（机械制造及其自动化专业论文）基于ug模型特征的三维模型格式转换.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：许大冰 日期：厂。6 、吁 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：参卜，壮导师躲夕轴 日期：少以莎垆 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文工作是研究基于u g 系统的二次开发实现u g 系统实体模型到m c n p 输入文 件i n p 格式，最终实现实体模型m c n p 输入文件的完成。m c n p 作为国际上通用的粒 子轨迹运算程序，使用十分广泛，但建立几何模型需要手动进行输入，不仅工作量 大，而且容易出现错误、不易检查。而u g 系统作为在制造业应用最广泛的建模软 件，在几何建模方面十分成熟，同时自身的兼容性和可开发性十分强大，具有丰富 的二次开发接口，所以基于u g 系统来完成m c n p 辅助建模就具有自身的优越性和可 实现性。在充分调研了实体模型b - r e p - - c s g 格式转换算法的资料，同时结合u g 系 统自身的特点，提出了基于u g 模型特征的三维模型转换为m c n p 输入文件的算法。 本文工作如下： ( 1 ) 深入分析u g 实体模型的数据结构，寻找和分析实体模型几何信息和拓扑信 息之间的关系； ( 2 ) 针对u g 模型的自身数据结构，利用u g 实体模型进行分割理论，同时易于 表示的模型拓扑标记壳，通过模型特征提取技术，对实体模型进行处理，实现实体 模型的分割； ( 3 ) 在c 语言环境下使用u g o p e n a p i 进行u g 的二次开发，结合u g 模型自身的 特点提出了基于u g 模型自身特点的分解算法，实现实体模型空间树的构建； 本文阐述了基于u g 系统进行m c n p 辅助建模，提出对u g 模型进行模型特征的 分割，得到以逻辑运算符连接，凸体元为子节点的模型空间树。从而得到m c n p 输 入文件，通过实际验证方法简单可靠。 关键词：u g u g o p e n a p i i n pc s g - - i n p 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 刀始w o r ki sar e a s u r c ho ft h ec o n v e r s i o no fs o l i dm o d l et oa c h i e v es o l i dm o d e lt o m c n pi n p u tf i l ei n pf o r m a ：t ，w h i c hb a s e do nt h es e c o n dd e v e l o p m e n to fu gs y s t e m ， f i n a l l yg e t t i n gt h em c n pm p u tf i l eo ft h ee n t i t ym o d e l t h em c n p a sa ni n t e r n a t i o n a l p a r t i c l et r a j e c t o r i e so nt h eg e n e r a lc o m p u t i n gp r o c e d u r e ，i th a sb e e nu s e dv e r yb r o a d b u t w em u s tb u i l dt h eg e o m e t r i cm o d e lb ym a n u a l l yi n p u tn o to n l yt h eh e a v yw o r k l o a d ，b u t a l s op r o n et oe r r o ra n dd i 伍c u l tt oc h e c k t h eu gs y s t e ma st h em o s tw i d e l yu s e d m o d e l i n gs o f t w a r ei n t h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ；i ti sv e r ym a t u r ei nt h eg e o m e t r i c m o d e l i n g w h i l ei ti s v e r ys t r o n gi ni t sc o m p a t i b i l i t y , t h ed e v e l o p m e n ta n dt h es e c o n d d e v e l o p m e n t s oi t h a si t s0 w e na d v a n t a g ea n da c h i e v a b i l i t yt oc o m p l e t et h em c n p a s s i s t e dm o d e l i n gb a s e do nt h eu g w e c a r r yo u ti n d e p t hs t u d ya n de x p l o r a t i o nw i t ht h e b a s e do ns e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fu gs y s t e m ，a f t e rt h ef u l li n v e s t i g a t i o no ft h ep h y s i c a l m o d e lo fb - r e p _ c s gd a t af o r m a tc o n v e r s i o na l g o r i t h m , a n dc o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so f u gs y s t e mi t s e l f t h i sw o r kf o l l o w s ： ( 1 ) d e p t ha n a l y s i so f t h eu g s o l i dm o d e ld a t as t r u c t u r e ，s e a r c ha n d a n a l y s i s t h er e l a t i o n s h i po fg e o m e t r ya n dt o p o l o g yi n f o r m a t i o no fs o l i dm o d e l ； ( 2 ) f o rt h eu g m o d e li t so w nd a t as t r u c t u r e ，w e op r o p o s e dt od i v i d et h e u gs o l i dm o d e l ，a n do n ek i n do fe a s i l yb i a o s h im 破一s h e l l t h r o u g ht h em o d e lo f f e a t u r ee x t r a c t i o nt e c h n i q u e s ，w eh a n d l et h es o l i dm o d e lt oa c h i e v es o l i dm o d e lo f s e g m e n t a t i o n ( 3 ) w eu s et h eu g o p e n a f it og e t t i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fu g i nt h ec l a n g u a g e w ep r o p o s et h eu gs o l i dm o d e ld e c o m p o s i t i o n , c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f u g w ea c h i e v et h es p a c et r e e w ep r o p o s e dt oa s s i s tm c n pm o d e lb a s e do nt h eu gs y s t e m ，d i v i d et h es o l i dm o d e l w i mt h em o d e lf e a t u r e w eg e tt h es p a c et r e ew h i c hc o n n e c t e dw i t hl o g i c a lo p e r a t o r s ， c o n v e xv o l u m ee l e m e n ta sac h i l dn o d e f i n a l l yw eg e tt h em c n p i n p u tf i l e t h ep r a c t i c a l v e r i f i c a t i o ns i m p l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：u g ；u g o p e n a p i ；i n p ；c s g - - i n p 西南科技大学硕士研究生学位论文? 第，i i 页 目录 1 绪论一1 1 1研究背景l 1 2国内外研究现状2 1 2 1m c n ps i m u l a t i o n sa n dp h a n t o mf a b r i c a t i o n 2 1 2 2m c n p c a da c t i v i t i e sa n dp r e l i m i n a r y3 - dr e s u l t s 。2 1 2 3s a b r i n a 3 1 2 4m c n pv is u a le d it o r 4 1 2 5m c a m 4 1 3利用c 仰软件进行m c n p 辅助建模的优势5 1 4本文工作5 1 5本文的组织结构6 2 相关理论8 2 1m c n p 几何模型8 、 2 1 1m c n p 系统8 2 1 2m c n p 输入模型9 2 2 c a d 系统几何造型技术1 1 2 2 1 实体模型的存在方式1 2 2 3c a d 技术的发展1 7 2 4u g 模型拓扑结构1 9 2 5u g 模型标准2 0 2 5 1u f 对象2 0 2 5 2 表达式2 3 2 5 3p a r a s o l i d 对象2 5 2 6本章小结2 8 3 三维模型特征识别。2 9 3 1三维特征识别技术2 9 3 1 1 基于边界匹配的特征识别方法。2 9 3 1 2 基于分解的特征识别方法3 1 3 1 3 其它方法3 3 3 2特征定义3 4 3 3本章小结3 5 4u g 的二次开发3 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第 4 1u g o p e n a p i 的查询3 6 4 2u g o p e n a p i 的开发3 8 4 2 1 程序编制3 8 4 3 本文对u g o p e n a p i 的应用4 0 4 3 1u g 二次开发算法研究4 0 4 4基于u g 模型的m c n p 几何模型的核心生成算法一4 2 4 5程序验证4 3 4 5 1 预处理4 3 4 5 2 程序说明4 5 4 6 本章小结4 9 5 基于u g 系统的m c n p 几何模型输入的转换算法5 0 5 1基于u g 系统的转化算法5 0 5 1 1u g 实体模型分解算法5 0 5 1 2 空间树到m c n p 几何模型的转换5 2 5 2 本章小结5 8 6 本文程序验证5 9 结论、6 4 致谢：6 5 参考文献。6 6 附录1 7 0 附录2 8 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果8 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1研究背景 本课题是为了研究c a d 与m c n p 的格式转换问题，众所周知m c n p 作为模 拟粒子输运应用最为广泛、最为成熟的运算软件，在几何模型输入上有自身 的不足，无法进行可视化操作，不仅工作量大，而且极易出错。另一方面c a d 系统，作为应用最为广泛的造型软件，在人机交互，系统稳定性等方面有自 己得天独厚的优势，那么怎么结合这两者的优势，来解决m c n p 文件输入中的 问题，就显的很有必要性了。 c a d ( 计算机辅助设计) 有着非常悠久的历史，也是发展最为成熟、应用 最为成功的计算机应用技术之一。从1 9 6 3 年麻省理工学院i e s u t h e r l a n d 首次提出c a d 概念后，在过去的半个多世纪中，c a d 经历了高速发展的6 0 年 代，提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构思想，为c a d 技术的发展和应用打下了理论基础。7 0 年代以来，1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公 司第一个推出完整的c a d 系统，出现了面向中小企业的c a d c a m 商业化系统。 接着进入突飞猛进的8 0 年代，这个时期，图形系统和c a d c a m 工作站的销售 量不断增加，美国实际安装的c a d 系统到1 9 8 8 年发展到6 3 0 0 0 套。c a d c a m 技术从大中企业向小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从应用于产 品设计发展到用于工程设计和工艺设计。最后发展到开放式、标准化、集成 化和智能化的c a d 系统。9 0 年代，因微机加视窗9 5 9 8 n t 操作系统与工作 站加u n i x 操作系统在以太网的环境下构成了c a d 的主流工作平台，因此现在 的c a d 技术和系统都有良好的开放性，图形接口、图形功能日趋标准化。 m c n p 是基于蒙特卡洛方法原理的通用中性粒子输运程序。蒙特卡洛方法 ( m c m m o n t ec a r l om e t h o d ) 是一种基于统计的非确定数值计算方法，在解决 粒子运输问题方面具有优越性。m c n p 是由美国诺斯阿拉莫斯国家实验室开发 的通用的、连续能量的、任意几何的、时间无关的、中子一光子一电子耦合蒙 特卡洛输运程序。它能够运行于以下几种输运模式：光子、中子、电子、光 子一中子、中子一光子一电子、光子一电子和电子一光子。m c n p 已经成蒙特卡洛 粒子输运方法的实际应用标准。 通过数据格式交换实现c a d 模型与m c n p 模型互换，同时确保模型的数据 的等效性。如果等到在下游应用软件中发现了数据质量问题，追溯起来将相 当困难并且成本高昂。若在最初的建模时就确保模型数据的质量，那么在动 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 态的数据共享环境中就可以保持c a d 模型数据的一致性和完整性。 1 2国内外研究现状 自二战以来，m o n t ec a r l o 方法在解决粒子运输问题上具有自己特有的 优势并不断得到发展，广泛应用于核物理、辐射物理、数学、电子学等方面。 该方法非常适用于解决复杂的三维模拟问题，尤其在解决不能用确定性方法 解决的问题有自己独到的优势。介于该方法在解决粒子输运问题方面的优越 性，人们开发了多种m o n t ec a r l o 模拟程序，如：e g s 、m c n p 、m o r s e 和f l u k a ， 其中e g s ( e l e c t r o ng a m m as h o w e r ) 、m c n p 是应用的最为广泛并得到验证的 两种经典m o n t ec a r l o 模拟程序。 由于m c n p 本身无法提供建模环境，对输入文件的准确性要求严格，所以 用户只能直接编辑、修改模型文件( 文本文件) ，耗时费力。若能实现c a d 模 型与m c n p 模型格式的完整转换，将大大提高行业专家的工作效率，使得行业 专家可以从繁重的重复劳动中解放出来，集中精力思考研究中最重要的环节， 更便于专家发现、探索规律；目前出现了一些辅助建模软件，如s a b r i n a n l 和m c n pv i s u a le d i t o r 等。 1 2 1m c n psim uia tio n sa n dp h a n t o mf a bric a tio n 这是美国r e n s s e l a e r 大学开发的软件。开发环境是基于模型特征的参 数化设计工具s o l i d w o r k s 软件和s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a 产品模型数据交换标准) 文件，现阶段已实现了s t e p 文件到m c n p 输入文件的转化，包括s t e p 文件的选取，材料的选取，m c n p 输入文件的获得等，下一步是实现更完备的系统，同时针对m c n p 文件可以 进行更多的用户自定义设置。 1 2 。2m c n p c a da c tivitie sa n d p r ei - min ar y3 一dr e s uit s 此软件是由美国w i s c o n s i n 大学正在研发的软件，目的是实现c a d 几何 建模与m c n p 建模之间的转换，整个流程如图卜1 所示，其中最核心的转换部 分如图i - 2 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 - 1c a d 到m c n p 整体流程图 f i g 1 - 1 t h ef i o wc h a r to fc a dt om c n p 图卜2m c n p c a da c t iv i t ie sa n dp r e ii m i n a r y3 - dr e s u i t s 转换流程图 f ig 1 2t h ef i o wc h ar to fm c n p c a da c t iv i t ie sa n dp r e ii m in a r y3 - dr e s u i t s 1 2 3s a b rin a 美国w h i t er o c ks c i e n c e 开发的图形软件，主要用于建立m c n p 几何模 型和可视化m c n p 的相关数据，基于s a b r i n a 的建模过程如图1 - 3 所示。主要 功能包括： ( 1 ) 前置处理：辅助创建和检查m c n p 几何模型，使得用户在可视化、 交互的环境中建立m c n p 几何模型。 ( 2 ) 后置处理：m c n p 计算结果的可视化，如发射粒子的路径可视化以及 粒子运行过程的可视化。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 - 3 基于s a b rin a 的建模过程 f i g 卜3 t h ep r o c e s so f s a b ri n a 1 。2 4m c n pvis u al e dit o r 和s a b r i n a 相似，m c n pv is u a le d i t o r 是基于s a t 文件进行转换 ( r a n d o l p hs c h w a r z2 0 0 3 年论文) 。m c n pv i s u a le d i t o r 也是以可视化交互 技术为核心的m c n p 辅助建模软件。现被国际原子能机构的放射安全信息计算 中心( r a d i a t i o ns a f e t yi n f o r m a t i o nc o m p u t a t i o n a lc e n t e r ) 收录，并随 m c n p ( 5 a 及以后版本) 免费发行。 m c n pv i s u a le d i t o r 现阶段已经实现了二维c a d 图形与m c n p 输入文件 之间的转换。其中一个重要特色是使用m c n p 的f o r t r a n 源码读取m c n p 输入 文件和绘制截面图，保证m c n pv i s u a le d i t o r 和m c n p 的一致性，根据用户 的定义输出m c n p 输入文件，并显示相应的三维几何模型婚，。 m c n pv i s u a le d i t o rf o rm c n p 从1 9 9 2 开始开发，1 9 9 7 年开始向r s i c c 发行，到2 0 0 3 年6 月，己有超过3 7 0 位的用户。 1 2 5m o a m m c a m ( m o n t ec a r l oa u t o m a t i cm o d e l i n gs y s t e m ) 是针对m c n p 应用所 开发的辅助建模软件哺，。近年来，可视化建模环境类软件发展得比较成熟， 但模型格式转换工具类软件的发展相对滞后。只是在基于转换工具辅助软件 等方面取得了一定的进展，如德国k a r l s r u h e 研究中心反应堆安全研究所完 成了理论研究。我国深入研究了转换工具中的相关技术，并在研究工作的基 础上开发了此软件。m c a m 己经在德国f z k 、日本n t f s 、中国原予能院4 0 1 研 究所等多个国内外单位进行交流使用，取得了满意的效果。 m c a m 是一个专用辅助m c n p 建模软件，创建模型流程如图i - 4 所示。它 是f d s 团队历时七年开发的一套蒙特卡罗粒子输运计算自动建模程序，可实 现多种格式的c a d 工程模型与蒙特卡罗粒子输运计算模型之间的相互转换， 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 能够自动对c a d 工程模型进行精确的处理和分析。分析人员可以自由地使用 各种商用c a d 系统来建模，然后利用m c a m 快速完成频繁的“设计( c a d ) 一 转换( m c a m ) 一计算( 蒙特卡罗粒子输运计算程序) 一分析一再设计”的迭 代过程，从而提高模拟质量和设计效率，同时m c a m 还提供计算结果的可视化 和医学影像建模接口等扩展功能。系统的开发环境是 a c i s + v i s u a lc + + ， 整个体系以a c t s 为几何造型内核、使用v i s u a lc + + 开发系统框架，遵守“框 架一文档一视图”的模式。 m c a m 有三大功能：建模功能、建立m c n p 几何模型的功能和读入m c n p 几 何模型的功能，实现了系统独立建模、模型转换。 m c n p 输入文件f - , 建立 一叫 材料库 _ m c n p 模型 中性几何模型文件 l 几何 呻 几何 转换 ( 如s t e p ，i g e s ) p 模型 叫3 d 几何模型库 _ 模型 l s t e p l s t e p 2 图1 - 4m c a m 创建m c n p 几何模型 f i g 1 4 m c n pm o d e ic r e a t e dinm c a m 1 3利用c a d 软件进行m c n p 辅助建模的优势 作为在实际生产中广泛应用的造型软件，c a d 系列的三维建模软件无论 在操作友好性上，系统成熟度上，还是进一步进行二次开发都有自己得天独 厚的优势。另一方面m c n p 作为模拟离子运动方面应用最为广泛的软件，由于 其自身的原因，始终在建立几何模型的问题上无法解决，必须手动输入。这 样势必带来工作量大，无法进行检查等弊端。 那么将两者结合在一起，利用c a d 软件在建立几何模型方面的优势来进 行m c n p 模型输入，就显的很有前景。 1 4本文工作 本文致力于c a d 与m c n p 的格式转换问题，主要的研究内容包括 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 1 ) 深入了解现行的m c n p 辅助建模相关研究的现状； ( 2 ) 分析目前c a d 与m c n p 格式转换中存在的问题； ( 3 ) 深入了解u g 系统中文件格式，并进行文件格式分析，掌握p r t 格式文件的数据结构、3 d 造型引擎等； ( 4 ) 结合实体模型特征提取技术提出将模型分割成以逻辑运算符连 接，以易表示的凸体元为子节点的空间树。 ( 5 ) 深入了解u g o p e n a p i 在c 语言环境下的二次开发，并实现对 u g 模型拓扑信息和几何信息的查询； ( 6 ) 以壳为模型特征，对实体模型进行分割，建立模型空间树； ( 7 ) 研究空间树到i n p 格式转换算法并实现。 图卜5 就是我们整个工作的路线图 掣 模型预处 j j l 。 模型分割定义模型特征 u l 得到特征( 壳) 和实体模型之间的逻辑组成关系 儿 生成空间树 儿 m c n p 输入文件 图卜5工作流程图 f i g 1 5 w o r k in gf i o wc h ar t 1 5 本文的组织结构 第一章作为全文的绪论，介绍了本文的研究背景。对当前m c n p 辅助建模 的主流软件进行了详细的介绍，并讲述了利用c a d 软件进行m c n p 辅助建模的 优势。 第二章对本文所涉及的相关领域的理论和应用前景进行详细的叙述。包 括m c n p 系统；m c n p 几何模型输入文件的格式一栅元卡和几何卡；u g 系统以 及u g 实体模型的数据格式。 第三章讲述了实体模型特征提取的三个主流方法。并最终提出了本文在 进行u g 模型分割的拓扑特征壳，以及使用到的有效几何体，凸体元等定义。 第四章详细介绍了u g o p e n a p i 在c 语言环境下，进行u g 二次开发。并结 合第三章中的定义，提出u g 实体模型建立空间树的算法，对编制的程序进 行了介绍，并通过实例进行了验证。 第五章第五章详细介绍了建立u g 实体模型空间树的算法，以及空间树转 化为m c n p 几何模型的算法，从而实现了基于u g 系统m c n p 辅助建模。通过应 用最广泛的基本体素的实例进行验证。 第六章实例验证，证明本文算法以及系统的有效性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 相关理论 本章介绍了本问中涉及到的相关理论：m c n p 系统以及输入文件的格式 一栅元卡和曲面卡；实体模型存在的三种形式一b r e p 、c s g 和扫描表示； c a d 软件的发展现状，其中详细介绍了本文中用到的u g 系统，介绍了选择 u g 系统作为辅助建模工具的原因，详细分析了u g 系统下实体模型的数据结 构。 2 1m c n p 几何模型 m c n p 几何模型采用的是基于c s g 的半空间表示法，而绝大多数c a d 软件 ( 如a u t o c a d ，c a t i a ，u g ) 、几何造型引擎( 如a c i s ，o p e nc a s c a d e ，p a r a s o l i d ) 却采用b - r e p 表示法。因此，实现c a d 与m c n p 之间的数据转换，必须分析 c a d 和m c n p 这两种应用不同表示方法的模型，由此可知实现b r e p 表示到c s g 表示的转换是问题的关键所在。 2 1 1m o n p 系统 m c n p 是m o n t ec a r l on p a r t i c l e 的缩写，是基于蒙特卡洛方法原理的 通用中性粒子输运程序。m o n t ec a r l o 方法是在诺斯阿拉莫斯实验室总结其 二战期间工作( 曼哈顿计划) 的基础上提出来的。m o n t ec a r l o 的发明，主 要归功于e n r i c of e r m i 、v o nn e u m a n n 等，他们发展了一些计算程序，这些 程序被认为是m c n p 的前身。m c n p 是一个通用的、连续能量的、任意几何的、 与时间无关的m o n t ec a r l o 粒子输运程序，可用于中子、光子、电子，或耦 合中子光子电子输运。也可以计算临界系统( 包括次临界及超临界) 的本 征值，同时还可以处理材料的任意三维构型，通用性很强阳1 。 自二战以来，该方法由于其在解决粒子输运问题上的优势而得到迅速发 展。并在核物理，辐射物理、数学、电子学等方面得到了广泛的应用。它的 基本思想是基于随机数选择的统计抽样，这和赌博中掷色子类似，所以命名 为m o n t ec a r l o 。蒙特卡罗方法是从母体中抽取一些个体进行模拟，然后利 用个体的特征来对母体的特征进行推断。运用蒙特卡洛程序解决辐射屏蔽问 题、辐射传播、多次散射、通量衰减等一般粒子运输问题。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2m c n p 输入模型 m c n p 的输入文件的结构复杂。在运行之前，根据实际要解决的问题建立 输入文件，该文件格式要求非常严格，包括区域( c e l l ) 定义块、面( s u r f a c e ) 定义块、物质定义块、粒子源定义块和输出t a l l y 块。输入文件中描述三维 空间的部分被称为m c n p 几何模型。实践表明，不借助任何工具准备m c n p 输 入文件不仅繁琐而且易出错，几何模型部分的问题尤其突出。 由于本文关注的重点在c a d 系统的模型( b r e p 格式) 和m c n p 输入格式( i n p 卡) ，所以我们着重关注模型的几何信息在输入m c n p 系统的形式一一栅元卡 和几何卡c ，。 2 。1 2 1栅元卡 m c n p 输入文件中栅元卡格式： j md g e o mp a r a m s 或jl i k enb u t l is t 其中j ：栅元序号，1 j 9 9 9 9 9 。 m ：m = o如果是真空栅元 m = 材料号，如果栅元不是外真空。这表明栅元包含m m 卡上指定的 材料m 。 d ：栅元材料的密度。填入正值时，表示是原子密度( 1 0 2 4 个原子c m 3 ) ， 填入负值，则是质量密度( g c m 3 ) 。 g e o m ：栅元的几何说明。它列出界定该几何块的所有曲面号，以及描述 这些曲面所定义的区域之间关系的布尔算符。 p a r a m s ：任选的栅元参数说明，其形式为关键词= 某个值。 n ：其他栅元名 l i s t ：栅元n 与栅元j 不同属性的定义，其形式为关键词= 指定值。 在几何说明中，曲面号的正负号表示指定点在曲面旁边的那一个区域内。 对于确定点前所加的正负号是可选的。布尔算符包括交( i n t e r s e c t i o n ) ，联 ( u n i n ) ，及余( c o m p l e m e n t ) 。交运算符是隐式的，用一个空格表示；联用： 号表示；余用# 号表示。使用括号可控制布尔运算的次序，即先括号内的运算。 括号、算符都起到分界符的作用，有它们的地方，不用再加空格。缺省的运 算顺序是先# ，其次是交，最后是联。一个余运算操作符后的不带括号的数字 被认为是栅元号，并且认为是栅元号指定几何的缩写。 例子：30 124$ 定义栅元3 # 3$ 等价于下一行 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 # ( 一l24 ) 对一个简单栅元( 没有并或余算符) 的描述用空格来分隔列出的界定曲 面和模糊曲面( 用来使得几何定义更明确) ，这些模糊曲面和栅元曲面的正负 号又由有栅元相对于这些曲面的坐向决定。 2 1 2 2曲面卡 格式：j na1 is t j ：j 为曲面号，1 j 9 9 9 9 9 ，如果这个曲面是反射面，在这个曲面号 前面加一个木号或加一个+ 号的白边界。 n ：n 为缺省或零，表示没有坐标变换。 n 0 特定t r n 卡的卡号。 n 0 说明曲面j 是曲面n 的周期变化。 a ：方程助记名( 见表3 1 ) l i s t ：按照规定次序给出方程描述的数据项( 1 1 0 项) 。 表2 - 1 给出了曲面的类型，方程，方程的助记名及卡片上数据项的顺序。 用这种方法描述一个曲面，首先要从表1 中找出所需要的曲面，然后根据其 方程的特定形式算出所需的系数( 需要时可查阅解析几何书) ，在一定条件下， 一个曲面也可由指定的几何点定义，按照一定的的书写格式将它们依序写在 一张曲面卡上阳，。 如果一个曲面在点( x ，y ，z ) 的计算值是正的，则称这个点对于这个曲面具 有正的坐向；一个曲面的表达式是表3 1 中曲面方程的左边。对于球、柱、 锥及环的正的坐向是这些曲面的外边，对于垂直x 、y 、z 轴的平面p x ，p y ， p z 正的坐向分别是x 、y 或z 值大于相应平面截距的那些点，对p 、s q 及g q 曲面，用户提供这个表达式的全部系数，于是用户就能够随意确定这个曲面 的坐向，这与其它情况不同，其它情况的坐向即使具有任意性，但是由表达 式的形式唯一确定。因此，在曲面变换时，p x ，p y ，或p z 曲面可能必须由p 曲面代替以防止这个曲面的坐向相反。 表2 - im c n p 曲面卡 t a b 2 - 1 m c n ps u r f a c ec a r d s m n e m o a i c t y p ed c s 盯i p d o ne q u a t i q n c a r de n t r i e s p p l e u e g 髓矗l a 盂8 c ；一d ；0 强c d p x i x 锯m dt ox - a m 0 0 一口；0 口 时x 口r m dt 口y 两8 y - - d ；0 d p zn 睚m a l t o z 嘲5 7 一d = 0 d 5 0 s p le r 口c c n c r e d 曩0 啦陋 扩十圹+ ：2 一舻= 0 尼 sg a o e i a l ( 毒一牙) 3 十臼一驴) 2 十如一力2 一舻= 0 孑雾孑霞 s xc e n t e r e d x - e x i e ( 置一i ) 2 y 2 + ；：一冗2 = 0 孟冠 s yo m t c f e d0 1 1 a 如 f 2 十妇一f 2 + 一舻= 0爹冠 s zc c n t c t c do nz 啦i 5 f 2 十y 2 + “一力2 一冗2 = o ；冗 c x e y l ia d c z p = = l l c lt px - a 近 细一事) 2 + 0 一刁2 一露2 = o 哥彳冗 c 心 f = a j l c lt oy - o m s 忙 ) 2 + 0 一匀2 一冠2 = o 善；冠 c l z p a r a l l e lt oz - a x i s 哆一王) 2 十( y 一功2 一五2 = 0 z 罗冠 c xo n x - 凼 圹十垆咒：= o 屈 c yo n y - m mf 2 + ；2 冠2 = 0冗 铭 o nz 曲 零2 十沪一舻= 0 冠 k x p a r a l l e lt ox - 观s ( f 一口) 2 + p ：) o t 忙一牙) ；0 孟厅孑f 2 l k y p 盯a l k it oy 铂矗 、，f 一动2 一l ；一； 2 一 ( y 一哥) = 0嚣妒孑f 2 l k z p 甜o l l c l 细五瞵b 识。一动2 ，悖一勋2 一l p 一砷= 0王妒暑1 2 土l k xo n x r 妇 扩+ ：2 一“f 一毒) = 0 孟1 2 工 i 盯o n y 豁西谁币z 一心一争) = 0 f 1 2 士l k zo nz a x i 0 、z 2 + y 2 一1 0 一力= 0 耋f 2 l lu ，“口n ：了 l 口fls h e e tc 口n o s qe l l i p e o i da x 曙p u c d l c l 协 a 睁一暑) 2 十d ( v 一卵2 e ( ；一2 abcd e h t p c z b o l o i dx ，y - lo i 玉缸5- i - 2 d ( x 一印十2 咖一9 )f g t 日i p 瓤a b o l o i d十2 f 旺一：) + g = 0 g qc y l m d r r a 蕊曙n o tp 越a l l c l a f 2 十d y 2 十c t ；2 十d 嚣y 十五秽 abcd e ( ：o n eo x ，y o r 不 + f z r 十g 嚣十i t y + ，o 十k = ofg h3k e u 匆e 口l d 蕊 h y p 口z b o l o i d p 甜魏b o l o i d t x e l h p t k = l 簿 蓄一i ) 2 b 2 十( q ( v 一计2 十( ；一j ) 2 一a ) 2 c ：一l = 0 孑雾：a b c c i r e 妇“珊 t ya 如西 哆一彩2 口2 十( 、( 玉一盂) 。十0 一毒) ? 一a ) 3 e 2 一l = 0 t 零；a b c p a r a l l e lt o t zx - y - 钟z a 函j 0 一： 2 e 2 十( 【嚣一i ) 2 十f y 一功2 一五) 2 u 2 一i = o ii ：ab 0 x yz ps 戳f 骼d e f i n e db yp o m t e s 嚣p a s t s3 一1 6a n d $ - 1 8 2 2c a d 系统几何造型技术 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 简称c a d 。是使用计算机技术 把人和计算机的特性结合在一起，来进行产品研发、制造的一种技术。它包 含了工业产品研发、生产的整个过程，包括方案设计、初步设计、详细设计 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 等，到最后成品的制造、安装、调试等。 在制作m c n p 输入文件的过程中引入c a d 技术有重要价值，尤其是在建立 m c n p 几何模型的过程中。几何造型技术是研究如何在计算机中表示物体形状 的技术，故它对实现c a d 与m c n p 的转换有重要意义。 2 2 1实体模型的存在方式 对于实体模型，有很多方式进行表达，但它们基本上可以被分为实体几 何构造法、边界表示法以及扫描表示法三大类。 2 2 1 1实体几何构造法( c s g ) c s g 法是一种用简单体素拼合而成物体的方法，它是目前最常见、最重要 的模型表示方法之一。下边我们就c s g 表示方法中两个最重要的部分一一c s g 树和c s g 体素n “m 2 ，进行论述。 ( 1 ) c s g 树 用c s g 法表示一个物体可以