武汉大学珞珈山-信息管理学院-建模技术资料课件

第第5 5章建模章建模技术技术学学习目目标：掌握几何建模的基本概念和几种建模方法的原理、特点及其在计算机内的表示，比较不同方法的使用场合；学会根据物体的结构形状，分析建模过程，画出数据结构图；了解特征建模和行为建模的基本概念。会使用商品化CAD/CAM软件中的几何建模功能。学学习重点：各种建模方式（重点：各种建模方式（线框、表面、框、表面、实体）的基本原理和特体）的基本原理和特点。点。学学习难点：特征建模。点：特征建模。建模的基本概念与基本要求建模的基本概念与基本要求基本概念基本概念建模就是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。在CAD/CAM中，产品或零部件的设计思想和工程信息是以具有一定结构的数字化模型方式存储在计算机内部的，并经过适当转换提供给生产过程各个环节，从而构成统一的产品数据模型。模型一般由数据、数据结构、算法三部分组成。基本要求基本要求建模技术是系统的核心，建模的过程依赖于计算机的软硬件环境、面向产品的创造性过程。建模技术应满足以下要求：1.建模系统应具备信息描述的完整性2.建模技术应贯穿产品生命周期的整个过程3.建模技术应为企业信息集成创造条件几何建模与特征建模几何建模与特征建模(一一)机械机械产品模型品模型按照对几何信息和拓扑信息的描述及存贮方法可划分为线框建模、表面建模表面建模、实体建模体建模，如下图所示。几何建模与特征建模（二）几何建模与特征建模（二）几何信息几何信息定定义几何信息是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述。几何信息包括有点、线、面、体的信息，但只用几何信息表示物体并不充分，常会出现物体表示的二义性。二二义性性举例例图中的五个顶点可以用两种不同方式连接，表达两种不同的理解。因此，几何信息必须与拓扑信息拓扑信息同时给出。几何建模与特征建模（三）几何建模与特征建模（三）拓扑信息拓扑信息定定义指构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系。性性质拓扑关系允许三维实体随意地伸张扭曲，对于两个形状和大小不一样的实体的拓扑关系却可能是等价的。几何建模与特征建模（四）几何建模与特征建模（四）特征建模特征建模几何建模技术推动了CAD/CAM技术的发展，随着信息技术的发展及计算机应用领域的不断扩充，对CAD/CAM系统提出越来越高的要求。几何模型只是物体几何数据及拓扑关系的描述，无明显的功能、结构和工程含义，因而促进了特征建模技术的发展。在建模技术中，特征的概念源于对零件几何要素的归纳，以零部件的设计自动化为目的，将产品的零部件设计中常用的几何体的几何定义为特征；进一步的发展使得特征技术着眼于从制造领域着手，将特征与工艺过程设计、数控加工自动编程相结合，从而提出了面向制造的设计(DFM)概念。随着特征的概念引伸至产品设计所需要的知识、零件设计所应具有的功能、加工过程中的工艺过程等，并且在商品化的CAD/CAM软件中几乎都提供了由于产品开发者定义特征的模块，并试图以积累设计经验、自动定义零件的受力分析、物理性能验算、几何造型、工艺可行性评价、装配性分析等知识为基础的综合特征用于产品或零部件的设计。线框建模的基本原理框建模的基本原理定定义线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图。线框建模生成的实体模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。在计算机内部生成三维映像，还可实现视图变换及空间尺寸的协调。数据数据结构构线框建模的数据结构是表结构，在计算机内部存贮的是物体的顶点和棱线信息。下图为一立方体的线框模型。表分别为立方体的顶点表和边表，构成该物体的线框模型的全部信息。二二维和三和三维线框模型框模型二维建模实质上是二维线框模型，它以二维平面的基本图形元素（如点、直线、圆弧等）为基础表达二维图形。二维几何建模系统主要研究平面轮廓处理问题，它可以分为边式和面式两类系统。所谓边式系统意味着只描述轮廓边，然后通过不同类型轮廓边的相互顺序实现绘图目的；所谓面式系统，是将封闭轮廓边包围的范围定义成一个平面，并作为一个整体来处理。二维几何建模系统比较简单实用，同时大部分提供了方便的人机交互功能，所以如果任务仅局限于计算机辅助绘图或对回转体零件进行数控编程，则可采用二维建模系统。但在二维系统中，由于各视图及剖面图是独立产生的，因此不可能将描述同一个零件的不同信息构成一个整体模型。所以当一个视图改变时，其他视图不可能自动改变，这是它的一个很大弱点。三维线框模型是二维线框模型的直接拓展和延伸。由于图形几何变换理论的发展，认识到加上第三维信息再投影变换成平面视图是很容易的。三维线框模型用三维的基本图形元素来描述和表达物体，同时仅限于点、线和曲线的组成。线框建模的框建模的优缺点缺点线框建模所构造的实体模型，只有离散的边，而没有边与边的关系，由于信息表达不完整，会对物体形状的判断产生多义性。下图表示同一线框模型可能产生的几种不同理解。表面建模的基本原理表面建模的基本原理定定义表面建模是将物体分解成组成物体的表面、边线和顶点，用顶点、边线和表面的有限集合来表示和建立物体的计算机内部模型。表面建模的特点表面建模的特点表达了零件表面和边界定义的数据信息，有助于对零件进行渲染等处理，有助于系统直接提取有关面的信息生成数控加工指令，因此，大多数CAD/CAM系统中都具备曲面建模的功能。在物体性能计算方面，表面建模中面信息的存在有助于对物性方面与面积有关的特征计算，同时对于封闭的零件来说，采用扫描等方法也可实现对零件进行与体积等物理性能有关的特征计算。一般来说，表面建模方式生成的零部件及产品可分割成板、壳单元形式的有限元网格。曲面建模事实上是以蒙面的方式构造零件形体，因此容易在零件建模中漏掉某个甚至某些面的处理，这就是常说的“丢面”。同时依靠蒙面的方法把零件的各个面贴上去，往往会在两个面相交处出现缺陷，如重叠或间隙，不能保证零件的建模精度。实体建模的基本原理体建模的基本原理定定义实体建模是定义一些基本体素，通过基本体素的集合运算集合运算或变形形操作操作生成复杂形体的一种建模技术，其特点在于三维立体的表面与其实体同时生成。由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状，因此能完整地描述物体的所有几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息。实体建模的体建模的优点点1.可以提供实体完整的信息；2.可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能；3.能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。实体建模的方法体建模的方法实体建模的方法体建模的方法按照物体生成的方法不同可分为体素法体素法扫描法扫描法体素及其布体素及其布尔运算（一）运算（一）实体模型的构造常常采用在计算机内存储一些基本体素（如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体等），通过集合运算（布尔运算）生成复杂形体。实体建模主要包括两部分，即体素的定义及描述和体素的运算（并、交、差）体素的运算（并、交、差）。基本体素的定基本体素的定义体素是现实生活中真实的三维实体。根据体素的定义方式，可分为两大类体素：一类是基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等，如下图所示。另一类是扫描体素，又可分为平面轮廓扫描体素和三维实体扫描体素。体素及其布体素及其布尔运算运算(二二)定定义几何建模中的集合运算理论依据的是集合论中的交（Intersection）、并（Union）、差（Difference）等运算，是用来把简单形体（体素）组合成复杂形体的工具。以两个三以两个三维体素体素A和和B为例，其集合运算定例，其集合运算定义如下：如下：交集：交集：是形体是形体C包含所有包含所有A、B共同的点。共同的点。并集：并集：是形体是形体C包含包含A与与B的所有点的所有点差集：是形体C包含从A中减去A和B共同点后的其余点。扫描体素法描体素法定定义利用基体的变形操作实现表面形状较为复杂的物体的建模方法称为扫描法，扫描法又分为平面轮廓扫描和整体扫描两种方法。基本原理基本原理用曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成2D或3D的物体。扫描变换需要两个分量，一是给出一个运动形体，称为基体；另一个是指定形体运动的路径。实体模型的表示方法体模型的表示方法与表面建模不同，三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息，而是准确、完整、统一地记录了生成物体的各个方面的数据。常常见的的实体建模表示方法体建模表示方法边界表示法界表示法构造立体几何法构造立体几何法混合表示法（即边界表示法与构造立体几何法的混合模式）混合表示法（即边界表示法与构造立体几何法的混合模式）空间单元表示法空间单元表示法特征建模的概念特征建模的概念特征定特征定义特征是一种综合概念，它作为“产品开发过程中各种信息的载体”，除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息。特征建模定特征建模定义特征建模是一种建立在实体建模的基础上，利用特征的概念面向整个产品设计和生产制造过程进行设计的建模方法，它不仅包含与生产有关的信息，而且还能描述这些信息之间的关系。特征建模的特征建模的实施与施与发展展特征建模是CAD建模方法的一个里程碑，它是在技术的发展和应用达到一定水平，产品的设计、制造、管理过程的集成化和自动化要求不断提高的历史进程中逐渐发展完善起来的。特征概念包含丰富的工程语义，所以利用特征及概念进行设计是实现设计与制造集成的一种有效的方法。利用特征的概念进行设计的方法经历了特征识别及基于特征的设计两阶段。特征识别是首先进行几何设计，然后在建立的几何模型上，通过人工交互或自动识别算法进行特征的搜索、匹配。为此提出了基于特征设计的思想，直接采用特征建立产品模型，而不是事后再识别，即特征建模。特征建模系特征建模系统特征建模通常由特征模型、精度特征模型、材料特征模型组成，而形状特征模型是特征建模的核心和基础。特征建模系统的框架如下图所示：特征建模的功能与特点特征建模的功能与特点功能功能1.预定义特征，建立特征库；2.特征库的智能化应用，实现基于特征的零件设计；3.为特征附加注释，并为用户例举参考特征；4.支持用户定义特征以及管理、操作特征库；5.特征消隐、移动；6.零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。特点特点特征建模技术使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，而是依据产品的功能要素，产品设计工作在更高的层次上展开，特征的引用直接体现设计意图。特征建模技术可以建立在二维或三维平台上，同时针对某些专业应用领域的需要，建立特征库就可实现特征建模技术，快速生成需要的形体。特征建模技术有利于推动行业内的产品设计和工艺方法的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就考虑加工、制造要求，有利于降低产品的成本。特征建模技术提供了基于产品、制造环境、开发者意志等诸方面的综合信息，是产品的设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门之间具有了共同语言，可更好将产品的设计意图贯彻到各后续环节，促进智能CAD系统和智能制造系统的开发，特征建模技术也是基于统一产品信息模型的CAD/CAM/CAPP集成系统的基础条件。特征建模技术着眼于更好、更完整地表达产品全生命周期的技术和生产组织、计划管理等多阶段的信息，着眼于建立CAD系统与CAX系统、MRP系统与ERP系统的集成化产品信息平台。轴类零件的特征建模零件的特征建模轴类零件的特征建模零件的特征建模轴类零件又称回转体零件，由车削中心加工而成。轴类零件的特征组成如下：行行为特征建模特征建模简介介行行为特征建模技特征建模技术的概念的概念是一种全新的概念，它将CAE技术与CAD建模融于一体，理性地确定产品形状、结构、材料等各种细节。产品设计过程就是寻求如何从行为特征到几何特征、材料特征和工艺特征的映射，它采用工程分析评价方法将参数化技术和特征技术相关联，从而驱动设计。行行为特征建模技特征建模技术的特点的特点1.在建模技术方面，不仅提供了创建几何模型的环境，更重要的是提供了性能分析、评价、再设计的功能，是通过设计分析导出几何模型。2.在特征技术方面，不仅保留了构建几何集合的工具，为用户进行参数化、模块化、系列化设计创造条件，而且关联的智能模型，使设计者把精力集中在智能化设计上。3.在设计意图的表达方面，不仅具备表示设计参数及其关系的形式，同时具有目标驱动式的建模能力，可以将分析评价结果驱动几何参数。行行为特征建模技特征建模技术的核心的核心要为产品开发者提供理想的设计环境，CAD系统的建模必须具备以下条件：1.智能模型：提供分析特征的方法，帮助设计者捕捉设计参数和目标。其中的特征包括：装配连接特征；运动范围特征；辅助特征；加工特征；边界特征；布线系统特征等。2.目标驱动式的设计机制：产品的形状、参数由工程要求驱动，并满足工程要求。这包括：技术指标定义；产品技术指标评价以及更改设计对技术指标的影响预测；多目标设计的综合等。3.灵活的评估手段：评估手段必须建立在具有知识获取、组织、传递和运用能力的系统之上，并能很好地表达设计意图和设计思想，并达到规范化。特别是有利于在分布式知识资源中搜索设计方案中的可能解和联想可能解，并利用分布式知识资源对解进行测试和评估。建模技建模技术思考思考题1.举例说明CAD/CAM中建模的概念及其过程。2.什么是几何建模技术？几何建模技术为什么必须同时给出几何信息和拓扑信息？3.试分析三维几何建模的类型及其应用范围。4.实体建模中是如何表示实体的？5.试述曲面建模中常用的几种双参数曲面的形成原理及其优缺点。6.什么是体素？体素的交、并、差运算是何含义？7.简述边界表示法的基本原理和建模过程。8.简述CSG表示法的基本原理和建模过程。9.分析比较B-Rep与CSG的特点。10.举例说明空间单元法是如何利用四叉树、八叉树来描述复杂形状物体的。11.试以回转体为例，说明特征建模的基本思想。12.举例说明特征建模的数据结构特点。13.为什么要发展行为建模技术？