CN1369844A - 综合形状和物理特性的实体数据的存储方法 - Google Patents

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Abstract

具备:外部数据输入步骤(A),输入由对象1的边界数据构成的外部数据12,八分树分割步骤(B),通过八分树分割,将所述外部数据分割成与边界平面垂直的立方体单元13,和单元数据存储步骤(C),在每个单元中存储各种物理特性值。在所述八分树分割步骤(B)中,将分割后的各单元13区分为位于对象内侧的内部单元13a、位于外侧的外部单元13b和包含边界面的边界单元13c。由此,可以由小的存储容量来存储综合形状和物理特性的实体数据,从而可一元化地管理物体的形状、结构、物理特性信息、履历,用相同的数据来管理从设计到加工、组装、试验、评价等一系列工序所涉及的数据,可使CAD和仿真一元化。

Description

综合形状和物理特性的实体数据的存储方法
技术领域
本发明涉及以小的存储容量存储综合形状和物理特性的实体数据、并可使CAD和仿真一元化的实体数据的存储方法。
背景技术
在尖端性的研究开发、技术开发现场中，随着其高度化、复杂化，必然产生庞大的试行错误，提高了开发中的风险。以科学技术立国为目标的我国作为一个国家，极力排除这些风险、实现开发过程革新的高度化、效率化是非常重要的。
现在，在研究开发、技术开发的现场中，CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAE(计算机辅助工程)、CAT(计算机辅助测试)等被分别用作设计、加工、解析、试验的仿真手段。
根据本发明，作为连续仿真的C-Simulation(Coorporative Simulation：协作仿真)、还考虑了加工过程的A-CAM(Advanced CAM：预先CAM)、得到极高精度的D-fabncation(Deterministic fabrication：确定性制作)等应该得到广泛普及。
在上述现有的仿真手段中，作为对象，以CSG(体素构造表示)或B-rep(边界表示)来存储数据。
但是，在CSG中，因为将对象整体作为微细的固体模块集合体来进行存储，所以在安装数据多的仿真手段(软件等)的情况下，可处理庞大的数据，即使使用大型计算机的情况下，解析中也有消耗时间的问题。
另外，在B-rep中，因为用边界表现对象，所以数据少、数据量小，但因为边界面的内部一样处理，所以存在不适用于变形解析等的问题。
此外，在这些现有的数据存储装置中，由热·流体解析、固体大变形解析、连成解析等每次分割为适于解析的网格等，因为适用有限要素法等，所以可显示其解析结果等，但却难以使CAD和仿真一元化，存在不能用相同数据来管理设计、解析、加工、组装、试验等各工序的问题。
换言之，在当前的固体/表面-CAD(下面称为S-CAD)中，存在以下问题。
(1)数据不转送，内部的变换操作弱(数值误差和处理方法的问题)。
(2)不直接用于仿真(因为未得到内部信息，所以要生成网格)。
(3)不能进行CAM加工的研究(仅为最终形状)。
另外，即使加工也存在以下问题。
(1)不能表现加工过程(粗加工或工序设计的支持不充分)。
(2)不能对应于激光加工或超尖端加工等新的加工法(仅切削，数据精度不够)。
(3)不能选择加工法本身(复合体中具有内部不同的材料特性)。
发明概要
为了解决上述问题而创造出本发明。即，本发明的目的是提供一种实体数据的存储方法，可利用小的存储容量存储综合形状和物理特性的实体数据，由此，可一元化地管理物体的形状、结构、物理特性信息、履历，用相同的数据来管理从设计到加工、组装、试验、评价等一系列工序所涉及的数据，可使CAD和仿真一元化。
根据本发明，提供一种综合形状和物理特性的实体数据的存储方法，其特征在于：具备：外部数据输入步骤(A)，输入由对象(1)的边界数据构成的外部数据(12)，八分树分割步骤(B)，通过八分树分割，将上述外部数据分割成与边界平面垂直的立方体单元(13)，和单元数据存储步骤(C)，在每个单元中存储各种物理特性值。
根据本发明的最佳实施例，在上述八分树分割步骤(B)中，将分割后的各单元区分为位于对象内侧的内部单元(13a)和包含边界面的边界单元(13b)。
另外，上述边界单元(13b)可通过八分树分割进行再分割，直到得到包含于外部数据中的构成边界面的边界形状要素可再构成的充分切断点为止。
另外，上述内部单元(13a)具有作为属性的一种物理特性值，边界单元(13b)具有对象内侧和外侧的两种物理特性值。
另外，上述物理特性值由仿真而不变化的常数值和由仿真结果而变化的变量值构成。
另外，上述外部数据(12)为表示多面体的多边形数据、有限要素法用的四面体或六面体要素、三维CAD或CG工具用的曲面数据、或由部分平面或曲面构成其它立体表面的信息表面的数据。
根据上述本发明的方法，可以由作为通过八分树分割对象(1)的外部数据(12)而分割为与边界平面垂直的立方体单元(13)的单元分层的小的存储容量来存储外部数据(12)。另外，因为各单元存储作为其属性的各种物理特性值，所以可一元化地管理物体的形状、结构、物理特性信息、履历，用相同的数据来管理从设计到加工、组装、试验、评价等一系列工序所涉及的数据，可使CAD和仿真一元化。
即，在本发明中，因为不仅物体(对象)形状，而且包含物理属性可得以存储和表现，所以将其分层数据作为平台，可构筑高度仿真技术、人与物体的接口技术等。
通过参照附图的以下说明可明白本发明的其它目的和有利特征。
附图的简要说明
图1是本发明的实体数据存储方法的流程图。
图2是本发明方法中的数据结构的说明图。
图3是表示内插曲面的图。
图4是以二维表示本发明的分割方法的模式图。
图5是表示本发明各单元属性的模式图。
图6是模式地表示本发明的V-CAD及V-CAD数据与其它仿真手段的关系的图。
图7是比较现有的八分树(A)和本发明的分割方法(B)(修正后的八分树)的模式图。
最佳实施例的说明
下面参照附图来说明本发明的最佳实施例。
图1是本发明的实体数据存储方法的流程图。如图所示，本发明的方法由外部数据输入步骤(A)、八分树分割步骤(B)和单元数据存储步骤(C)构成。在外部数据输入步骤(A)中，向存储本发明方法的计算机等中输入在外部数据取得步骤S1中取得的由对象1的边界数据构成的外部数据12。在八分树分割步骤(B)中，通过八分树分割将外部数据12分割成边界平面垂直的立方体单元13。在单元数据存储步骤(C)中，在每个单元中存储各种物理特性值。下面，将本发明方法的数据称为“V-CAD数据”，将用该数据设计的仿真称为“体积CAD”或“V-CAD”。
如图1所示，在构成本发明方法的步骤S2中，必要时重复进行八分树分割步骤(B)。另外，使用V-CAD数据14，由步骤S3顺序进行例如设计、解析、加工、组装、试验等仿真，在输出步骤S4中输出这些数据(例如作为CAM或多边形数据)。
从外部输入的外部数据12为表示多面体的多边形数据、有限要素法用的四面体或六面体要素、三维CAD或CG工具用的曲面数据、或由部分平面或曲面构成其它立体表面的信息表面的数据。
外部数据12除这种数据(称为S-CAD数据)外，也可以是(1)通过V-CAD单独接口(V-interface)由人的输入直接制成的数据，(2)测试仪或传感器、数字化转换器等表面的数字化数据，(3)CT扫描或MRI、以及一般用于体积(Volume)示意图的博克(ボク)单元数据等内部信息也具有的体积(Volume)数据。
图2是本发明方法中的数据结构的说明图。在上述八分树分割步骤(B)中，进行修正的八分树(八分树，Octree)的空间分割。所谓八分树表现、即八分树的空间分割将包含目的立体(对象)的、作为基准的立方体13进行八份分割(A)，使立体完全包含于各个区域中，或在变为不包含之前递归地按(B)、(C)、(D)重复进行八份分割处理。通过该八分树分割，与博克(ボク)单元表现相比，可大幅减少数据量。
通过八分树空间分割分割成的一个空间区域称为单元13。单元为边界平面垂直的立方体。由单元的分层结构、分割数量或分解能来表现空间中所占区域。由此，在空间整体中，对象表现为大小不同的单元的重叠。
即，在八分树分割步骤(B)中，边界与内部的物理特性从外部数据12变换为下面的实体数据14(V-CAD数据)。边界数据近似于严密地(例如若为平面，则可由包含的三个点来严密地再构成)或指定的允许差(对位置、接线、法线、曲率和与其邻接部分的连续性指定的阈值)内。
图3是内插曲面的实例。内插曲面的特别情况是即使Marching Cube也可使用的等值面。在本发明中，必须在棱线上的切断点能够表现，并满足法线，主曲率连续性后进行再分割。在Marching Cube中使用的等值面中，图3所示的MC1、MC2、MC5、MC8、MC9可适用于本发明。
另外，严密表现二次曲面，自由曲面由平面或二次曲面的单元内曲面近似，由此，仅保存几何固有量。
图4是以二维表示本发明的分割方法的模式图。在本发明中，在上述八分树分割步骤(B)中，将分割后的各单元13区分为位于对象内侧的内部单元13a和包含边界面的边界单元13b。
即，在本发明中，为了表现边界单元13b，使用修正的八分树，完全包含于内部的单元由具有其最大大小的内部单元13a(立方体)构成，包含来自外部数据12的边界信息的单元构成为边界单元13b。各边界单元13b在三维下由12条、在二维下由4条棱线上的切断点15(图中以白圆表示)被严密地或近似地置换。
在得到可再构成包含于外部数据12中的构成边界的边界形状要素(在平面、二次曲面等解析曲面中严密地、在由其它自由曲面或离散点群所表现的边界形状要素中近似地)的充分切断点15之前，八分树分割边界单元13b。
例如，若为一条线，在位于其上的两个点成为单元棱线上的切断点15之前，若为平面，则在三个点变为切断点之前，若为二次曲线，则在三个点变为切断点之前，若为二次曲面，则在四个点变为切断点之前，对于下面的各个多项式曲面、有理式曲面，在外部数据的表现式已知的情况下，在非常必要的点和定义的单元棱线的范围之间被发现之前，分层地八分割空间。
即，在进行再分割的部位边界(表面)部分中满足指定分解能之前，或各单元具有的解析结果值(应力、变形、压力、流速等)的变化率未超过指定阈值之前进行。
另外，在多个包含边界形状要素的边界单元13b的角点16(图中以黑圆表示)中，因为可将内部边界间接地表现为邻接的边界单元(再构成中具有充分的切断点，分割至完全横断边界要素为止)保持的切断点15所表现的边界交线，所以不必要进行以上分割。
因此，V-CAD数据14作为单元内部存储的有关形状的信息，根据表示单元位置的指标、表示分层中详细度的分割数或分解能、表示邻接单元的点、切断点的数和坐标值等及用途，作为法线或曲率等。
将节点信息或结果值以欧拉(Euler)形式作为V-CAD保持在最下层中。定义边界位置、法线、连线的连续性和曲率的与各自连续性有关的阈值(允许差)的确定方法，使再分割时的最小分解能变为最大。
图5是表示本发明各单元属性的模式图。上述的内部单元13a具有作为属性的一种物理特性值，边界单元13b具有对象的内侧和外侧的两种物理特性值。
即，各单元虽被区分为内部单元13a、边界单元13b，但仍分别相关地具有空间单元(流体用、欧拉)和移动变形单元(固体用，拉格朗日(Lagrange))这两种。在V-CAD中，仅边界单元13b具有两重属性值。
作为初期状态是固定于所有空间(世界)内的空间流体单元(欧拉网孔)但对固体而言在C-Simulation的各仿真将成为自由移动变形的移动变形单元(拉格朗日网孔)。将一个仿真结果调回V-CAD内，进入静止世界内。此时，边界信息可再设定分解能。为了再分割/再长间隔变形后的对象单元，准备从垂直参数空间至变形后的六面体的双向绘图，以不依赖于坐标系的对象单元，分层的上下移动在参数空间(垂直八分树空间)中进行，并进行再绘图。在读取时，有必要对应于空间单元(空间中的索引)。因此，在欧拉中拉格朗日将成为某种双重结构。
各单元的物理特性值中具有按大小分的最初赋予的值不变的常数值和仿真结果中值变化的变量值这两种。
作为常数值的例子，例如材料特性(弹性系数(杨氏模量、屈服值)、N值(塑性变形时的拉伸次数)、抗拉强度、泊松比(剪断硬度)、温度、加工速度)、磨擦特性(作为润滑材料的特性，粘度，剪切磨擦系数、库仑磨擦)、加工(边界)条件(工具的移动向量、冷却速度)等。
作为变量值的例子，例如每个单元中应力(对称张量(6个变量))和变形(对称张量(6个变量)等，以及流速或压力、温度等。在仿真过程中，当相邻的内部单元之间产生事先指定的超过允许值的变量值的差时，在该差在允许值以内之前，根据上述的八分树来自动进行再分割。
(分辨率的自动确定方法)
在分辨率的自动确定方法中，除已述的根据形状的制约或物理特性值的邻接单元间的差的方法外，也可由存储器或计算时间确定的制约和事先指定的绝对精度(例如单元宽度为1μm时停止分割)进行制约，只要满足所有这些制约中的一个，就停止空间的八分割。于是，可表现为具有必需最小限度的分辨率(详细度)，可较现实地进行安装。
(V-CAD数据的活用方法)
图6是模式地表示本发明的V-CAD和V-CAD数据与V-interface、S-CAD、A-CAM、D-fabrication、C-simulation的关系的图。
本发明的综合形状和物理特性的实体数据的存储方法除S-CAD等的设计中的形状定义、变更、显示、保持、研究、评价外，还用作C-simulation等中的固体结构解析、大变形解析(刚塑性和弹塑性解析)、热·流体解析、流动解析等解析/仿真的输入、输出和中间的数据表现。此外，可用于A-CAM、D-fabrication中的除去加工、附加加工、变形加工的数据生成、解析、可视化、比较评价、及表面或内部的测定、测量的数据形成、结果保持、显示、各种解析或与加工数据的比较评价。作为显示方法，有表面示意图和体积示意图两种。
表1是比较S-CAD和本发明的V-CAD的表。从该表可知，本发明的V-CAD在许多方面优于S-CAD。
[表1]
与仿真的相性 与加工的相性 数据的稳定性 操作性 精度 流通性
S-CAD*** ×(网格生成时间结果的交接×) △(数据的接受×几何信息) ×(变换弱) △(要熟练) △(要时间) ○
V-CAD*** ○(固有) ○ ○(可多次修复) △(开发课题) ○(多重分辨率) 差  别化、尖锐化
图7是比较现有的八分树(A)和本发明的分割方法(修正后的八分树)的与图4一样的二维模式图。在该图中，(A)为通常的八分树(Octree)的例子，(B)为本发明的修正八分树的例子。在该例子中，表示通过Octree这种空间分割法来分割棘手的薄板(散点部分)的情况。
从图5可知，在本发明的修正八分树(B)中，因为用切断点的表面再构筑，所以与通常的八分树(A)相比，进行的分割少。
本发明的综合形状和物理特性的实体数据的存储方法，即通过V-CAD和V-CAD数据来达到作为设计用的工具的CAD和仿真的一体化。另外，也可以是与作为加工用工具的CAM的一体化。并且，一般而言，作为在计算机内表现现实世界对象的监控手法的实用性、新颖性统一以前的各个形状和物理特性，将“物体”表现为“物体(实体数据)”，具有联系人工物与自然物的统一的发展性。
如上所述，作为设计用工具，虽然固体CAD变为主流，但体积CAD将成为下一时代的设计基础。通过体积CAD，可使CAD和仿真完全一元化，可用相同的数据来管理设计、解析、加工、组装、试验等各工序。另外，在设计、解析中，不仅人造物体，还可取得人体这种自然物，原样得到自然物。
因此，本发明的综合形状和物理特性的实体数据的存储方法可以小的存储容量来存储综合形状和物理特性的实体数据，由此，可一元化地管理物体的形状、结构、物理特性信息、履历，用相同数据管理从设计到加工、组装、试验、评价等一系列工序所涉及的数据，具有可一元化CAD和仿真等优化效果。
本发明不限于上述实施形态和实施例，不用说，在不脱离本发明的精神的范围内可进行各种变更。例如，本发明的可拆电极不限于图1所示的电解覆盖层研削用，也可适用于电解覆盖层研削用所有电极。

Claims (6)

1.一种综合形状和物理特性的实体数据的存储方法，其特征在于：具备：外部数据输入步骤(A)，输入由对象(1)的边界数据构成的外部数据(12)，八分树分割步骤(B)，通过八分树分割，将所述外部数据分割成与边界平面垂直的立方体单元(13)，和单元数据存储步骤(C)，在每个单元中存储各种物理特性值。
2.根据权利要求1所述的综合形状和物理特性的实体数据的存储方法，其特征在于：在所述八分树分割步骤(B)中，将分割后的各单元区分为位于对象内侧的内部单元(13a)和包含边界面的边界单元(13b)。
3.根据权利要求2所述的综合形状和物理特性的实体数据的存储方法，其特征在于：所述边界单元(13b)可通过八分树分割进行再分割，直到得到包含于外部数据中的构成边界面的边界形状要素可再构成的充分切断点为止。
4.根据权利要求2所述的综合形状和物理特性的实体数据的存储方法，其特征在于：所述内部单元(13a)具有作为属性的一种物理特性值，边界单元(13b)具有对象内侧和外侧的两种物理特性值。
5.根据权利要求1所述的综合形状和物理特性的实体数据的存储方法，其特征在于：所述物理特性值由仿真而不变化的常数值和由仿真结果而变化的变量值构成。
6.根据权利要求1所述的综合形状和物理特性的实体数据的存储方法，其特征在于：所述外部数据(12)为表示多面体的多边形数据、有限要素法用的四面体或六面体要素、三维CAD或CG工具用的曲面数据、或由部分平面或曲面构成其它立体表面的信息表现的数据。
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