基于Voxel的数字材料模型建模技术研究

摘要

从70年代至今,产品设计建模技术经历了从线框模型、曲面模型和实体模型的几何建模技术到特征造型技术的发展,已将特征作为构成产品信息的结构单元,并可分为设计特征、制造特征、性能特征等,向着产品信息的全面数字化迈出了可喜的一步.但是迄今为止,计算机辅助设计与制造技术还没有突破传统CAD设计系统的局限,只能利用数字化方法来描述零件的表面信息,还难以描述零件的内部材料信息,仅限于均质材料零件的表述.本文分析了Voxel模型的优点,提出了用Voxel模型描述零件的三维形体结构并作为材料信息的载体,选取零件的点、线、面等为参考特征,以体素节点到参考特征的距离为参数进行材料分布设计的数字材料建模方法,实现了非均质材料零件的数字化描述.文中研究了Voxel模型的压缩数据结构及其布尔运算、基于压缩模型的Marching Cubes优化算法、实体模型的分步体素化方法等多项内容;最后介绍了体视化的方法,结合VTK(Visualization Toolkit)编程实现了数字材料模型的三维可视化,并通过非均质材料零件建模实例验证了本文建模方法的可行性与正确性.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容与章节安排

1.4本章小节

第二章Voxel模型

2.1Voxel建模技术

2.2基于Voxel的三维模型表示

2.2.1三维网格模型

2.2.2八叉树(Oct-Tree)结构

2.2.3基于Dexel的压缩结构

2.3Voxel模型的布尔运算

2.4 Voxel模型的表面提取

2.4.1 Marching Cubes方法

2.4.2本文改进的MC方法

2.5本章小结

第三章基于Voxel的数字材料建模方法

3.1方法的总体流程及特点

3.2分布进行的体素化方法

3.2.1.Dexel级离散

3.2.2.Voxel级离散

3.2.3.提高离散精度的方法

3.3以距离为参数的材料建模方法

3.4本章小结

第四章数字材料模型的可视化

4.1可视化技术

4.2数字材料模型的体视化

4.2.1.基于光线投射(Ray-Casting)的体绘制方法

4.2.2.基于VTK(Visualization Toolkit)的实现

4.3本章小结

第五章非均质材料零件的建模应用

5.1应用背景

5.2金属陶瓷功能梯度材料零件建模

5.3单向碳纤维增强复合材料建模

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1研究工作总结

6.2后继工作展望

6.3本章小结

参考文献

发表学术论文及参加科研活动

致谢

西北工业大学学位论文知识产权声明书和西北工业大学学位论文原创性声明