三维设计系列讲座_1_三维设计软件的发展

三维设计系列讲座(1)

三维设计软件的发展

孔凡新

(南京工程学院,江苏南京210013)

摘　要:随着三维CAD软件的推广应用,基于三维CAD系统的三维设计必将成为工程设计的趋势,它具有许多二维设计无法相比的优势。笔者就三维设计的几个基本问题进行了简要探讨,同时介绍了三维设计的发展历程和最前沿的三维设计技术———行为建模技术等。

关键词:三维设计;行为建模;三维CAD

中图分类号:TH 文献标识码:B 文章编号:167125276(2003)0420082204

The Series of Lectures on Three2dimensional Design Soft w are(Part1)

Introduction of Development for Three2dimensional Design Soft w are

KON G Fan2xin

(Nanjing Institute of Technology,J S Nanjing210013,China)

0　引言

“计算机辅助设计几乎推动着一切领域的设计革命”。近年来,CAD技术的应用已经几乎辐射到了各行各业。“九五”期间,全国“CAD应用工程技术开发与应用示范”项目攻关专题50项,29个省市和3个行业共安排了600多家示范企业,企业平均CAD设计人员应用普及率为95.6%,产品设计图样覆盖率为92.8%。同时安排了重点企业3000多家,一般应用企业10万余家,9个培训中心, 1000多个培训网点。CAD技术的应用已涉及到机械、工程设计、船舶、航空、航天、汽车、轻工、纺织等行业。

传统的设计方法是工程师在大脑里构思三维的产品,再通过大脑的几何投影,把产品表现在二维图样上,工程师有一大半的工作量是在三维实体和二维工程图的相互转换和繁琐的查表和计算中。而制造工人又要把二维的图样在大脑中反映出三维的实体然后进行加工制造。

采用CAD技术(尤其是三维CAD技术)后,工程师就可以直接在计算机上进行零件设计和产品的装配;产品的制作过程几乎与真实的产品制造没有差别,计算机屏幕上的产品就是未来产品三维图像。工程师还可以在设计过程中,利用CAD技术尤其是三维CAD技术完成手工难以完成和低效率的工作。

针对三维设计,结合这方面的科研和教学经验,笔者提出一些观点供大家参考。所讲的三维设计都是基于三维CAD系统的,脱离了三维CAD系统,三维设计无从谈起。

1　三维设计的几个基本问题

111　设计与成本

设计是人类文明的标志。这是因为设计的本质是创造和革新,是最能发挥人类智能的活动。产品设计的质量一定程度上决定了企业的经济效益。一般地说,产品设计费用在产品成本中只占20%左右,但是产品的设计工作却决定了产品75%的成本,这正是企业要引入CAD的主要原因之一。112　三维设计的意义

人在设计零件时的原始冲动是三维的,设计实施的结果是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、制造工艺等等关联概念的三维实体,这也是毫无疑问的,但是,在传统的设计中,在这两者

收稿日期:2003206214

之间的信息传递竟然全是二维的图形表达。由于以前的手段有限,人们不得不共同约定了在第一象限(美国是第三象限)平行正投影的二维视图表达规则,用有限个相关联的二维投影图表达自己的三维设想。这种表达信息是极不完整的,而且绘图、读图要经过专门训练的人进行,以便“纠正”人类头脑中原始的、关于几何形体表达的“错误”。

如果能直接以三维概念开始设计,在现有的软件支持下,可以更直观、准确地表达出设计构思的全部几何参数,整个设计过程就可以完全在三维模型上讨论,对设计的辅助作用就能很容易迅速扩散到全过程,设计的全部流程都能使用统一的数据,有助于完成如装配检查、运动模拟、强度分析、数控编程、产品效果图、物理特性计算等二维设计无法完成的功能。传统的以二维工作图为主的设计资料管理将变成三维设计数据的保存和管理,而工科大学的机械制图课就可以大幅度删砍,尽量保留学生的三维原始概念,二维工程图的画法也应随之大幅度简化。

三维设计是必然趋势。只有三维设计才是真正意义上、创成设计的CAD。只有三维设计,才有可能组建进行有限元分析的原始数据,进而进行零件几何形状的优化设计。否则就是传统的设计方法:进行多次的台架试验甚至样机考核试验(三维设计不可能完全取代样机试验,除非用CA T技术)。更不用说装配检查、运动模拟、强度分析、数控编程、产品效果图、物理特性计算等二维设计无法完成的功能了。

113　三维设计的几个层次

在CAD的初期阶段,基本上以二维绘图的层次为主。在今天中国的CAD用户中,二维绘图仍然占有相当大的比例。利用CAD系统功能作相应的设计,则属于二维设计层次。对于三维阶段,也有三维造型和三维设计两个层次上的应用。

CAD技术的目标究竟是绘图还是设计(是Drawing还是Design)?这是一个涉及到一些领导者和权威们的长期争论问题。实质上就是上面所讲两个层次的问题。完成这两个层次之后,应该是属于协同设计(信息共享)的层次了。

114　正确处理二维和三维的关系

从现实的企业应用来说,目前大多数企业的生产组织、工艺编制、档案管理、企业中一般的制造过程、大量常规零件的设计仍然以二维CAD图样为基本载体。应该说,二维CAD系统和三维CAD系

统从二者的关系来讲,有如普通机床与加工中心的关系,是一种互相协调、互为补充的关系。但从发展来看,三维CAD设计是必然趋势。产品设计的最终出路在于三维设计,这是无法回避的。早日进入三维设计,就会早一天取得经济效益和技术效益。

115　正确处理人和计算机的关系

人是三维设计的主体,CAD只是计算机辅助设计,而不是CD(计算机设计)。“以计算机为主体”的设计是三维设计智能化发展的方向。必须以“我”(成熟的专业设计师)为主,以我的设计思路和原始数据为主,软件永远是辅助者。学习软件功能和操作方法的过程,就像学外语的过程,结果不是改变自己要表达的内容,而是改变表达的方法。完全按照软件的设计思路进行设计的观点,会使设计的精华、也就是工程师的创造性,受到很大的限制。

2　三维设计的几个里程碑

三维设计的几个里程碑实质上就是三维CAD 的几次技术革命。

自从20世纪50年代CAD技术发展以来,三维设计技术到今天的广泛应用,此间经历了几次大的技术性革命。

211　基于曲面模型基础上的三维设计

20世纪60年代出现的三维CAD系统只是简单的线框模型。这种模型是以形体的棱边或交线作为形体的数据结构来定义的,它只能表达基本的几何信息,不能有效地表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息,CAE及CAM均无法实现。此时的三维设计实质上处于三维绘图阶段。进入20世纪70年代,法国人提出了贝赛尔算法使得用计算机处理曲线及曲面问题变得可行。法国达索飞机制造公司也基于此算法,开发出以表面模型为特点的三维造型系统CA TIA。CA TIA 的出现标志着三维设计技术从单纯模仿工程图样的三视图模式中解放出来,首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息,同时也使得CAM技术的开发有了实现的基础。在这个时期,CAD技术价格极其昂贵,软件商品化程度也很低。所以此阶段的三维设计只在少数几家受到国家财政支持的军火商中应用。如CALMA———由美国通用电气(GE)公司支持、CADAM由美国洛克希德(Lochheed)公司支持、CV———由美国波音(Boeing)公司支持、IDEAS———由美国国家航空及宇航局

(NASA)支持、U G———由美国麦道(MD)公司开发、CA TIA———由法国达索(Dassault)公司支持等。

曲面模型主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。若把线模型中的某些棱边包围的部分定义为“面”,所形成的就是曲面模型。反映在数据结构中,就是在线模型的数据结构的基础上,增加面的有关信息以及联接指针。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺,由Coons、Bezier等大师于20世纪60年代奠定其理论基础。曲面造型近几年得到了长足的发展,这主要表现在研究领域的急剧扩展和表示方法的开拓创新。从研究领域来看,曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接,扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性。

212　基于实体模型基础上的三维设计尽管有了表面模型,CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型只能表达形体的表面信息,难以准确表达零件的其它特性,如质量、重心、惯性矩等,对CAE十分不利,最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索,SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件———I2DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达,给三维设计带来了惊人的方便性。可以说,实体造型技术的普及应用标志着三维设计发展史上的第二次技术革命。

与曲面模型不同,实体模型规定了表面完整的拓朴关系,从形体的任一个面都可以遍历它所有的面、边和点,并规定了面的哪一侧是实体。实体模型能够反映外部模型比较完整的几何信息,是真实而唯一的三维物体。它既能消除隐藏线,产生有明暗效应的立体图象,又可以计算物体质量特性,进行装配体或运动系统的空间干涉检查、有限元分析的前后处理以及多至五轴的数控编程等。

实体造型技术就是用计算机系统来建造、表示、分析和输出实体模型,是CAD/CAM系统的核心技术,也是实现计算机辅助三维设计的基本手段。常用的几种实体造型方法有:扫描变换法(Sweep)、几何体素构造法(CSG)、边界表示法(B2 rep)、分割表示法(D2rep)和特征造型(Feature Modeling)等。

213　基于参数化技术基础上的三维设计

正当CV公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时,进入20世纪80年代中期,以CV 公司副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法———参数化实体造型方法,这种算法主要有以下特点:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。设计者只须更改尺寸参数,几何及图形立即依照尺寸变更。

当时的参数化技术还有很多技术难点有待攻克,CV公司内部也对是否投资参数化技术展开过激烈争论。由于投资及工作量将非常惊人、参数化技术还不能为自由曲面提供有效的工具和当时CV软件销售很好。因此,CV公司内部否决了参数化方案。策划参数化技术的这些人集体离开了CV公司,成立了一家参数化技术公司(Parametric Technology Corp.———PTC),开始研制名为Pro/ EN GIN EER的参数化软件。目前,PTC在CAD 市场份额排名已名列前茅。可以说,参数化技术的应用主导了三维设计发展史上的第三次技术革命。

目前参数化技术大致可分为如下三种方法:

a)基于几何约束的数学方法;b)基于几何原理的人工智能方法;c)基于特征模型的造型方法。

其中最直接和主要的应用就是特征建模。简而言之,“特征”就是利用较高阶的组成图形来产生具有工程意义的元件,也就是一般的机械对象,如圆角、薄壳、钻孔等,以最自然的思考方式从事设计工作,充分理解设计意图,能随时对特征进行合理但不违反几何原理的重新定义(redefine)、重新排序(reorder)、删除(delete)和插入(insert)等操作。

实体模型没能提供产品开发整个生命周期内集成所需的信息,如加工特征、材料、装配、公差和表面粗糙度等信息。此外,在几何形状设计中,采用点、线、面或一些简单的体素通过布尔运算等方法进行造型,不太符合设计、制造对构型的实际要求与工程师的设计习惯。因此,产品信息模型不完整,设计和制造系统之间共享同一数据格式和结构的问题并没有得到根本解决。

一个零件的形状主要由其使用功能及加工工艺所决定。因此,在设计零件结构时,设计者往往采用具有某些使用功能和能够加工的形状特征(又称功能要素)进行组合和拼接,这样构造的模型称为特征模型,这种构型思维方式称之为特征建模。

特征建模通过计算机将工程图样所表达的产品信息抽象为特征的有机集合,它不仅构造一定拓扑关系组成的几何形状,而且反映了特定的工程语

义,支持了零件从设计到制造整个生命周期内各种应用所需的几乎全部信息,其中包括管理信息、形状信息和工艺信息。

214　基于变量化技术基础上的三维设计参数化技术的成功应用,使它几乎成为CAD 业界的标准。SDRC公司在1990年前摸索了几年参数化技术后,提出了一种更为先进的三维设计技术———变量化技术。1993年推出了全新体系结构的I2DEAS Master Series软件。

这一被业界称为21世纪CAD领域具有革命性突破的新技术就是V GX。V GX的全称为Vari2 ational G eometry Extended,即超变量化几何。V GX技术扩展了变量化产品结构,允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、设计过程、特征到设计约束都可以进行实时直接操作。对于设计人员而言,采用V GX,就像拿捏一个真实的零部件面团一样,可以随意塑造其形状,而且,随着设计的深化,V GX可以保留每一个中间设计过程的产品信息。

V GX提供了前所未有的三维变量化控制技术。V GX将两种最佳的造型技术直接几何描述和历史树描述结合起来,从而提供了更为易学易用的特性。设计人员可以针对零件上的任意特征直接进行图形化的编辑、修改,这就使得用户对其三维产品的设计更为直观和实时。用户在一个主模型中,就可以实现动态地捕捉设计、分析和制造的意图。

变量化技术既保持了参数化技术的原有优点,同时又克服了它的许多不足之处。它的成功应用,为三维设计技术的发展提供了更大的空间和机遇。也驱动了三维设计发展史上的第四次技术革命。215　基于行为建模基础上的三维设计每个工程师解决问题的方法不尽相同,并且工程师没有足够的时间来研究所有可能的设计解决方案。设想一下,如果您已知道工程师解决问题的方法,之后您让计算机来自动分析所有可能的替代设计,并为您提出最佳设计。

这些问题我们用这样的方案来解决,它把获取产品意图作为工程过程的一个普通零件,并自动建立能满足多个目标的虚拟原型。而且,因为问题和解决方案是在设计中用电子方式获得的,所以系统可以自动解决未来真实的工程问题。

这种独特的解决方案是PTC的Pro/EN GI2 N EER的核心,被称为行为建模技术———第五代CAD技术。行为建模技术是这样一种技术:它通过综合所需的功能行为、设计内容和几何要求来达到设计的完美。通过知识捕捉和交互求解的智能过程,行为建模使工程师追求新颖的设计,并能在需要改动时演示设计功能和设计的稳定性。行为建模工具能够捕捉用户的设计意图,且能自动地建立虚拟模型来满足多个优化目标。行为建模使设计者更为有效地、用更合适的方法解决工程问题。

行为建模技术的强大功能体现在三个方面:智能模型、目标驱动的设计能力和开放的可扩展的开发环境。智能模型可捕捉设计和过程中的智能信息,以及定义产品所要求的工程规则范围。目标驱动的设计能力可对设计进行优化以达到多重目标,并可随市场而改变。一个开放的设计环境使企业能在统一的工程过程中集成多种设计开发手段。

行为建模包括下面几个方面的内容:构造设计、灵敏度分析、可行性分析、优化设计、多目标设计和用户自定义特征等。

通过Pro/EN GIN EER的“Behavioral Modeler”(行为建模器),设计工程师从而可以迅速地抓住设计理念,定义好设计参数,规划出最佳的解决方案,因此不必要浪费大量的时间在重复操作和计算分析上,这样可以在短时间内由计算机计算出最佳解。如设计一高度不变的水杯,在容积大小要求改变时,系统可以轻易求解出设变后的直径。同时它能使零件自适应地进行目标追踪,如凸轮轴力求保持动平衡;集装箱争取保持正确的容积;机械装置自适应寻求性能与间隙目标的最佳配合等。

可以这么说,行为建模技术将成为三维设计的最好助手。

3　结束语

三维设计技术实质上是与CAD技术发展密切相关的,和CAD的发展一样,三维设计也必将朝集成化、智能化、网络化发展。

参考文献:

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