体素思想—三维机织（2.5D）复合材料参数化网格技术 原创

织物结构化网格生成的两种思路

首先介绍一下什么是结构化网格。这个结构不是力学里面结构的概念，在流体网格讲的比较多。所谓结构化，指的是生成网格的基本型面和节点布置，由明确的映射关系，可以得到符合规律的网格（一般指的四边形、六面体）。

我们在前面文章介绍了三维机织（2.5D）复合材料的基本概念，以及我们自研的网格生成软件。那个文章介绍的方法可以得到连续光顺的纱线结构化网格，它严格遵循了纱线的几何。

静界有限元连续光滑纱线网格技术

之所以能达到这个效果，是因为我们开发的截面扫掠生成网格模块，是从网格技术最基本的思路出发。

除此之外TexGen采用的是体素网格思路。简单理解就是先在空间内堆积足够的均匀网格，然后根据纱线轨迹和截面，把属于纱线区域的网格定义为纱线，剩下的就是基体。这种思路得到纤维网格是不光滑的，当网格密度低的时候，还会出现纤维不连续的现象。

前面的方法，算法难度高，但是网格量可控，纤维网格质量高。体素方法，算法难度低，对开发人员来说友好，但是网格量巨大，纤维网格质量差，不适用于宏观尺度。

一般来说，容易开发的算法，用起来都不好用。但是由于TexGen名气实在太大，很多人比较认可，我们决定也基于体素思想，写一版三维机织复合材料建模软件。

  

静界有限元体素网格技术

体素思路的实现

我们之前已经能够得到光滑的纤维网格了，所以体素方法对我来说很简单。我只需要从均匀的基体网格中判断，哪些单元被已有的纤维网格包裹了，就可以得到纤维的体素网格。

实际上，体素方法本身并不高端，它本质是一直暴力搜索的方法。从技术上来说，没有什么美感。

唯一需要注意的是，为了保证纤维足够的特征，我们需要先创建大规模的基体单元。我目前测试下来，对于单胞级的，最好也要有100W网格。暴力搜索方法就会很慢。我想这也是不少人反映TexGen网格生成慢的原因之一。

当然可以有一些加速方法，比如先做预处理，构建八叉树提升检索速度，或者使用并行等等。但这也改变不了体素方法本身慢、且不适应于大尺度模型的特点。

除此之外，在检索的时候，还要做局部材料坐标系匹配。在生成inp文件的时候，需要自动定义两种材料和set以区分纤维和基体。

软件集成

将上述方法集成为体素版软件，效果如下：

导入ABAQUS

用100W网格做一个模型，导入ABAQUS后效果如下：

定制开发

我们目前掌握的这两种技术，可以应用到其他立体织物结构，如果各课题组和院所有需要，可以联系我们，一起联合开发新的参数化建模与网格生成软件。