导读：

为解决Geant4复杂几何建模中商业软件依赖、中间格式转换限制、可视化交互不足及导航效率低等问题，本文设计了一种基于CADMesh的自动建模系统AutoG4CAD。该系统支持STL、OBJ、PLY等多种格式的CAD模型直接导入Geant4，规避传统STEP→GDML转换的拓扑错误；通过Qt5与PyVista构建可视化交互层，集成6种视图和NIST标准材料库及自定义材料管理功能；结合TetGen四面体网格划分与智能体素化技术，提升导航速度，自动生成适用于Geant4的蒙特卡罗代码DetectConstruction.cc文件，实现CAD模型到Geant4编译C++文件直接输出。在核设施剂量评估、航天器辐射屏蔽设计等场景中降低人工建模错误率，为复杂几何体的高精度粒子仿真提供了可靠的工具支撑。

作者信息：

杨 聪：安徽理工大学计算机科学与工程学院，安徽 淮南；合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)，安徽 合肥；卢 棚, 洪 兵*, 李肖华, 李 帅, 顾 威, 甘子阳, 许 欣：合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)，安徽 合肥

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软件实现

本研究设计了一种AutoG4CAD自动化建模系统。该系统可实现从CAD模型到Geant4仿真代码的端到端映射机制，其界面如图1所示。

如图2所示，系统实现五大功能：CAD格式解析、模型可视化、材料管理、四面体网格加速、代码生成，经GUI统一调度完成从CAD模型到蒙特卡罗仿真的全自动化转换。

算法设计

图3展示了AutoG4CAD系统从CAD模型导入到Geant4的蒙特卡罗代码Detect-Construction.cc文件生成的工作流程。首先加载用户输入的STL/OBJ/PLY文件，随后调用PyVista库实现模型可视化，并展示顶点、面片等数据，然后基于集成的Geant4材料库或者用户自定义的新材料，为模型分配材料属性，紧接着通过调用CADMesh将CAD模型映射为G4TessellatedSolid镶嵌实体，输出包含镶嵌实体的DetectConstruction.cc文件。如果用户需要提升导航速度，则可以选择模型四面体化，系统将离散化后的G4Tet单元通过装配体优化重新组织，输出包含四面体网格的DetectConstruction.cc文件。

结果与讨论

本研究从几何等效性和仿真性能两个方面，验证了AutoG4CAD系统对复杂几何模型转换的精度与效率优势。

为验证AutoG4CAD系统的几何等效性，实验选取3个简单几何体，包括立方体、圆台、球体以及1个复杂几何体——中子活化模型，包括18,544个顶点和37,984个面片，作为测试体。表1为4种测试几何体的几何等效性结果。

为验证AutoG4CAD系统的仿真性能，实验通过在边长4 m的G4_AIR立方体世界中放置G4_WATER材质的中子活化模型，分别加载原生Geant4镶嵌实体和AutoG4CAD系统转换后的四面体网格，使用105个G4Gamma粒子轰击并重复仿真10次以降低统计误差，通过记录几何加载时间和仿真总时间，以此比较镶嵌实体和四面体网格仿真性能之间的差异。

表2对比了中子活化模型的镶嵌实体与四面体网格的几何加载时间和仿真模拟时间。

尽管AutoG4CAD系统在几何等效性与仿真性能上表现优异，但其处理能力在很大程度上依赖于输入CAD模型的质量。

对于存在严重缺陷的网格，用户仍需借助MeshLab、Blender或原生CAD软件进行修复和重新导出，这也是当前大部分基于网格的仿真流程的通用局限性。

结论

本文基于CADMesh开源接口，开发了集成可视化、材料管理与自动化建模功能的软件系统AutoG4CAD。支持STL、OBJ、PLY等轻量化网格格式直接导入，规避中间格式转换的错误风险。提供对用户友好的图形用户界面，实现模型可视化以及零件材料配置，自动生成适用于Geant4的蒙特卡罗代码DetectConstruction.cc文件，实现CAD模型到Geant4编译C++文件直接输出。引入基于TetGen的四面体网格划分技术，将复杂曲面模型转换为体元集合，从而能够有效利用Geant4的智能体素化机制进行加速。这种方法与DagSolid等表面网格加速方案形成了不同的技术互补，为应对不同特性的复杂几何体提供了新的高性能解决方案。实验验证表明，该系统在几何等效性与仿真效率上表现优秀。

基金项目：

安徽省重大培育项目：面向癌症治疗的紧凑型硼中子俘获治疗技术开发及产业应用(21KZS202)

原文链接：https://doi.org/10.12677/csa.2025.1510248