Este trabalho apresenta um conjunto de técnicas para a modelagem paramétrica e geração de malhas de superfícies para uso em sistemas de análise e simulações numéricas pelo Método dos Elementos Finitos. Foram desenvolvidos algoritmos para a geração paramétrica de superfícies, para a determinação das curvas de interseções entre superfícies e para a geração de malhas em superfícies curvas e recortadas. Foram implementas linhas e curvas paramétricas básicas, a partir das quais são geradas superfícies paramétricas de vários tipos que proporcionam uma grande flexibilidade de modelamento geométrico. Curvas e superfícies são geradas e manipuladas de forma interativa. São apresentadas técnicas que simplificam a implementação de linhas e superfícies paramétricas. Foi desenvolvido um algoritmo para determinar as curvas de interseção entre superfícies paramétricas, que são utilizadas como linhas de recorte (trimming lines) para obter geometrias complexas e compostas de várias superfícies. O algoritmo desenvolvido emprega técnicas de subdivisão adaptativa, por quadtrees, em função da curvatura local das superfícies. Primeiramente, obtém-se uma aproximação das curvas de interseção no espaço 3D, através da aproximação por triângulos. Os resultados iniciais são refinados e projetados sobre as duas superfícies envolvidas com algoritmos que permitem obter grande precisão. As curvas de interseção finais são mapeadas nos espaços paramétricos das duas superfícies, porém com uma parametrização única, o que facilita a junção com superfícies adjacentes Um algoritmo de geração de malha foi desenvolvido para gerar malhas triangulares de qualidade sobre as superfícies curvas e recortadas. O algoritmo utiliza um processo de subdivisão adaptativa por quadtrees, similar ao utilizado no algoritmo de interseção, para definir tamanhos de elementos em função da curvatura local. Em seguida, aplica-se um algoritmo tipo advancing front para gerar a malha sobre a superfície. Os algoritmos foram implementados e testados em um ambiente gráfico interativo especialmente desenvolvido para este trabalho. São apresentados vários exemplos que comprovam a eficiência das técnicas e algoritmos propostos, incluindo exemplos de matrizes de conformação mecânica para uso com código de análise METAFOR, análise de sensibilidade para otimização de pré-formas e de modelagem de superfícies compostas recortadas com geração de malhas de qualidade, para uso em análise por Elementos Finitos ou como contorno para geração de elementos tridimensionais.

Este trabalho apresenta um conjunto de técnicas para a modelagem paramétrica e geração de malhas de superfícies para uso em sistemas de análise e simulações numéricas pelo Método dos Elementos Finitos. Foram desenvolvidos algoritmos para a geração paramétrica de superfícies, para a determinação das curvas de interseções entre superfícies e para a geração de malhas em superfícies curvas e recortadas. Foram implementas linhas e curvas paramétricas básicas, a partir das quais são geradas superfícies paramétricas de vários tipos que proporcionam uma grande flexibilidade de modelamento geométrico. Curvas e superfícies são geradas e manipuladas de forma interativa. São apresentadas técnicas que simplificam a implementação de linhas e superfícies paramétricas. Foi desenvolvido um algoritmo para determinar as curvas de interseção entre superfícies paramétricas, que são utilizadas como linhas de recorte (trimming lines) para obter geometrias complexas e compostas de várias superfícies. O algoritmo desenvolvido emprega técnicas de subdivisão adaptativa, por quadtrees, em função da curvatura local das superfícies. Primeiramente, obtém-se uma aproximação das curvas de interseção no espaço 3D, através da aproximação por triângulos. Os resultados iniciais são refinados e projetados sobre as duas superfícies envolvidas com algoritmos que permitem obter grande precisão. As curvas de interseção finais são mapeadas nos espaços paramétricos das duas superfícies, porém com uma parametrização única, o que facilita a junção com superfícies adjacentes Um algoritmo de geração de malha foi desenvolvido para gerar malhas triangulares de qualidade sobre as superfícies curvas e recortadas. O algoritmo utiliza um processo de subdivisão adaptativa por quadtrees, similar ao utilizado no algoritmo de interseção, para definir tamanhos de elementos em função da curvatura local. Em seguida, aplica-se um algoritmo tipo advancing front para gerar a malha sobre a superfície. Os algoritmos foram implementados e testados em um ambiente gráfico interativo especialmente desenvolvido para este trabalho. São apresentados vários exemplos que comprovam a eficiência das técnicas e algoritmos propostos, incluindo exemplos de matrizes de conformação mecânica para uso com código de análise METAFOR, análise de sensibilidade para otimização de pré-formas e de modelagem de superfícies compostas recortadas com geração de malhas de qualidade, para uso em análise por Elementos Finitos ou como contorno para geração de elementos tridimensionais.

Este trabalho apresenta um conjunto de técnicas para a modelagem paramétrica e geração de malhas de superfícies para uso em sistemas de análise e simulações numéricas pelo Método dos Elementos Finitos. Foram desenvolvidos algoritmos para a geração paramétrica de superfícies, para a determinação das curvas de interseções entre superfícies e para a geração de malhas em superfícies curvas e recortadas. Foram implementas linhas e curvas paramétricas básicas, a partir das quais são geradas superfícies paramétricas de vários tipos que proporcionam uma grande flexibilidade de modelamento geométrico. Curvas e superfícies são geradas e manipuladas de forma interativa. São apresentadas técnicas que simplificam a implementação de linhas e superfícies paramétricas. Foi desenvolvido um algoritmo para determinar as curvas de interseção entre superfícies paramétricas, que são utilizadas como linhas de recorte (trimming lines) para obter geometrias complexas e compostas de várias superfícies. O algoritmo desenvolvido emprega técnicas de subdivisão adaptativa, por quadtrees, em função da curvatura local das superfícies. Primeiramente, obtém-se uma aproximação das curvas de interseção no espaço 3D, através da aproximação por triângulos. Os resultados iniciais são refinados e projetados sobre as duas superfícies envolvidas com algoritmos que permitem obter grande precisão. As curvas de interseção finais são mapeadas nos espaços paramétricos das duas superfícies, porém com uma parametrização única, o que facilita a junção com superfícies adjacentes Um algoritmo de geração de malha foi desenvolvido para gerar malhas triangulares de qualidade sobre as superfícies curvas e recortadas. O algoritmo utiliza um processo de subdivisão adaptativa por quadtrees, similar ao utilizado no algoritmo de interseção, para definir tamanhos de elementos em função da curvatura local. Em seguida, aplica-se um algoritmo tipo advancing front para gerar a malha sobre a superfície. Os algoritmos foram implementados e testados em um ambiente gráfico interativo especialmente desenvolvido para este trabalho. São apresentados vários exemplos que comprovam a eficiência das técnicas e algoritmos propostos, incluindo exemplos de matrizes de conformação mecânica para uso com código de análise METAFOR, análise de sensibilidade para otimização de pré-formas e de modelagem de superfícies compostas recortadas com geração de malhas de qualidade, para uso em análise por Elementos Finitos ou como contorno para geração de elementos tridimensionais.

Técnicas para geração de malhas volumétricas não estruturadas podem ser divididas em três categorias principais: técnicas baseadas em Octree, técnica de avanço de fronteira e técnicas Delaunay. Este trabalho faz uso de uma proposta para geração de malhas volumétricas não estruturadas baseada em uma técnica que utiliza uma triangulação adaptativa que contém similaridades com os métodos de geração de malhas baseados em Octree. Esta triangulação, além de decompor o domínio, oferece suporte para a construção de funções implícitas que aproximam a superfície do objeto de interesse. As funções implícitas são obtidas a partir de nuvens de pontos pelo método de Partição da Unidade Implícita - PUI. Um processo de poligonalização discretiza a isosuperfície fornecida pela função implícita gerando uma malha de triângulos superficial. Uma malha volumétrica é gerada a partir da malha superficial utilizando os tetraedros que decompõem o domínio criados pela triangulação. Apresentamos nesta tese um método original para a poligonalização de isosuperfícies obtidas através de nuvens de pontos. Apresentamos também uma abordagem para o melhoramento de malhas volumétricas baseadas na aplicação do conceito de molas virtuais. O foco principal é gerar malhas de qualidade para serem usadas em simulações de fluidos em artérias do corpo humano / Techniques for generation of three-dimensional unstructured meshes can be divided into three main categories: Octree-based techniques, advancing front techniques and Delaunay techniques. In the present study it is used a three-dimensional unstructured mesh generation approach based on a technique which uses an adaptive triangulation which contains similarities with Octree-based mesh generation techniques. This triangulation decomposes the domain and supports the construction of implicit functions that approximates the surface of an object of interest. The implicit functions are derived from point clouds by the Partition of Unity Implicits - PUI method. A polygonization process discretizes the isosurface provided by the implicit function generating a triangular mesh surface. A three-dimensional mesh is generated from the surface mesh using the tetrahedra that decomposes the domain created by the triangulation. In this tesis, we present an original polygonization method of isosurfaces obtained from point clouds. We also present an approach to improve tetrahedral meshes based on the application of the concept of virtual springs. The main focus is to generate quality meshes for fluid flow simulations in human arteries

Neste trabalho desenvolvemos um algoritmo para a geração de malhas quadtree com o objetivo de utilizá-las na simulação de escoamento de fluidos, onde muitas vezes faz-se necessário o uso de malhas finas. A idéia central da geração das malhas quadtree está baseada na estrutura de árvore quaternária em que cada nodo possui quatro filhos. Assim uma estrutura de árvore está associada a uma malha que pode ter espaçamento uniforme ou refinamento em regiões específicas. Para evitar problemas de discretização, uma malha quadtree deve satisfazer um critério chamado de balanceamento e este é tratado de forma detalhada no desenvolvimento do trabalho. Podemos destacar também outro ponto importantíssimo na implementação de malhas quadtree, que é a busca de vizinhos dos nodos. Além disso apresentamos a discretização dos operadores em diferenças finitas, que é feita a partir do conhecimento dos vizinhos dos quadrantes da malha e de técnicas de interpolação. A ordem do método é verificada a partir de testes com a equação do calor, tanto para malhas uniformes quanto para malhas com níveis de refinamento diferenciados e concluímos, assim, que o método desenvolvido e apresentado é satisfatório. / In this work we developed an algorithm to generate meshes quadtree in order to use them to simulate uid ow, which often makes it necessary to use ne meshes. The central idea of the generation of quadtree meshes is based on the quaternary structure of the tree, where each node has four children, and thus a tree structure is associated with a mesh that can be evenly or locally re ned. To avoid problems of discretization, a quadtree mesh must satisfy a criterion called the balancing and this is addressed in detail in the development of this work. We also highlight another important point in the implementation of quadtree meshes, which is the search for neighboring nodes. Additionally, we present the nite di erences discretization of operators, which uses the knowledge of the mesh quadrant neighboors and interpolation techniques. The order of the method is checked by tests with the heat equation for both uniform meshes and for meshes with di erent levels of re nement and we conclude that method here presented is satisfactory.

Neste trabalho desenvolvemos um algoritmo para a geração de malhas quadtree com o objetivo de utilizá-las na simulação de escoamento de fluidos, onde muitas vezes faz-se necessário o uso de malhas finas. A idéia central da geração das malhas quadtree está baseada na estrutura de árvore quaternária em que cada nodo possui quatro filhos. Assim uma estrutura de árvore está associada a uma malha que pode ter espaçamento uniforme ou refinamento em regiões específicas. Para evitar problemas de discretização, uma malha quadtree deve satisfazer um critério chamado de balanceamento e este é tratado de forma detalhada no desenvolvimento do trabalho. Podemos destacar também outro ponto importantíssimo na implementação de malhas quadtree, que é a busca de vizinhos dos nodos. Além disso apresentamos a discretização dos operadores em diferenças finitas, que é feita a partir do conhecimento dos vizinhos dos quadrantes da malha e de técnicas de interpolação. A ordem do método é verificada a partir de testes com a equação do calor, tanto para malhas uniformes quanto para malhas com níveis de refinamento diferenciados e concluímos, assim, que o método desenvolvido e apresentado é satisfatório. / In this work we developed an algorithm to generate meshes quadtree in order to use them to simulate uid ow, which often makes it necessary to use ne meshes. The central idea of the generation of quadtree meshes is based on the quaternary structure of the tree, where each node has four children, and thus a tree structure is associated with a mesh that can be evenly or locally re ned. To avoid problems of discretization, a quadtree mesh must satisfy a criterion called the balancing and this is addressed in detail in the development of this work. We also highlight another important point in the implementation of quadtree meshes, which is the search for neighboring nodes. Additionally, we present the nite di erences discretization of operators, which uses the knowledge of the mesh quadrant neighboors and interpolation techniques. The order of the method is checked by tests with the heat equation for both uniform meshes and for meshes with di erent levels of re nement and we conclude that method here presented is satisfactory.

Neste trabalho desenvolvemos um algoritmo para a geração de malhas quadtree com o objetivo de utilizá-las na simulação de escoamento de fluidos, onde muitas vezes faz-se necessário o uso de malhas finas. A idéia central da geração das malhas quadtree está baseada na estrutura de árvore quaternária em que cada nodo possui quatro filhos. Assim uma estrutura de árvore está associada a uma malha que pode ter espaçamento uniforme ou refinamento em regiões específicas. Para evitar problemas de discretização, uma malha quadtree deve satisfazer um critério chamado de balanceamento e este é tratado de forma detalhada no desenvolvimento do trabalho. Podemos destacar também outro ponto importantíssimo na implementação de malhas quadtree, que é a busca de vizinhos dos nodos. Além disso apresentamos a discretização dos operadores em diferenças finitas, que é feita a partir do conhecimento dos vizinhos dos quadrantes da malha e de técnicas de interpolação. A ordem do método é verificada a partir de testes com a equação do calor, tanto para malhas uniformes quanto para malhas com níveis de refinamento diferenciados e concluímos, assim, que o método desenvolvido e apresentado é satisfatório. / In this work we developed an algorithm to generate meshes quadtree in order to use them to simulate uid ow, which often makes it necessary to use ne meshes. The central idea of the generation of quadtree meshes is based on the quaternary structure of the tree, where each node has four children, and thus a tree structure is associated with a mesh that can be evenly or locally re ned. To avoid problems of discretization, a quadtree mesh must satisfy a criterion called the balancing and this is addressed in detail in the development of this work. We also highlight another important point in the implementation of quadtree meshes, which is the search for neighboring nodes. Additionally, we present the nite di erences discretization of operators, which uses the knowledge of the mesh quadrant neighboors and interpolation techniques. The order of the method is checked by tests with the heat equation for both uniform meshes and for meshes with di erent levels of re nement and we conclude that method here presented is satisfactory.

Técnicas para geração de malhas volumétricas não estruturadas podem ser divididas em três categorias principais: técnicas baseadas em Octree, técnica de avanço de fronteira e técnicas Delaunay. Este trabalho faz uso de uma proposta para geração de malhas volumétricas não estruturadas baseada em uma técnica que utiliza uma triangulação adaptativa que contém similaridades com os métodos de geração de malhas baseados em Octree. Esta triangulação, além de decompor o domínio, oferece suporte para a construção de funções implícitas que aproximam a superfície do objeto de interesse. As funções implícitas são obtidas a partir de nuvens de pontos pelo método de Partição da Unidade Implícita - PUI. Um processo de poligonalização discretiza a isosuperfície fornecida pela função implícita gerando uma malha de triângulos superficial. Uma malha volumétrica é gerada a partir da malha superficial utilizando os tetraedros que decompõem o domínio criados pela triangulação. Apresentamos nesta tese um método original para a poligonalização de isosuperfícies obtidas através de nuvens de pontos. Apresentamos também uma abordagem para o melhoramento de malhas volumétricas baseadas na aplicação do conceito de molas virtuais. O foco principal é gerar malhas de qualidade para serem usadas em simulações de fluidos em artérias do corpo humano / Techniques for generation of three-dimensional unstructured meshes can be divided into three main categories: Octree-based techniques, advancing front techniques and Delaunay techniques. In the present study it is used a three-dimensional unstructured mesh generation approach based on a technique which uses an adaptive triangulation which contains similarities with Octree-based mesh generation techniques. This triangulation decomposes the domain and supports the construction of implicit functions that approximates the surface of an object of interest. The implicit functions are derived from point clouds by the Partition of Unity Implicits - PUI method. A polygonization process discretizes the isosurface provided by the implicit function generating a triangular mesh surface. A three-dimensional mesh is generated from the surface mesh using the tetrahedra that decomposes the domain created by the triangulation. In this tesis, we present an original polygonization method of isosurfaces obtained from point clouds. We also present an approach to improve tetrahedral meshes based on the application of the concept of virtual springs. The main focus is to generate quality meshes for fluid flow simulations in human arteries

Estruturas de dados (ED) topológicas oferecem diversas vantagens quando se deseja executarumadeformação sobreumamalha. Essas EDs permitem movimentar os nós da malha sem modificar sua topologia, são relativamente simples de seremimplementadas e também são passíveis de serem incorporadas a um ciclo simulação/deformação de forma completamente automática e eficiente. O primeiro objetivo deste trabalho é a concepção de uma ED topológica para representação de malhas elásticas. Tais malhas podem ser do tipo superficial ou volumétrica, e ainda simples ou mista. Para melhor desempenho, confiabilidade e menor consumo de memória, deseja-se que a ED seja implícita quanto à representação de componentes incidentes e adjacentes dos elementos presentes na malha. Outro objetivo deste trabalho é abordar o problema de geração de malhas em domínios arbitrários definidos por uma função implícita. O método proposto é uma extensão do algoritmo de Partição da Unidade Implícita (PUI). Para isso, o método proposto é baseado numa abordagem de preenchimento de superfícies. Este método proposto gera adaptativamente tetraedros em diferentes níveis de refinamento de acordo com o nível de detalhe presente na região do domínio. Diferentemente de trabalhos anteriores, esta característica é feita naturalmente sem necessitar de uma estrutura auxiliar. Para este fim, usa-se uma estrutura algébrica chamada de triangulação Ja1 que é capaz de lidar com tais refinamentos. Além do mais, a triangulação Ja1 permite que se percorra a estrutura simplesmente através de regras algébricas que é uma outra vantagem do método proposto / Topological data Structures (DS) oer several advantages when performing a deformation on a mesh. These DSs allow movement throughout the mesh without modifying its topology, are relatively simple to implement, and there is always the possibility of merging it to simulation/deformation cycle on a completely automatic and ecient form. The main goal of this work is to design and implement a topological DS to represent elastic meshes. These meshes can be either of surface or volume kind, and even simple or mixed. For better performance, more reliability and lower memory consumption, it is necessary that the DSs allow the representation of incident and adjacent components of a given element to be implicit. The second objective to this work is to tackle the problem of mesh generation on arbitrary domains defined by implicit functions. The proposed method is an extension to the algorithm of Partition of Unity Implicits (PUI). For this the proposed method is based on an isosurface stung approach. It adaptively generates the tetrahedra in dierent levels of refinement accordingly to the level of detail presented by the regions of the domain. Dierently to previous work, this feature is done naturally without the aid of an auxiliary data structure. To this end, we use an algebraic structure, named Ja1 triangulation, which is capable of dealing with such refinements. In addition, the Ja1 triangulation permits traversing through the mesh by simply using algebraic rules which is another advantage to the proposed method

Dois métodos distintos são descritos e implementados. O primeiro método, proposto por Ruppert, possui garantias teóricas de qualidade quando a fronteira do domínio obedece certas restrições. O segundo método, proposto por Persson, possibilita um maior controle na densidade dos elementos que discretizam o domínio. As vantagens, desvantagens e particularidades de cada um dos métodos são descritas e detalhadas / Two distinct methods are described and implemented. The first method, proposed by Ruppert, has theoretical guarantees on the quality of elements when the domain boundaries respect certain restrictions. The second method, proposed by Persson, makes it possible to have greater control over the density of the elements that make up the domain. The advantages, disadvantages and specific points about each method are described and detailed