现代设计理论第2章计算机辅助设计PPT课件.ppt
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1、1现代设计理论与方法第2章 计算机辅助设计2概况1您的内容打在这里,或者通过复制您的文本后。概况2您的内容打在这里,或者通过复制您的文本后。概况3您的内容打在这里,或者通过复制您的文本后。+整体概况32.1 概述 在人类社会生产发展的历史长河中,蒸汽机和电机的应用延伸了人的体力劳动, 催生了工业革命,而以计算机技术为核心的信息技术的应用则延伸了人的脑力劳动,导致了一次新的工业革命,使人类社会迈进了信息时代。 计算机辅助设计(Computer-Aided Design,简称CAD)技术是计算机科学和数字化信息技术在工程设计、机械制造等领域中最具影响的一项高新技术。4 CAD技术的发展和应用使传统
2、的产品设计理论与方法、以及生产模式发生了深刻的变化,同时对人才知识结构等产生了重大的影响。 学习和掌握CAD技术原理及其相应软件系统的应用方法,并与专业知识结合以解决所面临的工程技术问题,对于21 世纪的工程技术人员来说十分重要。 在CAD技术发展初期,CAD的含义仅仅是绘图板的替代品,以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期。5 80年代,由于PC机的应用,CAD技术得以迅速发展,并催生了以AutoCAD、Solidworks 为代表的一批被市场广泛接受的产品,这些产品对CAD技术的推广普及发挥了关键性的作用。 纵观CAD技术的其发展历程,可以归纳为以下几个技术阶段: 1. CAD技
3、术的诞生: 的主要技术特点是交互式二维绘图; 2.曲面造型理论的发展与CAD初步应用,又叫表面建模(Surface Modeling),是通过描述物体表面来进行三维形状设计的建模方法。 3.实体造型技术的发展。 4.特征参数化造型推动CAD技术走向成熟应用。62.2曲面表示与曲面造型 曲面造型是研究曲面的计算机表示、求交、光顺和显示的技术,是计算机辅助设计的重要研究内容。 常用的曲面造型方法 1) 线性拉伸曲面 (Extruded surface),如图4.3(a)所示,是将一条平面曲线或空间曲线(称之为母线)沿一个线性方向拉伸一段距离所扫成的曲面。 (2)旋转曲面 (Revolved sur
4、face),如图4.3(b)所示,是将一条平面曲线绕一轴线旋转所生成的曲面,常用于构造具有中心轴的回转形零件。7 3)扫掠曲面(Swept surface)如图4.3(c) 所示,扫掠曲面是以若干线条为截面线(Cross section profiles),以另外一条脊线(Spine curve)或若干条导引线(Rail curves)为引导,截面线沿着脊线或导引线移动形成的自由曲面。 (4)直纹曲面(Ruled surface),如图4.3(d)所示,是将一条直线的两端沿着两条曲线沿同一方向均匀移动所生成的曲面。平面是最简单的直纹面, 圆柱面、圆锥面、飞机的机翼和尾翼翼面等都直纹曲面。直纹面
5、造型的关键是要确定两条曲线之间的参数对齐方式,对齐方式决定了直纹面的具体形状。8 (5)放样曲面(Loft surface)也称为蒙皮曲面(Skin surface),其造型过程可形象地看做给一组截面曲线构成的骨架上蒙上一张光滑的皮。放样曲面造型可以沿一个参数方向,也可以沿U,V两个参数方向设定截面曲线,在设计中具有广泛的应用。 放样曲面与扫掠曲面中的扫掠功能有一些类似,都是通过截面线并且沿着导引线进行扫掠,从而形成一张曲面。 所不同之处是,扫掠曲面造型所能选择的截面线和导引线数量很少,如图4.3(c)所示,选择一条截面线及两条导引线进行扫掠;而放样曲面功能可以选择更多的截面线和导引线。9 (
6、6)Coons曲面,如图4.3(f)所示,是由美国麻省理工学院的孔斯(Coons)与1964年提出来的独特的由四条封闭边界曲线构造曲面的方法。Coons曲面的独特之处就在于构造组成复杂组合曲面的曲面片时,直接采用可以是任意类型参数曲线的四条边界来构造曲面。(7)裁剪曲面(Trimmed surface),通过裁剪曲面的内外边界环以得到所需要的曲面部分。在CAD曲面造型中,实现曲面裁剪的方式很多。如图4.3(g)所示,是通过将一组平面轮廓线向下投影,沿投影方向裁剪曲面。 (8)曲面过渡是产品外形设计中用于解决一般外形曲面的光顺连接问题的方法。过渡曲面一般分为圆角过渡曲面(Fillet surfa
7、ce)、自由过渡曲面(Blend surface)和填角过渡曲面(Fill surface)。其中,圆角过渡在产品形设计中最为常见,在小部件外形的光顺处理中经常采用。10(a)线性拉伸曲面(b)旋转曲面11(c)扫掠曲面(d)直纹曲面12(e)放样曲面13(f)Coons曲面(g)曲面裁剪14(h)等半径过渡曲面(i)变半径过渡曲面图4.3 常用的曲面造型定义方式152.3 实体造型方法 实体模型的核心问题是采用什么方法来表示实体,其与线框模型和表面模型的根本区别在于:实体模型不仅记录了全部几何信息,而且记录了全部点、线、面、体的信息。 目前被CAD造型系统广泛采用的两种实体表示方法,体素拼合
8、法(CSG 法)和边界表示法(B-Rep 法)。 2.3.1 体素拼合(CSG)法 CSG法是用简单实体(称为基本体素,Primitive Geometry)通过布尔运算的交、并、差构造复杂实体的方法。常用的体素有长方体、圆柱体、球体、圆锥体等(如图4.4所示)。图4.5表示了长方体与球体两个体素经过交、并、差布尔运算后的效果。16长方体 圆柱体 球体圆锥体 楔形体 圆环体图4.4CSG法中常用的基本体素17基本体素 并 交 差图4.5基本体素(长方体与球体)布尔运算的结果18图4.6 实体构造与CSG树192.3.2边界表示(B-Rep)法1)B-Rep表示法的概念 B-rep法是用物体封闭
9、的边界表面描述实体的方法,这一封闭的边界表面由一组面的并集构成,其中面可以是平面也可以是曲面,而每个面可由边界的边集表示。 实体造型与曲面造型的区别在于实体造型的表面必须封闭、有向,各张表面之间有严格的拓扑关系,形成一个整体;而曲面模型的面可以不封闭。202.4 参数化特征造型技术 2.4.1 特征的概念 实体建模方法在表示物体形状和几何特性方面是完整有效的,能够满足对物体的描述和工程的需要,但从工程应用和系统集成的角度来看,还存在一些问题。 例如,实体建模中的操作是面向几何的(几何元素的位置、形状等),而非工程描述(如槽、孔、凸台的构造特征),信息集成困难。 因而需要有一个既适用于计算机辅助
10、产品设计又适用于计算机辅助产品制造的统一的产品信息模型,满足产品设计与制造周期中各环节对产品数据的需求。特征造型方法的出现弥补了纯几何的实体造型的不足。 关于特征造型,我们首先需要了解“特征”的概念。然而,目前对于特征本身还没有形成一个统一且明确的定义。从造型理论层面上看,它是一个综合的概念,是几何特征和工程特征的集成,即几何信息、工程信息及其依赖关系(特征的生成信息)的集成。21 从应用层面看,特征可以被认为是“产品开发过程中各种信息的载体”,它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,如材料信息、尺寸形状、公差信息、热处理及表面粗糙度信息和刀具信息等。 产
11、品特征可以表达为如下形式: 产品特征 = 形状特征(形状设计语义信息)+ 工程语义信息 特征造型的本质还是实体造型,但为模型的生成增加了工程语义,即实体的几何形状是基于工程语义的计算结果。22 基于特征的实体造型则是在更高的层次上对产品进行数字化描述,通过修改特征的参数和特征的约束来调整产品的形状。 设计人员操作的对象不再是原始的线条和体素,而是产品的功能要素,如螺纹孔、键槽、倒角等。 基于特征的CAD造型更好地体现了设计意图,使产品的数字化模型更容易理解,所设计的产品更容易修改,也有利于组织生产,从而使设计人员可以有更多精力进行创造性构思。 目前大多数三维造型系统都具有特征造型功能。232.
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