CAD系统中的极小曲面及其优化方法的研究

论文摘要

极小曲面问题的研究是微分几何领域巾最活跃的分支之一。由于极小曲面在工程领域有着广泛应用,因此将极小曲面引入CAGD（计算机辅助几何设计）领域具有重要意义。本文围绕着CAGD中的极小曲面造型这一主题,就以下几个方面给出了研究成果:（1）极小曲面的控制网格表示与构造控制网格是CAD系统中进行交互设计的重要工具。首先构造了空间{sint,cost,sinht,cosht,1,t,t2,…,tn}中的拟非均匀B样条基及相应的曲线曲面模型。由于节点情况比较复杂,我们利用行列式巧妙地把所有的节点情况统一到一个表达式之中。接着,基于该空间中的混合曲线曲面模型,给出了广义螺旋面的控制网格的几何构造方法。最后,利用混合曲线曲面模型给出了平面曲率线极小曲面的控制网格表示。这些结果为将这些极小曲面模型引入CAGD造型系统提供了一个有力工具,从而可以利用细分算法生成这些极小曲面,并在CAGD系统中与其他的曲而统一处理。（2）高次参数多项式极小曲面的挖掘与性质参数多项式形式是CAD系统中曲线曲面的标准形式。根据微分几何中的一个经典结论,给出了五次和六次调和参数多项式曲面为极小曲面的充分条件。基于这些条件,构造出了几类新的极小曲面,并深入研究了它们所具有的几何性质,如对称性、自交性、包含直线等。我们还进一步发现了两类新的共轭极小曲面,并实现了共轭极小曲面之间的动态变形。这些新的极小曲面不仅丰富了极小曲面的种类,而且可直接为当前的CAD系统所采用;最后,提出了关于任意次参数多项式极小曲面的存在性及其性质的三个猜想。（3）基于线性PDE的极小曲面逼近造型基于调和曲面与极小曲面的密切关系,首先利用方向导数研究了三角域上的调和B-B曲面的性质,给出了三角域上的B-B曲面为调和曲面的充要条件,并且证明了任何一个三角域上的B-B曲面调和面的控制网格均由它的第一层和第二层控制顶点完全决定。接着,研究了一类更广泛的负高斯曲率曲面的构造方法,得到了与调和曲面情形相类似的结果。最后,为了实现PDE曲面造型技术与CAD造型系统的数据交换,基于约束优化的思想,给出了PDE曲面的Bézier曲面逼近算法,并利用张量积Bézier曲面的细分性质对该算法进行了优化。（4）基于平均曲率平方能量的Plateau-Bézier问题求解Plateau-Bézier问题是Plateau问题在Bézier曲面形式下的推广,它以内部控制顶点为求解目标。我们从平均曲率为零出发,基于平均曲率平方能量来解决Plateau-Bézier问题。主要研究了矩形域上的张量积Bézier曲面和三角域上的B-B曲面两种情形,分别给出了其内部控制顶点所要满足的充要条件,并与基于Dirichlet能量的方法进行了比较,发现两者各有千秋。可以证明,若在给定的边界条件下,其所对应的极小曲面为等温参数多项式极小曲面,则按照本文方法所得到的Bézier曲面便是该等温参数多项式极小曲面。（5）极小曲面造型中的边界优化问题如何选择边界曲线以满足造型要求,是极小曲面造型中的一个重要问题。首先基于拉伸能量、弯曲能量和jerk能量,研究如下问题:给定部分控制顶点,如何构造其余的控制顶点使得所产生的Bézier曲线具有极小能量。推导出了待定控制顶点所要满足的充要条件。通过曲率图和曲率梳,对三种能量极小Bézier曲线进行了比较,并发现了四次能量最小Bézier曲线的共线性质。最后,对三次均匀B样条曲线进行了两个方面的扩展:首先,构造出了五次和六次调配函数,并以它们为基础定义了两种带形状参数的样条曲线,提高了曲线与其控制多边形的逼近程度;其次,构造出了两类三次和四次调配函数,并以此为基础定义了两类带局部形状参数的样条曲线,其优点是在保持曲线连续性不变的同时可以通过改变局部形状参数的取值对曲线进行局部调整。（6）极小曲面在建筑设计中的应用建筑设计是极小曲面的应用大户。首先基于曲面裁剪技术,讨论了本文所提出的几类新的极小曲面和三角域上的调和B-B曲面在张拉膜结构设计中的应用;最后,提出了旋转圆锥网格的概念,给出了它们的简单构造方法,并将其用于玻璃/钢结构设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 计算机辅助几何设计中的曲面造型技术
• 1.1.1 参数曲面造型技术
• 1.1.2 隐式曲面造型技术
• 1.1.3 细分曲面造型技术
• 1.1.4 变形曲面造型技术
• 1.1.5 基于偏微分方程的曲面造型技术
• 1.1.6 其他曲面造型技术
• 1.2 微分几何中的极小曲面研究
• 1.3 极小曲面的应用背景
• 1.4 计算机辅助几何设计中的极小曲面造型技术
• 1.4.1 极小曲面的精确造型方法
• 1.4.2 极小曲面的逼近造型方法
• 1.5 本文主要研究工作
• 第二章 极小曲面的控制网格表示与构造
• 2.1 引言
• 2.2 NUAHT B样条曲线曲面
• 2.2.1 NUAHT B样条基的构造与性质
• 2.2.2 NUAHT B样条曲线
• 2.2.3 NUAHT B样条张量积曲面
• 2.3 广义螺旋面的控制网格表示与几何构造
• 2.3.1 广义螺旋面的拟Bézier控制网格表示
• 2.3.2 广义螺旋面控制网格的几何构造
• 2.3.3 正螺面与悬链面之间的动态变形
• 2.4 平面曲率线极小曲面的控制网格表示
• 2.4.1 三次拟Bézier控制网格表示
• 2.4.2 三次拟B样条控制网格表示
• 2.4.3 悬链面到Enneper曲面的动态变形
• 2.5 小结
• 第三章 高次参数多项式极小曲面的挖掘及性质
• 3.1 引言
• 3.2 预备知识
• 3.3 五次等温参数多项式极小曲面及其性质
• 3.3.1 充分条件
• 3.3.2 两类新的极小曲面及其性质
• 3.4 六次等温参数多项式极小曲面及其性质
• 3.4.1 充分条件
• 3.4.2 两类新的极小曲面及其性质
• 3.5 结论与猜想
• 第四章 基于线性PDE的极小曲面逼近造型
• 4.1 引言
• 4.2 三角域上的调和B-B曲面
• 4.2.1 三角域上的调和B-B曲面的性质及构造
• 4.2.2 一些推广
• 4.3 PDE曲面的Bézier逼近
• 4.3.1 PDE曲面的Bézier逼近算法
• 4.3.2 优化算法
• 4.3.3 实例误差分析
• 4.4 小结
• 第五章 基于平均曲率平方能量的Plateau-Bézier问题求解
• 5.1 引言
• 5.2 具有极小平均曲率平方能量的张量积Bézier曲面
• 5.2.1 充要条件
• 5.2.2 例子与比较
• 5.3 具有极小平均曲率平方能量的三角域上的B-B曲面
• 5.3.1 充要条件
• 5.3.2 例子与比较
• 5.4 小结
• 第六章 极小曲面造型中的边界优化问题
• 6.1 引言
• 6.2 能量极小Bézier曲线的构造
• 6.2.1 曲线的能量函数
• 6.2.2 三类能量极小Bézier曲线的几何构造
• 6.3 基于高次调配函数的三次均匀B样条曲线的扩展
• 6.3.1 调配函数的构造与性质
• 6.3.2 曲线的构造与性质
• 6.4 带局部形状参数的三次均匀B样条曲线的扩展
• 6.4.1 调配函数的构造与性质
• 6.4.2 曲线的构造与性质
• i的几何意义'>6.4.3 形状参数λ_i的几何意义
• 6.4.4 曲线造型及插值中的应用
• 6.5 小结
• 第七章 极小曲面在建筑设计中的应用
• 7.1 引言
• 7.2 极小曲面在膜结构设计中的应用
• 7.2.1 新极小曲面在膜结构设计中的应用
• 7.2.2 三角域上的调和B-B曲面在膜结构中的应用
• 7.3 旋转圆锥网格及其在玻璃结构与钢结构中的应用
• 7.3.1 旋转圆锥网格及其构造
• 7.3.2 实例与应用
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 今后研究工作展望
• 参考文献
• 作者简历与攻读学位期间发表录用的论文
• 致谢