Modeling and Characterization of Adaptive Lanthanum-Modified Lead Zirconate Titanate (PLZT) Microlenses

We report the modeling and characterization of adaptive voltage controlled electro-optic microlenses. First, we utilize finite element analysis (FEA) to simulate the induced electro-optic effect in lanthanum-modified lead zirconate titanate (PLZT). FEA simulation provides microlens parameters such as phase and focal length. A simple z-scan method is developed to fully characterize the adaptive voltage controlled linear lens. Experimental z-scan results are shown to match the theoretical predictions from FEA

Meshing Volumes with Curved Boundaries

International audienceThis paper introduces a three-dimensional mesh generation al- gorithm for domains whose boundaries are curved surfaces, possibly with sharp features. The algorithm combines a Delaunay-based surface mesher with a Ruppert-like volume mesher, resulting in a greedy scheme to sample the interior and the boundary of the domain simultaneously. The algorithm constructs provably-good meshes, it gives control on the size of the mesh elements through a user-defined sizing field, and it guarantees the accuracy of the approximation of the domain boundary. A notable feature is that the domain boundary has to be known only through an oracle that can tell whether a given point lies inside the object and whether a given line seg- ment intersects the boundary. This makes the algorithm generic enough to be applied to domains with a wide variety of boundary types, such as im- plicit surfaces, polyhedra, level-sets in 3D gray-scaled images, or point-set surfaces

Representação, visualização e manipulação de dados médicos tridimensionais: um estudo sobre as bases da simulação cirúrgica imersiva

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação.Dados tridimensionais referentes a pacientes são utilizados em diversos setores médico-hospitalares, fornecendo embasamento à diagnósticos e orientação durante procedimentos cirúrgicos. No entanto, apesar de bastante úteis estes dados são bastante inflexíveis, não permitindo que o usuário interaja com estes ou os manipule. O emprego de técnicas de computação gráfica e realidade virtual para a representação destes dados sanaria estas dificuldades, gerando representações indivíduais e adaptadas para cada paciente e permitindo a realização de planejamentos cirúrgicos e cirurgias auxiliadas por computador, dentre outras possibilidades. A representação destes dados e as formas de manipulação devem conter um conjunto de elementos e obedecer alguns requisitos para que se obtenha realismo nas aplicações, caso contrário, o emprego destas técnicas não traria grandes vantagens. Analisando os elementos e requisitos a serem obedecidos, é construído um grafo de dependências que mostra as técnicas e estruturas computacionais necessárias para a obtenção de ambientes virtuais imersivos realistas. Tal grafo demonstra as estruturas de dados para representação de sólidos como peça chave para este tipo de aplicativos. Para suprir as necessidades destes, é apresentada uma estrutura de dado capaz de representar uma vasta classe de topologias espaciais, além de permitir rápido acesso a elementos e suas vizinhanças, bem como métodos para a construção de tal estrutura. É apresentada, também, uma aplicação para mensuração de artérias utilizando a estrutura e os métodos previamente mencionados e os resultados por obtidos por estes

Procedurally generated models for Isogeometric Analysis

Increasingly powerful hard- and software allows for the numerical simulation of complex physical phenomena with high levels of detail. In light of this development the definition of numerical models for the Finite Element Method (FEM) has become the bottleneck in the simulation process. Characteristic features of the model generation are large manual efforts and a de-coupling of geometric and numerical model. In the highly probable case of design revisions all steps of model preprocessing and mesh generation have to be repeated. This includes the idealization and approximation of a geometric model as well as the definition of boundary conditions and model parameters. Design variants leading to more resource-efficient structures might hence be disregarded due to limited budgets and constrained time frames. A potential solution to above problem is given with the concept of Isogeometric Analysis (IGA). Core idea of this method is to directly employ a geometric model for numerical simulations, which allows to circumvent model transformations and the accompanying data losses. Basis for this method are geometric models described in terms of Non-uniform rational B-Splines (NURBS). This class of piecewise continuous rational polynomial functions is ubiquitous in computer graphics and Computer-Aided Design (CAD). It allows the description of a wide range of geometries using a compact mathematical representation. The shape of an object thereby results from the interpolation of a set of control points by means of the NURBS functions, allowing efficient representations for curves, surfaces and solid bodies alike. Existing software applications, however, only support the modeling and manipulation of the former two. The description of three-dimensional solid bodies consequently requires significant manual effort, thus essentially forbidding the setup of complex models. This thesis proposes a procedural approach for the generation of volumetric NURBS models. That is, a model is not described in terms of its data structures but as a sequence of modeling operations applied to a simple initial shape. In a sense this describes the "evolution" of the geometric model under the sequence of operations. In order to adapt this concept to NURBS geometries, only a compact set of commands is necessary which, in turn, can be adapted from existing algorithms. A model then can be treated in terms of interpretable model parameters. This leads to an abstraction from its data structures and model variants can be set up by variation of the governing parameters. The proposed concept complements existing template modeling approaches: templates can not only be defined in terms of modeling commands but can also serve as input geometry for said operations. Such templates, arranged in a nested hierarchy, provide an elegant model representation. They offer adaptivity on each tier of the model hierarchy and allow to create complex models from only few model parameters. This is demonstrated for volumetric fluid domains used in the simulation of vertical-axis wind turbines. Starting from a template representation of airfoil cross-sections, the complete "negative space" around the rotor blades can be described by a small set of model parameters, and model variants can be set up in a fraction of a second. NURBS models offer a high geometric flexibility, allowing to represent a given shape in different ways. Different model instances can exhibit varying suitability for numerical analyses. For their assessment, Finite Element mesh quality metrics are regarded. The considered metrics are based on purely geometric criteria and allow to identify model degenerations commonly used to achieve certain geometric features. They can be used to decide upon model adaptions and provide a measure for their efficacy. Unfortunately, they do not reveal a relation between mesh distortion and ill-conditioning of the equation systems resulting from the numerical model

Détection, visualisation et communication de défauts dans les modèles géométriques et les maillages

Résumé Ce mémoire traite de problèmes rencontrés dans le cadre des premières étapes de la conception de pièces en lien avec la mécanique des fluides. En particulier, on s'attardera sur la méthodologie utilisée afin de détecter et communiquer des erreurs que peuvent rencontrer les concepteurs de pièces mécaniques, et en particulier de composantes de turbines hydroélectriques, lors du design préliminaire et des premières simulations numériques. En effet, lors des premières phases de design, il est souvent nécessaire d'obtenir un modèle mathématique complet de la pièce conçue afin de pouvoir évaluer son comportement final sans avoir à en réaliser un prototype. Ces modèles sont le plus souvent réalisés selon les normes de la représentation frontière (Boundary REPresentation, BREP) où les volumes ne sont définis que par les surfaces qui les délimitent. Cette méthode de modélisation, associée aux courbes paramétriques (en général de type Non Uniform Rational B-Spline (NURBS) ), permet de modéliser des géométries extrêmement complexes tout en utilisant des entités mathématiques (courbes, surfaces) assez simples. Cela permettra, par la suite, de réduire les temps de calcul nécessaires pour les simulations ou les rendus graphiques. Cette simplification des entités utilisées entraîne par contre des approximations, notamment au niveau des jonctions entre entités de même dimension (par exemple, deux surfaces jointives peuvent ne pas se suivre exactement le long de l'arête commune). Afin d'assurer l'étanchéité des volumes, différentes solutions sont utilisées. Celle qui a été choisie au sein de la série de logiciels basés sur la librairie Pirate est l'utilisation d'une topologie afin de spécifier quelles sont les entités coïncidentes. Mais ces solutions peuvent présenter des erreurs, par exemple si deux entités déclarées correspondantes sont en réalité géométriquement éloignées. Ces erreurs, si non corrigées, se retrouvent généralement dans les maillages générés à partir de ces modèles BREP, et donc ont une influence sur la qualité des simulations qui peuvent être effectuées ensuite. Le premier aspect de ce mémoire traite des moyens qui ont été mis en place au sein du logiciel TopoVisu afin de détecter et de visualiser les erreurs présentes au sein des modèles BREP et des maillages utilisés lors de l'étape de conception. Le second aspect de ce mémoire traite d'une des origines principales des erreurs citées précédemment : la conservation et le transfert des données. C'est à ce niveau que de nombreuses erreurs apparaissent. En effet, le passage d'un format de fichiers à un autre peut s'avérer extrêmement néfaste pour un modèle, et cela peut poser problème si on change d'application, mais aussi si on passe à une autre version d'une même application. La solution proposée ici est l'exportation native vers un format de données ayant un bon niveau de maintenance et d'utilisation qui permettra de favoriser sa pérennité. Le format qui a été choisi pour cette fonction est le Portable Document Format, avec inclusion de modèles en trois dimensions (PDF 3D). Les éléments 3D sont inclus dans le format Product Representation Compact (PRC), car ce format est compatible avec la norme ISO 10303 (Standard for the Exchange of Product model data, STEP) qui est au cœur de beaucoup de modélisations BREP, dont celle de la librairie Pirate.----------Abstract This master thesis addresses some of the problems encountered during the first design stages of engineered object related to fluid mechanics. More precisely, we will focus on the problems that can be encountered in the early modeling and simulations of hydroelectric turbines. During the first steps of design, a mathematical model of the engineered item is realized in order to evaluate its properties in simulations, and without building a prototype. The methodology used to build those models is generally based on the boundary representation (BREP) rules : Volumes are defined through the faces that delimit them; faces are defined through a geometric support (a surface) and through the edges that delimit them and so on. BREP models generally use parametric curves and surfaces (and Non Uniform Rational B-Spline (NURBS) in most cases). This type of models allows a great complexity in geometries while keeping reasonably simple mathematical entities, and thus reasonably low computing time in simulations or graphic rendering. But the simplification of models implied by BREP results in approximations, which lead to small gaps or overlaps near the border of the entities (e.g. between two faces of a shell). In order to solve those small errors, the Pirate library and its software suite use topology to identify which entities are connected. But this isn't sufficient, if two surfaces are declared connected, but are separated by a non negligible gap, errors can appear later in the design process, often with bad quality meshes and simulation results. The beginning of this master thesis will treat the methods used to find and highlight the errors in BREP models and meshes, and particularly how they have been implemented in TopoVisu. The second main aspect of this work is to treat the errors at their source. Most of the errors in BREP models and meshes are generated when data is transferred, either to another CAD application, or to a more recent version of the same software. The solution proposed in TopoVisu is to natively export data to a highly maintained, widespread file format, which has a good chance to stay viable in the future. The format we chose is the Portable Document Format (PDF) with 3D models included in Product Representation Compact (PRC) format. This choice is based upon the ISO-10303 standard (Standard for the Exchange of Product model data, STEP) compatibility of the PDF 3D format, this standard being at the heart of most CAD engines, including the Pirate library

Caractérisation sémantique des différences entre des modèles CAO par transposition des contraintes géométriques explicites

Représentée au sein des nombreux modèles, la définition géométrique d’un produit évolue continuellement par le travail de nombreux spécialistes qui en utilisent, analysent et modifient les informations, prennent des décisions et engagent des actions à partir de cellesci. Plusieurs fois durant le cycle de vie du produit, une évolution géométrique émanera de l’un de ses modèles dits experts et devra être propagée aux autres modèles afin de préserver la cohérence de la définition du produit, sans toutefois occasionner les mêmes modifications au sein de chacun d’eux. Une transposition efficace du changement entre deux modèles experts distincts repose donc sur une représentation et une interprétation du delta géométrique adaptées au point de vue sur le produit incarné par le modèle expert auquel le changement est propagé. En considérant la définition géométrique du produit comme l’élément commun de cette fédération de modèles experts, ainsi que la dispersion – par opposition à l’intégration – de ces modèles à travers l’entreprise étendue, cette thèse par articles adopte l’avenue de la comparaison géométrique comme solution à la problématique de la transposition du changement. L’objectif est de développer une approche de comparaison permettant la caractérisation des différences géométriques repérées entre deux modèles d’un composant mécanique par l’entremise d’une sémantique favorisant l’interprétation et l’assimilation du delta géométrique du point de vue particulier d’une discipline. Des considérations particulières sont accordées à la précision du calcul des différences géométriques, à l’intelligibilité de la représentation de ces différences pour des ingénieurs mécaniciens et à la fonctionnalité de la représentation dans une optique de gestion du cycle de vie du produit. L’état de l’art en comparaison des modèles CAO 3D, selon les perspectives des scénarios d’application, des méthodes de calcul des différences et des outils logiciels existants, a mené aux constats que les applications de la comparaison sont nombreuses et que la transposition du changement se classe parmi celles nécessitant l’identification des différences entre modèles. Ces constats ont été confirmés par des essais logiciels qui ont démontré qu’aucune solution d’identification des différences ne peut être exploitée sans égard aux particularités du scénario à résoudre, en plus de mettre en évidence les carences des solutions existantes en termes de représentation des différences. Un cadre pour la formalisation et la caractérisation des scénarios de comparaison dans le but de mieux les maitriser et les outiller est d’ailleurs proposé. L’approche de comparaison des modèles CAO 3D présentée exploite les contraintes géométriques explicites, détaillant la géométrie originale selon un niveau d’abstraction familier pour un ingénieur et selon le point de vue particulier de sa discipline, afin de caractériser le delta géométrique qui distingue la géométrie évoluée de l’originale. Cette approche combine la mise en correspondance des éléments topologiques entre les représentations B-Rep originale et modifiée, la transposition du schéma de contraintes géométriques de la géométrie originale vers la géométrie modifiée et la représentation, au sein d’un nouveau modèle inspiré du génie logiciel, de ces associations et des différences qui peuvent en être déduites. Ainsi, il devient possible d’exprimer le delta géométrique caractérisant l’évolution en termes de variations de contraintes dimensionnelles originales et/ou de l’abandon de certaines contraintes géométriques

Efficient Adaptive Meshing of Parametric Models

Parametric modeling is becoming the representation of choice for most modern solid modelers. However, when generating the finite-element mesh of the model for simulation and analysis, most meshing tools ignore the parametric information and use only the boundary representation of the model for meshing. This results in remeshing the model basically from scratch each time a parametric change is instantiated, which happens numerous times throughout the design process