Paving the path towards automatic hexahedral mesh generation

Abstract

Esta tesis versa sobre el desarrollo de las tecnologías para la generación de mallas de hexaedros. El proceso de generar una malla de hexaedros no es automático y su generación requiere varias horas te trabajo de un ingeniero especializado. Por lo tanto, es importante desarrollar herramientas que faciliten dicho proceso de generación. Con este fin, se presenta y desarrolla un método de proyección de mallas, una técnica de sweeping o barrido, un algoritmo para la obtención de mallas por bloques, y un entorno de generación de mallas. <br/><br/>Las implementaciones más competitivas del método de sweeping utilizan técnicas de proyección de mallas basadas en métodos afines. Los métodos afines más habituales presentan varios problemas relacionados con la obtención de sistemas de ecuaciones normales de rango deficiente. Para solucionar dichos problemas se presenta y analiza un nuevo método afín que depende de dos parámetros vectoriales. Además, se detalla un procedimiento automático para la selección de dichos vectores. El método de proyección resultante preserva la forma de las mallas proyectadas. Esta proyección es incorporada también en una nueva herramienta de sweeping. Dicha herramienta genera capas de nodos internos que respetan la curvatura de las superficies inicial y final. La herramienta de sweeping es capaz de mallar geometrías de extrusión definidas por trayectorias curvas, secciones no constantes a lo largo del eje de sweeping, y superficies inicial y final con diferente forma y curvatura.<br/><br/>En las últimas décadas se han propuesto varios ataques para la generación automática de mallas de hexahedros. Sin embargo, todavía no existe un algoritmo rápido y robusto que genere automáticamente mallas de hexaedros de alta calidad. Se propone un nuevo ataque para la generación de mallas por bloques mediante la representación de la geometría y la topología del dual de una malla de hexaedros. En dicho ataque, primero se genera una malla grosera de tetraedros. Después, varió polígonos planos se añaden al interior de los elementos de la malla grosera inicial. Dichos polígonos se denotan como contribuciones duales locales y representan una versión discreta del dual de una malla de hexaedros. En el último paso, la malla por bloques se obtiene como el dual de la representación del dual generada. El algoritmo de generación de mallas por bloques es aplicado a geometrías que presentan diferentes características geométricas como son superficies planas, superficies curvas, configuraciones delgadas, agujeros, y vértices con valencia mayor que tres.<br/><br/>Las mallas se generan habitualmente con la ayuda de entornos interactivos que integran una interfaz CAD y varios algoritmos de generación de mallas. Se presenta un nuevo entorno de generación de mallas especializado en la generación de cuadriláteros y hexaedros. Este entorno proporciona la tecnología necesaria para implementar les técnicas de generación de mallas de hexaedros presentadas en esta tesis. This thesis deals with the development of hexahedral mesh generation technology. The process of generating hexahedral meshes is not fully automatic and it is a time consuming task. Therefore, it is important to develop tools that facilitate the generation of hexahedral meshes. To this end, a mesh projection method, a sweeping technique, a block-meshing algorithm, and an interactive mesh generation environment are presented and developed. <br/><br/>Competitive implementations of the sweeping method use mesh projection techniques based on affine methods. Standard affine methods have several drawbacks related to the statement of rank deficient sets of normal equations. To overcome these drawbacks a new affine method that depends on two vector parameters is presented and analyzed. Moreover, an automatic procedure that selects these two vector parameters is detailed. The resulting projection procedure preserves the shape of projected meshes. Then, this procedure is incorporated in a new sweeping tool. This tool generates inner layers of nodes that preserve the curvature of the cap surfaces. The sweeping tool is able to mesh extrusion geometries defined by non-linear sweeping trajectories, non-constant cross sections along the sweep axis, non-parallel cap surfaces, and cap surfaces with different shape and curvature. <br/><br/>In the last decades, several general-purpose approaches to generate automatically hexahedral meshes have been proposed. However, a fast and robust algorithm that automatically generates high-quality hexahedral meshes is not available. A novel approach for block meshing by representing the geometry and the topology of a hexahedral mesh is presented. The block-meshing algorithm first generates an initial coarse mesh of tetrahedral elements. Second, several planar polygons are added inside the elements of the initial coarse mesh. These polygons are referred as local dual contributions and represent a discrete version of the dual of a hexahedral mesh. Finally, the dual representation is dualized to obtain the final block mesh. The block-meshing algorithm is applied to mesh geometries that present different geometrical characteristics such as planar surfaces, curved surfaces, thin configurations, holes, and vertices with valence greater than three.<br/><br/>Meshes are usually generated with the help of interactive environments that integrate a CAD interface and several meshing algorithms. An overview of a new mesh generation environment focused in quadrilateral and hexahedral mesh generation is presented. This environment provides the technology required to implement the hexahedral meshing techniques presented in this thesis.