茂之钳
bb0029234f
M1 — Generative Surfaces: - sweep_surface: Explicit/Spine/TwoGuides modes - loft_surface: multi-section interpolation + guide + tangent constraints - net_surface: bidirectional curve grid → NURBS M3 — Curve Tools + Analysis: - curve_tools: project_curve, parallel_curve, connect_curve(G1-G3), helix, isoparametric - surface_analysis: inflection_lines, checker_mapping, surface_checker_report (A/B/C/D) - 14/14 tests passed Fixed: constraint_solver.h duplicate declaration, fea_mesh.h comment syntax Pending: M2 surface editing (retrying)
545 lines
20 KiB
C++
545 lines
20 KiB
C++
#pragma once
|
||
/**
|
||
* @file fea_mesh.h
|
||
* @brief 高质量FEA有限元网格生成模块
|
||
*
|
||
* 提供四面体、边界层棱柱、六面体网格生成、自适应细化、
|
||
* 网格质量评估及CAE格式（Abaqus/Ansys/Nastran）导出。
|
||
*
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||
* ## 功能概览
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||
* - tetrahedral_mesh: Delaunay 3D + 质量优化四面体网格
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||
* - boundary_layer_mesh: 沿壁面法向拉伸棱柱边界层
|
||
* - hexahedral_mesh: sweep/extrude 六面体网格
|
||
* - adaptive_refinement: 基于误差估计的局部细化
|
||
* - fea_quality_report: skewness/aspect_ratio/jacobian/orthogonality 报告
|
||
* - export_abaqus / export_ansys / export_nastran: CAE 格式导出
|
||
*
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
#include "vde/mesh/halfedge_mesh.h"
|
||
#include "vde/mesh/delaunay_3d.h"
|
||
#include "vde/brep/brep.h"
|
||
#include <vector>
|
||
#include <array>
|
||
#include <string>
|
||
#include <functional>
|
||
#include <cstdio>
|
||
|
||
namespace vde::mesh {
|
||
using core::Point3D;
|
||
using core::Vector3D;
|
||
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||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// FEA 单元类型
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief FEA 单元拓扑类型
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
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||
enum class FEAElementType {
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Tet4, ///< 4节点线性四面体 (C3D4)
|
||
Tet10, ///< 10节点二次四面体 (C3D10)
|
||
Hex8, ///< 8节点线性六面体 (C3D8)
|
||
Hex20, ///< 20节点二次六面体 (C3D20)
|
||
Wedge6, ///< 6节点线性三棱柱/楔形 (C3D6)
|
||
Wedge15, ///< 15节点二次三棱柱 (C3D15)
|
||
};
|
||
|
||
/// 获取单元类型对应的每单元节点数
|
||
inline int nodes_per_element(FEAElementType t) {
|
||
switch (t) {
|
||
case FEAElementType::Tet4: return 4;
|
||
case FEAElementType::Tet10: return 10;
|
||
case FEAElementType::Hex8: return 8;
|
||
case FEAElementType::Hex20: return 20;
|
||
case FEAElementType::Wedge6: return 6;
|
||
case FEAElementType::Wedge15:return 15;
|
||
}
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
/// 获取单元类型名称
|
||
inline const char* element_type_name(FEAElementType t) {
|
||
switch (t) {
|
||
case FEAElementType::Tet4: return "Tet4";
|
||
case FEAElementType::Tet10: return "Tet10";
|
||
case FEAElementType::Hex8: return "Hex8";
|
||
case FEAElementType::Hex20: return "Hex20";
|
||
case FEAElementType::Wedge6: return "Wedge6";
|
||
case FEAElementType::Wedge15:return "Wedge15";
|
||
}
|
||
return "Unknown";
|
||
}
|
||
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// FEAMesh 数据结构
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief FEA有限元网格
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||
*
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||
* 存储顶点、单元连通性、边界面及单元类型信息。
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||
* 支持Tet4/Tet10/Hex8/Wedge6等常见FEA单元。
|
||
*
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
struct FEAMesh {
|
||
std::vector<Point3D> vertices; ///< 顶点坐标数组
|
||
std::vector<std::vector<int>> elements; ///< 各单元顶点索引（长度 = nodes_per_element）
|
||
FEAElementType element_type = FEAElementType::Tet4; ///< 单元类型
|
||
std::vector<int> material_ids; ///< 各单元材料ID（可选，默认0）
|
||
std::vector<std::vector<int>> boundary_faces;///< 边界面（用于施加BC），顶点索引数组
|
||
std::vector<int> boundary_face_tags; ///< 边界面标签（与boundary_faces一一对应）
|
||
|
||
/** @brief 单元总数 */
|
||
[[nodiscard]] size_t num_elements() const { return elements.size(); }
|
||
/** @brief 顶点总数 */
|
||
[[nodiscard]] size_t num_vertices() const { return vertices.size(); }
|
||
/** @brief 边界面总数 */
|
||
[[nodiscard]] size_t num_boundary_faces() const { return boundary_faces.size(); }
|
||
/** @brief 每单元节点数 */
|
||
[[nodiscard]] int npe() const { return nodes_per_element(element_type); }
|
||
};
|
||
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// 网格生成参数
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 四面体网格生成参数
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
struct TetMeshParams {
|
||
double min_angle = 15.0; ///< 最小二面角（度），太小导致刚度矩阵病态
|
||
double max_aspect_ratio = 5.0; ///< 最大长宽比（外接球半径/最短边）
|
||
double max_size = 0.0; ///< 最大单元尺寸，0 = 自动（包围盒对角线的 5%）
|
||
double min_size = 0.0; ///< 最小单元尺寸，0 = max_size/10
|
||
int quality_iterations = 3; ///< 质量优化迭代次数（Laplacian光顺+边翻转）
|
||
bool keep_surface = true; ///< 是否保持原表面顶点位置
|
||
};
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 边界层网格参数
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
struct BLPParams {
|
||
double first_cell_height = 0.001; ///< 第一层棱柱高度（壁面法向距离）
|
||
double growth_rate = 1.2; ///< 相邻层高度增长率（>1.0）
|
||
int num_layers = 5; ///< 棱柱层数
|
||
double total_thickness = 0.0; ///< 边界层总厚度，0 = 自动（first * (growth^n - 1)/(growth - 1)）
|
||
bool smooth_transition = true; ///< 是否平滑过渡到内部网格
|
||
};
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 六面体网格参数
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
struct HexMeshParams {
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||
int sweep_layers = 1; ///< sweep 方向层数
|
||
double sweep_distance = 0.0; ///< sweep 总距离，0 = 自动（包围盒最小维度）
|
||
bool use_quad_dominant = true; ///< 源面是否使用四边形主导网格
|
||
double cell_size = 0.0; ///< 目标单元尺寸，0 = 自动
|
||
};
|
||
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// 网格质量评估
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief FEA网格质量报告
|
||
*
|
||
* 包含 skewness（偏斜度）、aspect_ratio（长宽比）、
|
||
* jacobian（雅可比）、orthogonality（正交性）四项
|
||
* 核心FEA网格质量指标。
|
||
*
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
struct FEAQualityReport {
|
||
/// 偏斜度 (skewness): 实际单元与理想单元的偏差，[0,1]，0=最优
|
||
double min_skewness = 0.0;
|
||
double max_skewness = 0.0;
|
||
double avg_skewness = 0.0;
|
||
|
||
/// 长宽比 (aspect ratio): 最长边/最短边，(Fluent: 1=最佳)
|
||
double min_aspect_ratio = 0.0;
|
||
double max_aspect_ratio = 0.0;
|
||
double avg_aspect_ratio = 0.0;
|
||
|
||
/// 归一化雅可比 (scaled jacobian): [0,1]，1=正单元，0=退化，<0=反转
|
||
double min_jacobian = 0.0;
|
||
double max_jacobian = 0.0;
|
||
double avg_jacobian = 0.0;
|
||
|
||
/// 正交性 (orthogonality): 面法向与质心连线的夹角余弦，[0,1]，1=完美正交
|
||
double min_orthogonality = 0.0;
|
||
double max_orthogonality = 0.0;
|
||
double avg_orthogonality = 0.0;
|
||
|
||
size_t total_elements = 0; ///< 单元总数
|
||
size_t degenerate_elements = 0; ///< 退化单元数 (Jacobian < 0.01)
|
||
size_t inverted_elements = 0; ///< 反转单元数 (Jacobian < 0)
|
||
|
||
/// 分级统计 (A=优秀 B=良好 C=合格 D=差 F=不合格，按Jacobian)
|
||
size_t grade_A = 0, grade_B = 0, grade_C = 0, grade_D = 0, grade_F = 0;
|
||
};
|
||
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// 自适应细化
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 误差估计函数类型
|
||
*
|
||
* 对给定单元返回估计误差值（≥0），值越大表示该单元越需要细化。
|
||
*
|
||
* @param element_idx 单元索引
|
||
* @param mesh 所属网格
|
||
* @return 误差估计值（非负）
|
||
*/
|
||
using ErrorEstimator = std::function<double(int element_idx, const FEAMesh& mesh)>;
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 自适应细化参数
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
struct RefinementParams {
|
||
double error_threshold = 0.5; ///< 相对误差阈值（高于此值的单元被细化）
|
||
double refinement_fraction = 0.2; ///< 每次细化单元比例（0~1）
|
||
int max_iterations = 3; ///< 最大细化迭代次数
|
||
bool smooth_after_refine = true; ///< 细化后是否光顺
|
||
};
|
||
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// 网格生成 API
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 生成四面体FEA网格（Delaunay 3D + 质量优化）
|
||
*
|
||
* 对 BrepModel 进行 tessellation 获取表面三角网格，
|
||
* 采样内部点后进行 Delaunay 3D 四面体化，
|
||
* 再进行 Laplacian 光顺 + 边翻转优化质量。
|
||
*
|
||
* @param body B-Rep实体模型
|
||
* @param params 四面体化参数（最小角、长宽比约束等）
|
||
* @return FEAMesh 四面体网格
|
||
*
|
||
* @code{.cpp}
|
||
* auto box = vde::brep::make_box(1, 1, 1);
|
||
* TetMeshParams p;
|
||
* p.min_angle = 18.0;
|
||
* p.max_aspect_ratio = 4.0;
|
||
* auto mesh = tetrahedral_mesh(box, p);
|
||
* @endcode
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
FEAMesh tetrahedral_mesh(const brep::BrepModel& body,
|
||
const TetMeshParams& params = {});
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 生成边界层棱柱网格
|
||
*
|
||
* 沿B-Rep模型壁面法向拉伸多层棱柱单元，
|
||
* 用于CFD边界层捕捉（y+控制）。
|
||
* 先对表面进行三角化，然后每层沿法向偏移。
|
||
*
|
||
* @param body B-Rep实体模型
|
||
* @param params 边界层参数（首层高度、增长率、层数）
|
||
* @return FEAMesh 棱柱网格 (Wedge6)
|
||
*
|
||
* @code{.cpp}
|
||
* BLPParams p;
|
||
* p.first_cell_height = 0.0001;
|
||
* p.growth_rate = 1.15;
|
||
* p.num_layers = 10;
|
||
* auto bl = boundary_layer_mesh(wing, p);
|
||
* @endcode
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
FEAMesh boundary_layer_mesh(const brep::BrepModel& body,
|
||
const BLPParams& params = {});
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 生成六面体网格（sweep/extrude策略）
|
||
*
|
||
* 将B-Rep模型的一个面（源面）四边形化，
|
||
* 然后沿法向 sweep 生成六面体层。
|
||
* 适用于拉伸体/棱柱体等 sweepable 几何。
|
||
*
|
||
* @param body B-Rep实体模型
|
||
* @param params 六面体化参数
|
||
* @return FEAMesh 六面体网格 (Hex8)
|
||
*
|
||
* @code{.cpp}
|
||
* auto cylinder = vde::brep::make_cylinder(1, 3);
|
||
* HexMeshParams p;
|
||
* p.sweep_layers = 5;
|
||
* auto mesh = hexahedral_mesh(cylinder, p);
|
||
* @endcode
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
FEAMesh hexahedral_mesh(const brep::BrepModel& body,
|
||
const HexMeshParams& params = {});
|
||
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// 高级六面体网格生成 API
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
|
||
/// 六面体质量优化选项
|
||
struct HexOptimizationParams {
|
||
double min_scaled_jacobian = 0.3; ///< 最小可接受雅可比
|
||
double max_aspect_ratio = 10.0; ///< 最大长宽比
|
||
int max_iterations = 50; ///< 最大优化迭代次数
|
||
double convergence_tol = 1e-4; ///< 收敛容差
|
||
bool untangle = true; ///< 是否翻转修复（untangle inverted elements）
|
||
bool laplacian_smooth = true; ///< 是否 Laplacian 光顺
|
||
bool optimization_based_smooth = true; ///< 是否基于优化的光顺
|
||
};
|
||
|
||
/// 六面体质量优化结果
|
||
struct HexOptimizationResult {
|
||
FEAMesh optimized_mesh; ///< 优化后的网格
|
||
FEAQualityReport initial_quality; ///< 初始质量报告
|
||
FEAQualityReport final_quality; ///< 最终质量报告
|
||
int iterations = 0; ///< 实际迭代次数
|
||
int inverted_fixed = 0; ///< 修复的反转单元数
|
||
int degenerate_fixed = 0; ///< 修复的退化单元数
|
||
bool converged = false; ///< 是否收敛
|
||
};
|
||
|
||
/// 面标识结构
|
||
struct FaceRegion {
|
||
std::vector<int> face_indices; ///< 面的顶点索引列表
|
||
std::string name; ///< 面名称
|
||
};
|
||
|
||
/// 多块分区定义
|
||
struct BlockRegion {
|
||
std::vector<Point3D> corner_vertices; ///< 8个角顶点（i,j,k 顺序）
|
||
int n_i = 2; ///< i方向分段数
|
||
int n_j = 2; ///< j方向分段数
|
||
int n_k = 2; ///< k方向分段数
|
||
};
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 映射法六面体网格生成
|
||
*
|
||
* 给定 B-Rep 实体的源面和目标面，使用映射法生成结构化六面体网格。
|
||
* 核心思路：将源面四边形网格通过坐标映射变换到目标面，
|
||
* 并在中间层线性插值，形成规则的六面体网格。
|
||
*
|
||
* 算法：
|
||
* 1. 在源面生成四边形网格（重心映射或栅格映射）
|
||
* 2. 在目标面生成对应的四边形网格
|
||
* 3. 沿 sweep 方向线性插值生成中间层
|
||
* 4. 连接各层为六面体单元
|
||
*
|
||
* @param body B-Rep实体模型
|
||
* @param source_face 源面标识
|
||
* @param target_face 目标面标识
|
||
* @param layers 层数（默认 4）
|
||
* @return FEAMesh 六面体网格 (Hex8)
|
||
*
|
||
* @note 对标 Ansys ICEM CFD Blocking / Pointwise
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
[[nodiscard]] FEAMesh mapped_hex_mesh(
|
||
const brep::BrepModel& body,
|
||
const FaceRegion& source_face,
|
||
const FaceRegion& target_face,
|
||
int layers = 4);
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 子映射法六面体网格生成
|
||
*
|
||
* 自动将复杂几何体分区为多个可映射子区域，
|
||
* 然后在每个子区域内用映射法生成六面体网格，
|
||
* 最后缝合各子区域网格。
|
||
*
|
||
* 算法：
|
||
* 1. 分析几何体的拓扑特征（角点、棱边）
|
||
* 2. 自动分区为可扫掠（sweepable）子区域
|
||
* 3. 对每个子区域执行映射法六面体化
|
||
* 4. 合并子区域网格，保证界面节点一致
|
||
*
|
||
* @param body B-Rep实体模型
|
||
* @return FEAMesh 六面体网格 (Hex8)
|
||
*
|
||
* @note 对标 Ansys Workbench MultiZone / CUBIT Submap
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
[[nodiscard]] FEAMesh submapped_hex_mesh(
|
||
const brep::BrepModel& body);
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 多块结构化六面体网格生成
|
||
*
|
||
* 对几何体进行显式多块分解，每个块独立生成结构化六面体网格，
|
||
* 确保块间界面节点一一对应。
|
||
*
|
||
* 算法：
|
||
* 1. 根据用户定义或自动识别的块分区
|
||
* 2. 每个块内使用 transfinite interpolation (TFI) 生成节点
|
||
* 3. 块间共享面节点，保证 conformal 连接
|
||
* 4. 组装块为整体网格
|
||
*
|
||
* @param body B-Rep实体模型
|
||
* @param blocks 块分区定义列表
|
||
* @return FEAMesh 六面体网格 (Hex8)
|
||
*
|
||
* @note 对标 Ansys ICEM CFD Hexa Blocking / TrueGrid
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
[[nodiscard]] FEAMesh multi_block_hex_mesh(
|
||
const brep::BrepModel& body,
|
||
const std::vector<BlockRegion>& blocks);
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 六面体网格质量优化与翻转修复
|
||
*
|
||
* 对六面体网格进行质量优化，包括反转变形修复（untangling）、
|
||
* Laplacian 光顺和基于优化的光顺。
|
||
*
|
||
* 算法：
|
||
* - untangling: 检测负雅可比单元，通过解局部优化问题翻转节点
|
||
* - Laplacian 光顺: 将内部节点移到邻域质心
|
||
* - 优化光顺: 最小化目标函数（扭曲度+体积变化）
|
||
*
|
||
* @param mesh 输入 FEA 六面体网格
|
||
* @param params 优化参数
|
||
* @return HexOptimizationResult 优化结果（含优化前后质量报告）
|
||
*
|
||
* @note 对标 CUBIT MeshGems / Pointwise T-Rex Quality
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
[[nodiscard]] HexOptimizationResult hex_quality_optimization(
|
||
const FEAMesh& mesh,
|
||
const HexOptimizationParams& params = {});
|
||
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// 自适应细化
|
||
/**
|
||
* 基于误差估计函数对高误差区域进行局部细分。
|
||
* 支持边中点分裂细化（适用于Tet4→4×Tet4子单元）。
|
||
*
|
||
* @param mesh 输入FEA网格
|
||
* @param estimator 误差估计函数
|
||
* @param params 细化参数
|
||
* @return FEAMesh 细化后的网格
|
||
*
|
||
* @code{.cpp}
|
||
* auto estimator = [](int ei, const FEAMesh& m) -> double {
|
||
* // 基于应力梯度的误差估计
|
||
* return stress_gradient_norm(ei, m);
|
||
* };
|
||
* auto refined = adaptive_refinement(mesh, estimator);
|
||
* @endcode
|
||
* @ingroup mesh
|
||
*/
|
||
FEAMesh adaptive_refinement(const FEAMesh& mesh,
|
||
const ErrorEstimator& estimator,
|
||
const RefinementParams& params = {});
|
||
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
// 质量评估 API
|
||
// ════════════════════════════════════════════════════════
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 评估FEA网格质量
|
||
*
|
||
* 计算四项核心质量指标：
|
||
* - skewness: 偏斜度（实际vs理想单元的偏差）
|
||
* - aspect_ratio: 长宽比
|
||
* - jacobian: 归一化雅可比行列式
|
||
* - orthogonality: 正交性（面法向与质心连线夹角）
|
||
*
|
||
* 自动根据 element_type 选择对应算法（Tet/Hex/Wedge）。
|
||
*
|
||
* @param mesh FEA网格
|
||
* @return FEAQualityReport 质量报告
|
||
*
|
||
* @ingroup mesh
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||
*/
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||
FEAQualityReport fea_quality_report(const FEAMesh& mesh);
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// ── 单项质量指标 ──
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/**
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* @brief 计算单元的偏斜度
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* @param verts 单元顶点数组
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||
* @param type 单元类型
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* @return skewness [0,1]，0=理想单元
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||
*/
|
||
double element_skewness(const std::vector<Point3D>& verts, FEAElementType type);
|
||
|
||
/**
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||
* @brief 计算单元的长宽比
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||
* @param verts 单元顶点数组
|
||
* @param type 单元类型
|
||
* @return aspect_ratio ≥ 1，1=理想
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||
*/
|
||
double element_aspect_ratio(const std::vector<Point3D>& verts, FEAElementType type);
|
||
|
||
/**
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||
* @brief 计算单元的归一化雅可比
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||
* @param verts 单元顶点数组
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||
* @param type 单元类型
|
||
* @return scaled_jacobian [0,1]，1=正四面体/正方体，0=退化
|
||
*/
|
||
double element_scaled_jacobian(const std::vector<Point3D>& verts, FEAElementType type);
|
||
|
||
/**
|
||
* @brief 计算单元的正交性
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||
* @param verts 单元顶点数组
|
||
* @param type 单元类型
|
||
* @return orthogonality [0,1]，1=完全正交（面法向与对面质心连线平行）
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||
*/
|
||
double element_orthogonality(const std::vector<Point3D>& verts, FEAElementType type);
|
||
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||
// ════════════════════════════════════════════════════════
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||
// CAE 格式导出
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||
// ════════════════════════════════════════════════════════
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/**
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* @brief 导出 Abaqus 输入文件 (.inp)
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*
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||
* 生成包含 *NODE 和 *ELEMENT 卡的 Abaqus 输入文件。
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* 支持 Tet4 (C3D4), Tet10 (C3D10), Hex8 (C3D8), Wedge6 (C3D6)。
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||
*
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* @param mesh FEA网格
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* @param filepath 输出文件路径
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||
* @return 成功返回 true
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||
*
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* @ingroup mesh
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||
*/
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bool export_abaqus(const FEAMesh& mesh, const std::string& filepath);
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/**
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||
* @brief 导出 Ansys CDB 文件 (.cdb)
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*
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||
* 生成包含 NBLOCK 和 EBLOCK 的 Ansys CDB 格式文件。
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*
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* @param mesh FEA网格
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* @param filepath 输出文件路径
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* @return 成功返回 true
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||
*
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||
* @ingroup mesh
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||
*/
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||
bool export_ansys(const FEAMesh& mesh, const std::string& filepath);
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||
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/**
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||
* @brief 导出 Nastran 批量数据文件 (.bdf/.dat)
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||
*
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||
* 生成包含 GRID 和 CTETRA/CHEXA/CPENTA 卡的 Nastran 输入文件。
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*
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* @param mesh FEA网格
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* @param filepath 输出文件路径
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||
* @return 成功返回 true
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||
*
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||
* @ingroup mesh
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||
*/
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||
bool export_nastran(const FEAMesh& mesh, const std::string& filepath);
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||
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} // namespace vde::mesh
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