高级应用之头像ICEM网格划分

网格剖分之人头——ICEM

先来看看头像的原始几何模型吧，原始文件是影像扫描技术成型的自由曲面蒙皮模型，当然先要把曲面转换成实体格式（这一步对专业的网格平台不是必需），还好，手头先进的三维CAD 程序正好发挥用途，一个简单的操作，便完成了曲面向实体的转变，很显然，这是一个对称体，为了减少工作量，当然，对称化的处理是必须的（见图1、2），对不住了，我只有残忍地把这家伙一劈为二了。

图1 整体头像 图2 对称头像

好了，完成了基本头像几何的边界，接下来的工作应该是几何拓补规划，把脑筋转起来，OK，很快就发现了，整体头像的几何拓补非常简单，几乎就是一个方块+圆柱+切削圆球的组合体（图3、4），麻烦的制造者在于这家伙脑袋上长了眼睛和一个嘴巴，嘴巴是一个洞穴，眼睛也是一个洞穴，显然，最终拓补构造的时候，这个地方可能得多挖两锄头，至少得搞两个坑出来，把多余的“赘肉”给割掉（鼻子很简单，不过就是广阔的平原上冒出一个小山丘，而且和立脸颊面部连接非常光滑，没有凹凸拐点，因此，应该不影响咱们的网格分布构造）。OK，到目前为止，美容手术之前的准备工作已经结束，可以躺到手术床上了。

图3 整体拓补 图4 面部拓补

上了手术台（导入ICEM）,当然首先要做的工作便是一系列“宽衣解带”工作，ICEM里面这个过程称之为几何清理和修复，当然，这一切过程都基本上是自动化的，也有需要手工清理的时候，那种情况的前提是“相貌”长得实在太丑（几何模型太“烂”），不手工打底，实在没有办法。这个头像的几何模型还可以，基本上没有什么多余操作，自动清理就是了，这个过程实在没有啰嗦的必要，大多数网格程序都差不多。接下来，先回顾一下几种典型的几何拓补关系的分块方法（图5），彻底理解了这些分块思路，这个模型就简单了，图6为分块组合方式（几乎是高质量结构化六面体网格的必须方式）——从左到右，依次为圆球挖孔、1/8圆球+1/4圆柱、1/4圆球+1/2圆柱、圆柱、圆球、1/2圆柱+方体，当然，圆球也可异化为椭球体，方体可以异化为梯形体、楔形体、1/8圆球体可以异化为三棱锥体，这些异化体的几何拓补以及分块组合方式是完全相同的，因此图5的几何组合元素具有相当的普适性。图6、7是对应的分块拓补和网格，值得一提的是，最后的网格质量是相当地高。

图5 典型的几何拓补组合形式

图6 典型的几何分块拓补

图7 网格示意

好了，言归正传，基于上述分块原则和方法，下面给出本案例的分块示意图（图8、9、10）

(a)底座分块

(b)底座+颈子

（c）整体分块

（d）头部分块局部

（e）头部局部分块

图8 案例分块block

好了 ，经过分块block，可以进行网格试划分了，经过初步调整vertices和edge,得到最低网格质量（2x2x2行列式检验标准）为0.24的网格，再次经过网格优化（全自动过程），网格质量达到令人满意的0.31，美容手术顺利结束。

（a）

(b)

(c)

图9 最终网格示意图

美容手术顺利结束，必要的经验总结是不可缺少的，这个案例和F6飞机流场模型据说代表了“网格”剖分的典型技术难点（本案例属于腔体域内网格，F6则属于腔体域外绕流网格，个人认为F6短舱绕流模型应该更复杂一些），因此，本案例应该代表了复杂结构化网格划分的绝大部分方法与技巧，经验总结如下：

1、合理的几何分块规划和识别能力是成功进行结构化网格的前提和必要能力，这个谁也教

不了，得靠自己学习和悟性，最根本的分块拓补形式为方体，所有的其它分块形式只是其变异处

理或者组合处理的结果，在高级网格工程师眼里，所有的几何形状均都应该看作是方块的堆砌，水平的差异主要体现在对方块的“发现能力”。

2、Y型block、C型block和O型block是分块组合常用的形式，目的一个：提高网格交接处（如x\y两向相交位置）几何边界夹角过小或者夹角圆弧型过渡造成的网格角度过小的问题，对于网格楔率过大或者扭曲、翘曲严重，也是有效解决手段。

3、对于个别位置的复杂分块，与其用从高到低的“砍块”的方式进行分块划分，不如采用直接8个vertices连接生成新block的方式容易控制，因为前者的砍切会造成相邻block生成大量新vertices和edge,给后期block质量调整造成操作上的不方便；当然，利用已有block 的face拉伸成新的block也是一个极好的方法，两者的应用可以综合，怎么处理，得看环境。

4、个别位置容易出现质量较差的网格体，但数量较少，解决方法3个：其一为后期在mesn edit菜单下直接调整网格节点位置，从而调整其局部网格质量；其二是直接改变block的edge夹角或者斜率，这是一个经验型非常强的方法，但很管用，具体的方式主要包含edge劈分，包括劈分成line和spline等；其三就是直接采用ICEM的网格自动优化，多数情况下，采用三者组合的方式最好。——调整网格质量是一个考验耐心和观察力的活！

5、分块网格初划分出现负体积，并不代表最后的网格是负体积，分块阶段的负体积和block的排列以及生成方法关系极大，比如face延伸的正负方向（法线向内或者向外）不同会造成负体积的较大变化。

6、2D block和3D block无法并存，但2D block生成3D block具有相当高的灵活性，一个解决的办法是分子区域由2D block生成3D block，分别保存，并设置好相应的vertices，最后直接合并blk文件。

九层之台，起于垒土，清晰的的分块拓补思想是复杂六面体网格构成的重要前提。