3.1几何建模技术概述.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,谢谢,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,几何建模技术概述,主讲 游思坤,在,CAD/CAM,中，产品或零部件的设计是依据统一的模型进行的。所以，要利用,CAD/CAM,系统进行产品或零部件的设计，首先需要在,CAD/CAM,系统中建立该产品或零部件的模型。,1.,概念,几何建模,：以计算机能够理解的方式，对几何实体进行确切的定义，再以一定的数据结构形式对其加以数学描述，从而在计算机内部构造一个数字化模型。,几何建模技术,：是将现实世界中的物体（几何实体）转化为计算机内部可数字化表示、分析、控制和输出的几何形体的方法。,在,CAD/CAM,系统中，描述、表达和存储在计算机内部的模型包含产品或零部件的设计思想和工程信息，交互式,CAD/CAM,系统的工作原理图。图中只有“任务处理”这一建模过程是与具体的任务相关的，其他在斜线右侧的处理过程均与问题无关。计算机内部的模型是数据、结构和算法的结合。,2.,几何建模过程,实质就是一个抽象、描述、处理、存储与表达现实物体的过程，几何建模过程也是将需要建立的具体模型转化成计算机能够识别的数据信息的过程。,其处理过程如图，图中的处理过程左右一一对应。,首先，设计人员将现实物体几何抽象描述成想象模型，该想象模型记录了设计早期阶段抽象的设计意图，是产品信息从符号形式演进到几何形式的第一步；,其次，设计人员采用点、线、表面和实体来表示不同抽象层次的几何信息，采用统一的表示方法，将想象模型格式化为信息模型；,最后，将抽象的几何设计要素及其相互关系、产品属性等具体的信息加入，使设计意图成为计算机内部的完整模型。,3.,机械产品模型,应包括,几何信息,、,拓扑信息,、,物理信息,、,功能信息,和,工艺信息,等。几何模型则只包括几何信息与拓扑信息。,几何建模的方法,采用几何信息和拓扑信息反映物体的形状和位置。,物体的拓扑和几何信息是互相关联的，不同的拓扑关系需要不同的几何信息。刚体变换不改变物体的形状，只改变物体的位置和方向。,对于保持拓扑关系不变的几何变换，不仅改变物体的位置和方向，而且也改变物体的形状，甚至变换矩阵中的元素可以不是常数，而是某种函数关系，由此可扩大物体覆盖的域。,几何信息,一般是指一个物体在三维欧氏空间中的形状、位置和大小。最基本的几何元素包括点、线、面。如空间任意一点可以用直角坐标系中的三个坐标分量定义；,对于一条空间直线，可以用它的两个端点的空间坐标定义；,面可以是平面或曲面，平面可以用有序边棱线的集合定义。,但是只用几何信息表示物体并不充分，常会出现物体表示上的二义性，即对同一几何体就可能有不同的理解。,因此，对于几何建模系统来说，为了保证描述物体的完整性和数学的严密性，必须同时给出几何信息和拓扑信息。,几何信息是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述；,几何信息包括点、线、面、体的信息；,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；,五个顶点用两种不同方式连接，表达两种不同的理解；,几何信息必须与拓扑信息同时给出。,拓扑信息,反映三维形体中各几何元素的数量及其相互之间连接关系。,拓扑信息不同，即使几何信息相同，最终构造的实体可能完全不同。,拓扑关系允许三维实体随意地伸张扭曲，两个形状和大小不一样的实体的拓扑关系可能是等价的。,拓扑特性等价的立方体和圆柱体,拓扑信息是指一个物体的拓扑元素（顶点、边和表面）的数量、类型以及相互之间的邻接关系。拓扑元素之间可以采用九种拓扑关系表示。,多面体拓扑元素的拓扑关系描述方式（,9,种）,数据结构中保存的拓扑关系越多，对多面体的操作越方便，但是占用的存储空间也就越大。,下图为：顶点、棱边、表面之间的拓扑关系。,形体在计算机内的定义（采用六层拓扑结构）,顶点：边的端点，为两条或两条以上边的交点。顶点不能孤立存在于实体内、实体外或面和边的内部；,边：一维几何元素，形体相邻面的交界；,环：有序、有向边组成的封闭边界，外环的边按逆时针走向，内环的边按顺时针走向；,面：二维几何元素，是形体上的一个有限、非零的单连通区域。面由一个外环和若干内环包围而成，具有方向性，一般用外法矢方向作为正方向；,体,(Object),外壳,(Shell),面,(Face),环,(Loop),边,(Edge),顶点,(Vertex),曲面,(Surface),曲线,(Curve),点,(Point),壳：构成一个完整实体的封闭边界，是形成封闭的单一连通空间的一组面的结合。一个连通的物体有一个外壳和若干个内壳构成；,体：三维几何元素，是由若干个面包围成的封闭空间。几何造型的最终结果就是各种形式的体。,4.,建模技术发展与应用,常见三维几何建模模式,线框建模、表面建模、实体建模和特征建模,早期,CAD,系统只能处理二维信息，设计人员通过投影图表达零件的形状及尺寸。,建模技术发展重要事件：几何建模技术产生于,20,世纪,60,年代。当时，人们主要采用线框结构构造三维形体，称之为线框模型，它仅包含物体的顶点和棱边的信息。,20,世纪,70,年代出现了表面模型，它在线框模型的基础上增加了面的信息，使构造的形体能够进行消隐、生成剖面和着色处理。表面模型后来发展成为曲面模型。,1973,年剑桥大学,I.C.Braid,等建成,BUILD,系统；,1972,年,1976,年罗彻斯特大学,H.B.Voelcker,主持建成,PADL-1,系统；,1968,年,1972,年北海道大学冲野教授等建成,TIPS-1,系统,表面建模,20,世纪,70,年代末，实体建模技术逐渐成熟并实用化。所谓实体建模是通过简单体素的几何变换和并、交、差集合运算生成各种复杂形体的建模技术。,实体模型能够包含比较完整的形体几何信息和拓扑信息，已成为目前,CAD/CAM,建模的主流技术。,CAD/CAM,集成化系统普遍采用实体模型作为产品造型系统，成为从微机到工作站上各种图形系统的核心。,为满足设计到制造各个环节的信息统一要求，建立统一的产品信息模型，推出了特征建模系统。,建模技术在更高层次上表达了产品的功能和形状信息，包含了丰富的工程含义。因而可以说，特征建模技术的出现和发展是,CAD/CAM,技术发展的一个新的里程碑。,目前研究的全新建模方式,行为建模，在设计产品时，综合考虑了产品所要求的功能行为、设计背景和几何图形。采用知识捕捉和迭代求解的智能化方法，使设计工程师可以面对不断变化的要求，追求高度创新的、能满足行为和完善性要求的设计。,正在研究的建模方式,行为特征建模,，将,CAE,技术与,CAD,建模融为一体，理性确定产品形状、结构、材料等各种细节。,行为建模技术,（,1,）智能模型,能捕捉设计和过程信息以及定义一件产品所需要的各种工程规范。智能设计提供了一组远远超过传统核心几何特征范围的自适应过程特征。,这些特征有两个不同的类型：一个是应用特征，它封装了产品和过程信息；另一个是行为特征，它包括工程和功能规范。,自适应过程特征提供了大量信息，并进一步详细确定了设计意图和性能，是产品模型的一个完整部分，它们使得智能模型具有高度灵活性，从而对环境的变化反应迅速。,（,2,）目标驱动式设计,该设计方法的出现是为了优化每件产品的设计过程，使得过程特征具有自适应的特点，并且可以从智能模型中捕捉多个目标，进而满足不断变化的市场需求。同时，它还能解决相互冲突的目标问题，而采用传统方法不可能完成这一工作。,由于规范是智能模型特征所固有的，所以即使模型被修改，工程师也能快速和简单地重新生成和重新校验新生成的模型是否符合规范，即用规范来实际地驱动设计。,因为目标驱动式设计能自动满足工程规范，所以工程师能集中精力设计更高性能、更多功能的产品。在保证解决方案能满足基本设计目标的前提下，工程师能够自由发挥创造力和技能，改进设计。,（,3,）开放式可扩展环境,行为建模技术提供了无缝工程设计环境，能保证产品不会丢失设计意图，并避免烦琐。其允许工程师充分利用企业现有的外部系统、应用程序、信息和过程，这些外部资源对满足设计目标的过程很有帮助，并能返回结果，使之成为最终设计的一部分。,开放式可扩展环境不但增强了设计的灵活性，而且能生成更可靠的设计。,近几十年来，几何建模作为,CAD/CAM,的核心技术而受到普遍的重视。用,CAD/CAM,系统完成设计制造的首要工作也是建立几何模型。设计制造过程中所需的全部信息，都可以从建立的几何模型上获取。因此，几何建模工作是,CAD/CAM,系统中十分重要的一环。,几何模型是工程分析的基础，是绘制工程图的基础，是装配设计的基础，也是工艺过程拟定及数控加工程序编制等工作的基础。由此可见，几何模型所表示的信息完善与否，对后续工作有着重要的影响，这也是几何建模在现代工业生产中发挥重要作用的地方。,常用建模方法的应用,四次,CAD,技术革命：曲面建模、实体建模、参数化建模、变量化建模。,建模技术在,CAD,中应用于设计、生成图形、生产制造与装配,建模方式,应 用 范 围,局 限 性,线框建模,画二、三维线框图,不能表示实体；,图形会有二义性,表面建模,艺术图形；形体表面显示；数控加工,不能表示实体,实体建模,物性计算；有限元分析；,用集合运算构造形体,只能产生正则实体；,抽象形体的层次较低,特征建模,在实体建模基础上加入实体的精度信息、材料信息、技术信息、动态信息,还没有实用化系统问世；,目前主要集中在概念的提出和特征的定义及描述上,几何建模中表示物体形态常用方法,