幾何重構的案例
ABAQUS二維混凝土細觀模型的數字化重建技術(一)幾何重構
混凝土細觀模型研究中主流的數字化重建方法主要分為以下兩類：一是幾何重構法，從CT或照片圖像中提取真實骨料輪廓，通過AutoCAD等軟件重建混凝土骨料、ITZ幾何模型，再導入ABAQUS進行網格劃分；二是圖像映射法，將混凝土高分辨率掃描圖像通過預處理將不同材料進行顏色區分后，通過ABAQUS插件直接轉化為有限元網格單元，并依據圖像顏色差異劃分材料相。本案例介紹混凝土細觀模型的幾何重構法，圖像映射法將在下篇文章中進行詳細說明。
首先對混凝土細觀的掃描圖像進行預處理，明確區分骨料（黑色）與水泥砂漿材料（白色），然后通過批量圖像邊界軟件提取界面過渡區（紅色）。在進行邊界提取時，提取維度選擇二維，邊界附著選擇黑色（即附著在骨料上），邊界顏色可設置為白色，方便下一步的CAD導入，本案例通過二次加厚處理兩次，將過渡區厚度設置為三個像素寬度。
采用CAD圖像導入插件分別導入邊界提取前后的圖片，形成ITZ外邊界及骨料邊界的CAD線條圖。插件導入CAD后的模型尺寸與圖片分辨率一致，需在CAD內進行模型縮放以達到實際的模型尺寸，例如圖片分辨率是500×500 px，實際的模型尺寸為150×150 mm，則需要進行的縮放比例為：150/500。
CAD模型處理完成后，將骨料、ITZ、砂漿圖分別另存為dxf格式文件，并以草圖的形式導入到ABAQUS內，然后在ABAQUS中使用導入的草圖建立相應的部件。
將各部件裝配，并采用EasyCDP Mortar&ITZ插件設置砂漿及ITZ的混凝土損傷塑性材料參數。
展開 基于Altair Inspire的旋轉梳齒式停車場關鍵部件結構優化設計
a）方案一幾何重構
b）方案二幾何重構
圖7 兩種方案的幾何重構
5、強度校核及結果分析
將兩個方案重新進行靜力分析，載荷、約束、材料、屬性的設置不變，分析結果如圖8、圖9及表3所示。
【多相流】VOF模型的體積分數（6）
3.1 Geometric Reconstruction方法
在幾何重構方法中，利用Fluent中的標準插值格式，在單元格完全填充某一相或另一相位，計算出面的通量。當單元靠近兩相之間的界面時，采用幾何重建方案。
幾何重構方法用分段逼近的方法表示流體間的界面。在Fluent中，該方案是最精確的，適用于一般的非結構網格。根據Youngs的工作，推廣了非結構網格的幾何重建方案。它假設兩種流體之間的界面在每個單元內具有一個線性斜率，并利用這個線性形狀來計算流體通過單元面的對流。
這個重構方案的第一步是根據體積分數及其在單元中的導數信息，計算線性界面相對于每個填充部分單元中心的位置。第二步是利用計算得到的線性界面表示法向和切向速度分布信息，計算各面流體的對流量。第三步是使用前一步計算的通量平衡計算每個單元的體積分數。
重要提示：當使用幾何重建方案時，必須計算一個時變的解。此外，如果使用共形網格(也就是說，如果網格節點的位置在兩個子域相交的邊界上是相同的)，則必須確保域內沒有雙面(零厚度)。如果有，你需要切開它們。
3.2 Donor-Acceptor
在donor-acceptor方法中，使用Fluent中使用的標準插值格式來獲得當單元完全充滿某一相位或另一相位時的面通量。當單元靠近兩相之間的界面時，使用“donor-acceptor”方法來確定流過面的通量。該方法將一個單元標識為來自某一相的一定量的流體的供體，而另一個(鄰近的)單元標識為相同數量流體的受體，并用于防止界面上的數值擴散。來自一個相的流體可以通過一個單元邊界進行對流，其數量受兩個值的限制:供體單元的填充體積或受體單元的自由體積。
界面的方向也用于確定面通量。界面的方向要么是水平的，要么是垂直的，這取決于單元內q相位的體積分數梯度的方向，以及相鄰單元共享的面。
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基于Altair Inspire的右前下后擺臂的模型優化
3、右前下后擺臂的幾何重構
對上文進行的拓撲優化結果進行幾何重構，獲得最終的輕量化設計模型，與原模型對比結果如下圖3.1、3.2所示。
圖3.1 右前下后擺臂原模型
圖3.2 右前下后擺臂優化后模型
ABAQUS二維混凝土細觀模型的數字化重建技術(二)圖像映射
上篇文章介紹了基于圖像進行混凝土細觀模型的幾何重構法，詳細步驟可查看下面的連接。
ABAQUS二維混凝土細觀模型的數字化重建技術(一)幾何重構
https://www.yqgqt.org.cn/post/1990726
本篇介紹二維混凝土細觀模型在ABAQUS中數字化重建技術的第二種方法——基于ABAQUS背景網格的圖像映射方法。混凝土圖像前處理部分與第一種方案一致，這里不多做贅述，將處理完成的混凝土圖像通過ABAQUS Image To Part 2D插件進行導入，導入時縮放比例參數（Scaling）設置為0.3，可將分辨率為500×500 px的圖像建立尺寸為150×150 mm的試件模型（0.3 = 150/500）。模型建立后采用EasyCDP Mortar&ITZ插件設置混凝土損傷塑性材料參數，本案例不考慮骨料的損傷破壞。
設置分析步、載荷后建立作業，并在提交作業前采用ABAQUS CDED插件設置混凝土開裂。
提交作業完成模擬分析。
展開 基于新能源汽車駐車機構（棘爪）拓撲優化的構想
5、進行拓撲優化
6、查看拓撲優化結果
本次分析共迭代了40次，前39次均為中間過程，因此只查看最后一步結果：
附：拓撲迭代過程云圖：
ISO（等值圖） = 0.3以上的密度分布云圖
利用Ossmooth對拓撲優化后的結構進行幾何生成，Ossmooth面板如下：
生成的幾何如下：
后續即可導出該幾何并結合ISO等值圖對概念設計模型進行幾何重構，并再次驗證其性能。
幾何重構模型如下：
對優化后幾何重構的幾何進行再次分析，其應力與變形量分析結果如下表所列：
零部件
最大變形量um（disp）
最大應力MPa （stress）
棘爪
469
877
應力與位移云圖如下：
注：本次所取最大應力點為棘爪上圓弧過渡處最大應力，并非接觸面上的最大應力，接觸面上的最大應力為赫茲應力，一般對接觸面上的應力不評價。
優化前后質量對比：
零件
優化前棘爪質量
優化后棘爪質量
減重比
質量
0.808kg
0.584kg
27.1%
結論：
通過本次拓撲優化分析，棘爪質量由0.808kg減小至0.584kg，優化后較優化前減重27%，且優化后最大應力與最大位移均滿足既定要求，本次拓撲優化視為合格。
心得
通過本次拓撲優化，學習了Optistruct求解器接觸的基本用法，同時對接觸力學的三種非線性知識有了一定的了解。掌握了拓撲優化的基本用法，能利用該方法解決工程中的一些實際問題，指導結構設計，本次雖為第一次使用Optistruct求解器，但從本次的拓撲優化中，收獲頗多，在今后的工作中，也會使用該軟件對結構進行優化設計，減輕工作量的同時，也能達到減重降本的目的。
展開 起重機主梁的優化設計
對優化結果提取并幾何重構后得到如圖2所示的模型：
圖2 拓撲優化幾何重構
為了更好地減重要求在剛強度不超過原模型的情況下采用尺寸優化尋求在設計允許范圍內的料厚最優分布，為了提高可制造性厚度離散化增量為0.1mm。在實際生產中，由于小車的激勵作用，起重機主梁通常的受載頻率取值范圍會在 2~5HZ，故要求優化后固有頻率不小于原模型的8HZ。尺寸優化后結果如圖3。
約束：Von.Mises應力<70MPa, Max disp<5mm, 一階模態頻率>8HZ。
目標：最小化全局質量。
圖3 尺寸優化后結果
利用optistruct拓撲及尺寸優化后的模型最大應力為55MPa，最大位移5mm，一階模態頻率8.13HZ均滿足設計要求且優于原始模型。整體重量由4.45噸減小至3.67噸，實現減重17.5%，可有效指導設計工作。
展開 成圖大賽 | Altair 助力第十八屆“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽圓滿落幕
以下幾組作品均采用 Altair Inspire 軟件開展巡檢機器人輕量化設計，通過拓撲優化方法，通過手動幾何重構或者自動幾何重構，開展零件的光順化處理，在滿足設計要求的前提下，零件減重均超過75%。
圖1. 中南大學1組
圖2. 昆明理工大學城市學院1組
一起來看看各位參賽選手對 Altair 輕量化設計和 AI 軟件的使用心得吧
此大賽由教育部高等學校工程圖學課程教學指導委員會、中國圖學學會制圖技術專業委員會和中國圖學學會產品信息建模專業委員會聯合主辦的圖學類課程最高級別的國家級賽事。
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關于 Altair 澳汰爾
Altair 是計算智能領域的全球領導者之一，在仿真、高性能計算 (HPC) 和人工智能等領域提供軟件和云解決方案，服務于16000多家全球企業，應用行業包括汽車、消費電子、航空航天、能源、機車車輛、造船、國防軍工、金融、零售等。
近期，Altair被全球工業軟件領導者西門子收購，成為西門子數字化工業軟件(Siemens Digital Industries Software)旗下成員，進一步鞏固西門子在仿真和工業人工智能領域的全球領導者地位，其技術正與西門子Xcelerator解決方案進行深度整合。
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展開 十三、FLUENT蒸發/冷凝模型
8 求解方法
設置pressure-Velocity耦合設置為PISO，volume fraction采用Geo-Reconstruct幾何重構算法，能夠精確捕捉氣液界面。只有在使用VOF模型時，volume fraction才可采用幾何重構方法。
在solution controls面板中設置亞松弛因子。設置pressurewie為0.5，momentum為0.2,volume fration為0.2。
9 初始化
初始化時設置temperature為372K。
需要patch兩個區域：
1、與hotwall相鄰網格節點。由于hotwall溫度高達570K，超出水的沸點373.15K，因此需要adapt出hotwall邊界相鄰節點區域，設置其溫度為373.15K。為什么要在加熱面patch一個飽和溫度？這是因為加熱面溫度為570K，而實際的蒸發溫度為373.15K，沸騰只在加熱面處發生，沸騰時溫度只能保持在飽和溫度。
2、Patch出初始水位。由于初始狀態下計算域中有深0.9m的水，因此需要通過patch將其標記出來。
【Adapt】>【boundary】，彈出如圖12所示對話框，在boundary zones中選擇hotwall，設置number of cells為1，點擊mark即可對此區域節點進行標記，下一步進行溫度patch。
點擊patch…按鈕，彈出圖所示對話框。
下一步patch水位。
點擊菜單【Adapt】>【region…】進入區域標記對話框。進行如圖14所示設置。
點擊mark進行標記。
進入patch對話框，進行如圖15所示設置。點擊patch完成設置。
此時可以查看云圖，以檢查patch是否正確。
展開 如何使用AIPump對泵進行逆向工程
在三維模型重構中，只要這三個要素的數據具備了，那么理想情況的葉輪模型也就已經被完全定義了。因此，最簡單的葉輪重構過程既是通過定義這三個特征的數據文件（hub.curve、shroud.curve、blade.curve和葉片數）來重構葉輪三維幾何。最復雜的葉輪重構過程，則是通過三維測量設備對葉輪模型進行數據采集（大多采用非接觸式測量，尤以光學測量法應用最為廣泛），形成點云文件后，經過一般的降噪處理，同時還需要經過手動的孔洞修復，數據精簡，特征提取，曲面重建，最終完成葉輪的重構。
3.1基于curve文件的葉輪逆向工程
在AIPump中，基于curve文件對葉輪進行幾何重構只需要簡單的幾個步驟，并可以進一步對葉輪的幾何參數進行修改，以滿足改型設計的需求。具體操作流程如下：
0. 運行AIPump，點擊文件→新建→葉輪設計。選擇“逆向擬合”，點擊下一步，進入導入向導。
1. 輸入葉片數量，設置源文件的長度單位和旋轉軸。
2. 選擇Curve文件，并設置hub.curve、shroud.curve、blade.curve的讀取路徑，點擊下一步。
3. 進入模型重構頁面，待逆向處理過程完畢后，會顯示原模型和重構模型，點擊下一步。
4. 進入重構模型的編輯修改窗口，在該窗口內可以對相關的幾何參數進行調整，完成對原葉輪的改型設計。
3.2 基于三維模型的葉輪逆向工程
更進一步，AIPump還支持基于三維模型的葉輪逆向工程，即通過step三維模型文件，進行模型重構，并以此為基礎，進行葉輪改型設計。具體操作流程如下：
0. 運行AIPump，點擊文件→新建→葉輪設計。選擇“逆向擬合”，點擊下一步，進入導入向導。
1.
展開 
基于optistruct安全帶固定支架形貌優化 ￥7
優化前
優化后
其中，紅色區域為生成的加強筋，供設計人員進行參考，從而幾何重構生成最終的模型。
優化前應力分布圖
優化后應力分布圖
優化前位移分布圖
優化后位移分布圖
從優化前與優化后汽車安全帶固定支架應力分布圖、位移分布圖可以看出，優化后的汽車安全帶固定支架強度和剛度均得到明顯的改善。關于本案例的應用，可參考學習《汽車安全帶固定支架的形貌優化設計》這篇文章。
展開 ABAQUS CT2Model3D Multi-Material插件介紹 ￥2998
CT2Model3D Multi-Material插件有效解決了復雜異質結構的幾何重構難題，顯著提升了三維數字孿生模型的構建效率與材料表征精度。
插件生成的模型單元總數與掃描圖像的總像素數量保持一致。若掃描分辨率較高，建議在導入前對圖像進行降采樣處理，以避免ABAQUS網格劃分時因單元規模超出計算機硬件資源限制而導致計算效率下降或運行異常。
插件通過像素的RGB數值精確劃分材料屬性，因此在三維重建前需確保圖像中不同材料的像素色彩種類與目標材料數量一致。例如，視覺上相近的藍色像素點（如RGB(100,200,239)與RGB(100,200,240)）若RGB數值存在差異，系統均會將其識別為獨立材料類型，從而影響模型的多相材料分布準確性。可通過AbyssFish BatchImageColorReducer批量圖像減色軟件，基于像素RGB數值的相似性，將相近像素顏色統一映射為目標材料顏色，從而實現多相材料模型的高效預處理。
需特別說明，該插件可自動生成網格單元、劃分單元集并分配多相材料截面屬性，但未涉及材料屬性定義、分析步設置、接觸關系定義及邊界條件配置等關鍵參數。上述內容需由用戶依據具體工程需求進行配置。
說明提醒
該插件可在 Windows 10 和 Windows 11 系統上運行，支持 Abaqus 2024、2025 及更高版本。
插件需要注冊，注冊完成后即可永久使用。該插件為單機許可銷售模式，購買后請聯系我們以獲取許可證。
展開 基于SolidThinking的試驗夾具輕量化設計
幾何重構并送予機加工的夾具如下圖所示。考慮到實際使用和安裝的過程中會其他未知受力情況，因此在螺釘孔與導套孔的安裝位置沒有采用優化結構。
結語：在使用過程中發現solidthinking inspire“仿真驅動設計”的理念貫穿于整個軟件，其致力于最快的上手、最優的速度、最好的結果，讓設計師和工程師集中精力于產品本身，而不是繁復的操作。只要對結構的連接與受力情況有很好的把控就可以得到很好的結果，大大降低了使用門檻。
LED點陣外殼DIY（SolidThinking Inspire優化設計）
根據結果采用Inspire自帶的polyNURBs進行幾何重構，由于外殼的對稱性，僅需要做1/4即可，考慮硬件的安裝空間，在底部加上支架，結果如下：
鏡像對稱后即可得到完整的外殼如下：
考慮裝配性，將外殼一切為二，中間接縫處設計凸臺、凹槽用于定位，采用家用3D打印機打印。安裝時先將點陣顯示器裝入上部槽中，然后通過4個銅柱螺絲將外殼與電路板連接，底部的鏤空結構不但可以保證電路板散熱，還能防止外部碰撞。
最終通過軟硬件結合，一個diy無線點陣顯示器完成了。可以用手機連接操控顯示，用Inspire優化出的外殼輕巧，PolyNURBS功能生成的曲面科技感十足。
