CT slices

An interactive three-dimensional finite element generation method is presented for modelling a multi-connected teeth and mandible structure. The tetrahedron is chosen as the basic element type due to its rigorous adaptability to structures with geometric complexities. The mesh generation is implemented by allocating two quadrangles in adjacent CT image slices to form a set of tetrahedrons. By examining all the possible allocations and their degradations, an algorithm is developed for interactive mesh generation, resulting in a series of tetrahedrons consistent with all the others without overlapping and spacing. The developed system was applied to a tooth-mandibular structure, generating a complicated 3D FEM model consisting of 4762 nodes and 18,534 tetrahedral elements with nine different materials. This 3D model was successfully used to evaluate different tooth restoration strategies, which proved the viability and effectiveness of the proposed method.     

A Parallel Implementation of ALE Moving Mesh Technique for FSI Problems using OpenMP

This paper investigates a high performance implementation of an Arbitrary Lagrangian Eulerian moving mesh technique on shared memory systems using OpenMP environment. Moving mesh techniques are considered an integral part of a wider class of fluid mechanics problems that involve moving and deforming spatial domains, namely, free-surface flows and Fluid Structure Interaction (FSI). The moving mesh technique adopted in this work is based on the notion of nodes relocation, subjected to a certain evolution as well as constraint conditions. A conjugate gradient method augmented with preconditioning is employed for solution of the resulting system of equations. The proposed algorithm, initially, reorders the mesh using an efficient divide and conquer approach and then parallelizes the ALE moving mesh scheme. Numerical simulations are conducted on the multicore AMD Opteron and Intel Xeon processors, and unstructured triangular and tetrahedral meshes are used for the 2D and 3D problems. The quality of generated meshes is checked by comparing the element Jacobians in the reference and current meshes, and by keeping track of the change in the interior angles in triangles and tetrahedrons. Overall, 51 and 72% efficiencies in terms of speedup are achieved for both the parallel mesh reordering and ALE moving mesh algorithms, respectively.     

从表面重构的体数据实现三维网格剖分

针对有限元分析中网格最优化问题,本文提出一种改进的生成四面体网格的自组织算法。该算法首先应用几何方法将三角形表面模型重新构造成规定大小的分类体数据,同时由该表面模型建立平衡八叉树,计算用以控制网格尺寸的三维数组;然后将体数据转换成邻域内不同等值面的形态一致的边界指示数组;结合改进的自组织算法和相关三维数据的插值函数,达到生成四面体网格的目的。实验对比表明,该方法能够生成更高比例的优质四面体,同时很好地保证了边界的一致。在对封闭的三维表面网格进行有限元建模时,本文算法为其提供了一种有效、可靠的途径。     

三维实体仿真建模的网格自动生成方法

有限元网格模型的生成与几何拓扑特征和力学特性有直接关系。建立网格模型时，为了更真实地反映原几何形体的特征，在小特征尺寸或曲率较大等局部区域网格应加密剖分；为提高有限元分析精度和效率，在待分析的开口、裂纹、几何突变、外载、约束等具有应力集中力学特性的局部区域，网格应加密剖分。为此，该文提出了基于几何特征和物理特性相结合的网格自动生成方法。该方法既能有效地描述几何形体，又能实现应力集中区域的网格局部加密及粗细网格的均匀过渡。实例表明本方法实用性强、效果良好。     

A modified advancing layers mesh generation for thin three-dimensional objects with variable thickness

A method of generating modified advancing layers mesh is proposed. In this paper the mesh generation process of semi-unstructured prismatic/tetrahedral mesh is presented for relatively thin three-dimensional geometries with variable thickness, as in the case of injection molding analysis. Prismatic meshes are generated by offsetting initial surface triangular meshes. During the mesh generation process, mesh quality is efficiently improved with the use of a new node relocation method. Finally, tetrahedral meshes are automatically generated in the rest of the domain. The mesh generating capability of the proposed algorithm is demonstrated with the several practical test cases.     

从表面重构的体数据实现3维网格剖分

目的 针对有限元分析中网格最优化问题,提出一种改进的生成四面体网格的自组织算法。方法 该算法首先应用几何方法将三角形表面模型重新构造成规定大小的分类体数据,同时由该表面模型建立平衡八叉树,计算用以控制网格尺寸的3维数组;然后将体数据转换成邻域内不同等值面的形态一致的边界指示数组;结合改进的自组织算法和相关3维数据的插值函数,达到生成四面体网格的目的。结果 实验结果对比表明,该方法能够生成更高比例的优质四面体,增强了对扁平面体的抑制能力,同时很好地保证了边界的一致。结论 在对封闭的3维表面网格进行有限元建模时,本文算法为其提供了一种有效、可靠的途径。     

3D finite element meshing from imaging data

This paper describes an algorithm to extract adaptive and quality 3D meshes directly from volumetric imaging data. The extracted tetrahedral and hexahedral meshes are extensively used in the finite element method (FEM). A top-down octree subdivision coupled with a dual contouring method is used to rapidly extract adaptive 3D finite element meshes with correct topology from volumetric imaging data. The edge contraction and smoothing methods are used to improve mesh quality. The main contribution is extending the dual contouring method to crack-free interval volume 3D meshing with boundary feature sensitive adaptation. Compared to other tetrahedral extraction methods from imaging data, our method generates adaptive and quality 3D meshes without introducing any hanging nodes. The algorithm has been successfully applied to constructing quality meshes for finite element calculations.     

Layered tetrahedral meshing of thin-walled solids for plastic injection molding FEM

This paper describes a method for creating a well-shaped, layered tetrahedral mesh of a thin-walled solid by adapting the surface triangle sizes to the estimated wall thickness. The primary target application of the method is the finite element analysis of plastic injection molding, in which a layered mesh improves the accuracy of the solution. The edge lengths of the surface triangles must be proportional to the thickness of the domain to create well-shaped tetrahedrons; when the edge lengths are too short or too long, the shape of the tetrahedron tends to become thin or flat. The proposed method creates such a layered tetrahedral mesh in three steps: (1) create a preliminary tetrahedral mesh of the target geometric domain and estimate thickness distribution over the domain; (2) create a non-uniform surface triangular mesh with edge length adapted to the estimated thickness, then create a single-layer tetrahedral mesh using the surface triangular mesh; and (3) subdivide tetrahedrons of the single-layer mesh into multiple layers by applying a subdivision template. The effectiveness of the layered tetrahedral mesh is verified by running some experimental finite element analyses of plastic injection molding.