基于根技术的国产CAE通用前处理软件ArcherPre全流程解析

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：在工业制造领域，高效、精准的软件解决方案至关重要。今天，我们将为您深入解读 ArcherPre 这款软件在几何处理及网格生成方面的核心技术，带您领略其卓越的性能和创新之处。

11月28日19时，2024国产工业软件新进展专题报告会第十四期我们将邀请上海格宇软件有限公司吴华春做《基于根技术的ArcherPre通用前处理软件从几何到FEA多种求解器格式输出的全流程解析》线上讲座，感兴趣的朋友可以扫码提前报名，届时仿真秀官网与APP同步直播，且支持反复回看。

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一、几何清理及修复技术

ArcherPre前处理软件是基于开源的Open CASCADE几何实体引擎进行了大量定制化开发；有限元前处理将三维B-rep几何模型转换到网格模型必须借助于三维几何实体引擎，通过几何实体引擎读取几何数据，清理各种拓扑和几何错误，尝试缝合曲面，去除模型中各种可优化的特征，对模型进行简化等操作。基于Open CASCADE的有限元前处理模块技术流程图如图-1所示：

图-1 几何模块集成与网格生成的技术方案

1、几何清理与修复模块

在几何文件读取过程中，将对几何和拓扑错误进行自动清理。清理模块的工作将包括：环错误方向的反转、曲面非闭合边界的填充、去除重叠面、去除自交边、去除自交面、打断B样条重结点的边、剔除无效狭长面、面法矢方向流形等。清理B-rep模型中常见错误后，I/O模块将通过边界距离的测量，尝试缝合邻接面，最终构成一个实体模型。在此过程中采用拓扑迭代方法，确保B-rep模型能尽量正确缝合，并且缝合后的模型能够正确离散。如图-2所示为带有缝隙的几何模型；图-3所示为边Toggle缝合功能应用结果（指定边缝合）。

图- 2初始模型：红圈区域表示两条边没有正确缝合

图-3 指定其中一条自由边toggle后的缝合结果

几何模型导入后，模块首先需要将所有面进行一次缝合，缝合误差一般基于模型包围盒比例，同时考虑最短边的长度。其中冗余硬点是指面边界上两条Edge之间共享一个Vertex，但该Vertex在两条Edge之间的夹角很小，并且不属于圆角（Fillet）的分割位置，则将其定义为冗余硬点，需要将其删除。重叠面是指模型导入后，两张面之间发生了相互干涉或者完全重叠，可以通过计算重叠区域的比例进行判定，重叠面一般需要直接删除。

2、几何清理与修复模块

ArcherPrer在载入B-rep几何模型后，用户可以通过去特征和简化模块对模型进行简化。简化后的模型能够快速和有效的网格化。

图-4所示为带圆倒角的模型；图-5所示搜索和去除圆倒角的应用结果。

图-4 初始模型（包含1000多个圆角面）

图-5 自动搜索并去除圆角结果

ArcherPre抽取中面的技术主要采用有基于中轴变换（medial axis transform，MAT）的模型维度缩减技术和基于面对插值的中值面几何重构。软件中的Skin算法采用图-6的中值面提取框架。

图-6 线框映射中值面提取框架

中值面提取实例如图-7所示。

图-7 中面抽取模型实例

3、规则几何的干涉识别

为了支持复杂曲面、复杂组合体和装配体的干涉检测与修复，我们引入包围盒体层次树算法用于快速检查和加速计算。包围盒体层次树将几何对象的空间关系组织成一棵树。树中的每一个结点记录一个包围盒，该结点的所有子结点中的几何对象都在这个包围盒内。包围盒体层次树算法用来支持几何对象的碰撞检测、光线追踪、最近对象搜索、以及视觉框裁剪与剔除。

4、支持各类复杂的拓扑结构分解为多个简单的子域

在B-rep拓扑结构的表达中，Face可以从Shell中分离（Detach），Shell可以从Solid中分离，ArcherPre可以自由地支持上述拓扑分离操作，拓扑分离不涉及几何修改。除拓扑分离外，几何中其他分解包括：将边（Edge）分解成多条边，将面（Face）分解成多张面，将体（Solid）分解成若干体。

对于复杂的几何体，在进行六面体网格划分时，需要将体模型分解成可以自动六面体划分的复合体（Compound Solids），复合体中包含若干子体（Solid），相邻子体需要共享面，从而才能在后续网格划分时保持Node拓扑共形。现有的算法很难自动地将体模型划分成适合六面体划分的复合体，因此半自动分解和手动分解是目前业界的主要方式，划分位置依赖于网格工程师专家经验。如图-8展示了一个用于六面体生成的复合体模型。在原始体模型中，我们通过7次切割操作，将体模型分解成复合体，体之间共享面（图中粉色线就是共享面的边界线）。分解模型的网格剖分结果如图-9所示。

图-8 手动分解的复合体模型

图-9 六面体网格自动划分的结果

二、网格划分技术

ArcherPre采用了改进的曲面网格生成通用算法，并引入了新的搜索算法和新的投影算法，提高剖分效率与质量；研究了多源尺寸控制的统一建模方法，开发出适用于各类复杂曲面的多源自适应高质量网格生成算法；研究了极速大规模曲面网格生成算法，解决了经典算法的效率瓶颈问题；研究了分块结构化四边形网格生成算法，提高了仿真速度、精度。

针对多物理场与多尺度建模难题，研发出了多尺度多腔室全约束四面体网格生成方法，研究了高可靠地恢复多尺度边界拓扑结构的算法；针对多物理场和多尺度建模问题，开发出高变化率各向异性Delaunay-AFT类四面体网格生成算法和多表界面非流形计算域的自适应网格生成与约束优化算法。

1、平面和曲面网格剖分技术

（1）基于黎曼度量的多源控制自适应表面网格生成

（2）高可靠的AFT-Delaunay曲面网格生成算法。这种方法要求待剖分的曲面是一个可以在二维域上用双参数表达的参数化曲面，这样，曲面三维物理域上的点可以和曲面二维参数域上的点建立一一对应关系。这种方法首先使用二维Delaunay剖分程序生成参数域上的初始网格。如图-10所示是一张三维曲面及采用二维Delaunay剖分程序生成的初始参数域上的网格以及对应三维物理域的结果。

图-10 基于Delaunay-AFT的曲面网格生成

（3）极速的三角形/四边形混合网格生成，网格类型包含三角形、四边形和混合网格，适用于各类复杂组合曲面。

① 基于Delaunay-ALT（Advancing Layer Technology）方法在边界层生成各向同性的正交网格，如图-11 (a) ~ (c) 所示。当曲面物理域的形状与参数域接近时，单元从参数域映射回物理域时，扭曲度较小。如图-12所示，在参数域内，将曲面的基本造型面均匀离散成5×5的栅格，并映射回物理域。如果网格中最小内角小于45°的单元数量大于总数的10%，则认为该曲面的形状一致性较差。对于这一类特殊曲面，内部区域的网格是基于Delaunay-ALT方法生成，为了便于理解，将Delaunay-ALT方法简称为ALT方法。

图-11 极速三角形/四边形混合网格生成步骤

② 而对于形状一致性较好的曲面，结合Coring技术，以提高内部节点的生成效率和整体网格质量。如图-12 (d) ~ (f) 所示，前沿边ALT推进2层后，在剩余区域Delaunay插入规则栅格的点，最后借助对角线删除技术得到四边形混合网格。除上述两种方法外，AFT方法、分区模板法等都能用于生成内部区域的网格，而不用关注边界附近的网格质量问题。

图-12 网格参数域映射

（4）支持在所选平面和曲面上生成全四边形网格，或者仅包含最少量的三角形网格，支持四边形结构化网格创建

（5）提出新的子域分解法，支持保特征多约束表面四边形网格生成，实现极速全四边形网格生成，获得效率与质量的全面提升。图-13展示了一个汽车表面模型的全四边形网格结果，该模型由172个曲面组合而成。

图-13 汽车表面模型的全四边形网格

2、通用四面体网格剖分技术

（1）基于指定几何空间，结合网格控制参数进行四面体网格划分

（2）能检查水密性和水密性处理。网格编辑和修补的核心算法包括边界点的对齐算法、网格压印算法、网格合并算法和孔洞修补算法。

① 边界点的对齐算法

一种保证临近节点对齐的曲线离散算法。该算法使用动态网格同步策略，在网格生成过程中保证节点对齐，从而最终生成节点对齐的网格，如图14所示。

图-14 边界线的布点对齐

② 网格压印算法

③ 网格合并算法

在生成CAD模型的表面网格后，对于模型中存在的面-面之间的网格不相容的情况，我们需要通过网格的合并来解决，如图-15所示。

图-15 合并前后的网格对照

④ 孔洞修复复杂的几何模型可能存在各种孔洞，这些孔洞会影响实体网格的正常剖分，需要进行修复，如图-16所示。

图-16 孔洞修补

3、基于闭合的几何表面的面网格全自动生成四面体

（1）生成初始网格

（2）边界恢复

基于Steiner点移除方法的边界一致性恢复算法：通过首先在表面三角形网格上插点（Steiner点）然后再将其移除的方式，间接实现边界一致四面体网格生成。根据边界的性质以及Steiner点与边界的位置关系，将Steiner点可以分为三类：第一类，Steiner点在边界的三角面片内，如图-17(a) 所示；第二类，Steiner点在有多个约束面（两个以上）共享的约束边上，如图-17 (b) 所示；第三类，Steiner点在只有一个约束面的约束边上，如图-17 (c) 所示。