CAD 基础知识

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第三章    产品建模技术
3.1 产品建模基本概念
1. 计算机内部表示
现实世界中的物体在计算机内部的描述、存储和表达的数字模型。
2. 建模技术
对于现实世界中的物体，从人们的观察和想象出发，到完成他的计算机内部表示的过程。
3.2  CAD三维几何建模
把真实世界中三维物体的几何形状用一套合适的数据结构来描述，供计算机识别和处理的信息数据模型。
完整地表达点、线、面、体几何信息。
3.2.1 几何建模的基本概念
1. 几何信息：构成几何实体的各个几何元素在欧式空间中的位置和大小。数学表达式：
2. 拓扑信息：构成几何实体的几何元素的数目和他们的连接关系。
基本几何元素：面（F）、边（E）、顶点（V）。以平面立体为例子，其顶点、边、和面的连接关系共有9种：
3. 形体信息：
几何实体在计算机内部通常用6个层次的拓扑来定义：
1) 体  由封闭表面围成的有效空间
2) 壳  由一组连续的面围成，外壳、内 壳。
3) 面  几何实体表面的一部分，具有方向性。
4) 环  有序、有向边组成的面的封闭边界。
5) 边  实体中两个相邻面的边界。
6)  顶点  边的端点，
4. 欧拉检验公式（检验实体有效性的必要条件）
任一形体的欧拉检验公式：
V－E＋F －H＋2P ＝2B
V——顶点数                E——边数
F——面数                B——不连续的形体数
P——形体上的通孔数
H——实体表面边界的内环数
线框模型可以方便地生成物体地工程图、轴侧图和透视图。但是不能生成剖切图，不能做消隐处理。
3.2.3 表面模型
1. 基于线框模型扩充表面模型
自由曲面模型的构造方法：
1.        通过曲线定义曲面.
2.        由控制网络多边形构成曲面
3.        通过插值其它曲面构造曲面
4.        点云直接生成曲面
3.2.4 实体建模（Solid Modeling）
        实体建模是利用一些基本体素，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）生成复杂形体的一种建模技术

        1. 体素的定义及描述
基本体素特点：
        有少量的参数进行控制，如长方体的长、宽、高。不同的建模系统提供的基本体素各有不同，建立基本体素的方法也不是唯一的。
3.  三维实体模型的计算机内部表示法
        三维的实体模型要用一维的计算机数组来表示。
        a) 边界表示法  BRep
             (Boundary Representation)
        用封闭的边界表面围成的空间来表达三维实体对象。
边界表示法的特点：
       详细记录了构成物体的所有几何信息。它的核心信息是平面。边在计算机内部是两次存储，通过边的指向可以标识面的法向。
        优点：面、边、点的信息丰富，对于工程图的生成和图形显示是十分必要的，容易和二维绘图软件和衔接，也容易和曲面建模软件联合应用。
缺点：无法表达物体生成的原始信息，即无法知道原始体素的布尔计算过程。物体信息量太大，有信息冗余。
b) 构造立体几何法  CSG
             (Constructive Solid Geometry)
        通过基本体素和他们的布尔运算来表达三维物体。存储的是物体生成的过程，也称为过程模型。
构造立体几何法特点：
        数据量小；基本体素通过布尔运算可以形成复杂的几何体；对于具有复杂曲线、曲面特征的模型表达有困难。
附加体法：构造立体几何法中物体的局部修改方法。
c) 混合模式（Hybrid Model）
        一个CAD系统里采用了多种数据结构来表达物体，如常见的构造立体几何法与边界表示法的混合。
        在构造立体几何树的节点上再扩充一级边界数据结构，以达到快速显示图形的目的。
3.2.5 参数化建模（Parameter Modeling）
        静态几何造型系统：
        一旦造型完成，几何形体和具体尺寸也就确定，后期的可修改性差。
参数化造型系统：
        先确定草图形状和拓扑关系，尺寸值则由参数控制，可以方便地实现后期的尺寸修改。
参数化建模方法对于系列化产品的计可以提供极大的方便。
        1.  参数化设计的基本概念
        a）用轮廓体现设计思想
        b）尺寸驱动
d）变量驱动
        也叫变量化建模技术，需要同时考虑几何约束（尺寸和拓扑）和工程约束（应力、性能等），将所有设计要考虑的影响因素都设计成可以约束产品几何的变量。这样在建模的同时也可以将产品的性能提前考虑。
2.  尺寸约束和关系式
        尺寸：表达元素的长度、距离半径等
        约束：表达元素之间的特殊关系，如平行、水平、铅垂、相切、共线、同心、固定等
        关系式：表达参数之间的数学关系。
3.  参数化三维造型
        参数化造型的代表是pro / e，建模特点：在参数化二维几何造型的基础上，通过拉伸、旋转、扫描等操作可以设成参数化三维几何造型。
3.2.6 特征建模（Feature Modeling）
        1. 特征的引出：
        以上介绍的几何建模技术提供的几何信息和拓扑信息不足以驱动产品声明周期的全过程。例如CAPP（计算机辅助工艺规划）所需要的产品加工的工艺信息，无法在几何建模技术里面体现。
        而当前集成化智能化的CAX系统要求
产品的几何模型向产品模型发展，产品模型必须带上材料、热处理、加工精度等非几何属性。产品模型为后续的CAX提供了完整的产品原始信息。
        特征建模(Feature Modeling)是建立产品模型的一个重要途径。
        
对于基于特征的造型系统：
        特征是由具有一定拓扑关系的一组实体体素构成的特定形体，它还包括附加在形体之上的工程信息，对应于一个或多个功能，能够被固定的方法加工成型。
        特征是构成零件的基本元素。特征造型是实体造型的一个新发展。
        现在的流行三维CAD系统大多数都采用了特征造型技术。
2. 特征的分类：
        特征要反映机械设计制造的各个方面的信息。
        a）形状特征（Form Feature）        
b）装配特征（Assembly Feature）
        用于表达零件的装配关系，干涉检验，零件的统计信息等。
        c）精度特征（Precision feature）
        表达形状、位置和尺寸公差，表面粗糙度。
        d）材料特征（material feature）
        表达材料的类型、性能、热处理信息。
e）性能分析特征（analysis  feature）
        如用于有限元分析的有限元网络。
        f）补充特征（additional feature）
        用于管理零件的信息。
3. 基于特征的参数建模技术
        将参数化的技术引入特征造型系统里，用尺寸驱动或变量设计的方法定义特征。
        具有代表型的是EDS公司的UG和
I－Deas，还有达索公司的CATIA，国产的CAXA实体设计，金银花等。
      PRO／E是基于参数的特征造型系统。
4. 特征造型的特点和意义
        a）特征造型致力于表达产品的几何信息、建模过程信息、明确的产品设计意图、合理的产品加工信息、产品管理信息。
        b）特征的参数化使产品具有灵活的后期修改能力
        c）可以方便地建立设计、加工和管理的规则库、知识库，是专家系统等智能CAD系统的基础。
3.2.7 三维建模技术的总结
        1. 造型技术的发展：
        线框造型
        表面（曲面）造型
        实体造型
        基于参数的实体造型
        基于特征的参数化造型
        变量化技术的应用
2. 当前CAD系统的建模技术趋势
       采用混合模式，如混合使用线框、曲面、实体元素，混合使用Brep法和CSG法等。
        以精确表示形式存储曲面实体模型。
        引入参数化、变量化建模方法，便于设计修改。
        广泛采用特征建模技术。
3. 强大的动态设计和后期修改能力
        4. 面向产品、面向过程、面向加工的产品生命周期全过程管理（PLM）
3.3  CAD结构建模
        CAD几何建模和特征建模，是面向零件的建模技术。
        无法对产品结构信息进行完整的描述
        现代工业产品的设计要求
–        快速，创新，技术继承，协同设计，柔性设计
        电子样机(虚拟装配)技术可以满足以上结构建模的要求
3.3.1  电子样机（虚拟装配）相关概念
1.        虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程。
2.        虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。
3.虚拟装配模型的数据库只存储零件的文件名及其存储路径，而不存储零件的数据库，保证了零件数据库的唯一性。
3.3.2 虚拟装配基本设计思想及内涵
1. 以设计为中心的虚拟装配
      1）面向装配设计（DFA）　产品研制过程是一项复杂的跨学科、跨部门的系统工程，需要在产品研制初期即设计阶段进行总体的协调，主要是对产品协同工作进程的可行性与合理性分析，并且进行产品主体结构物理装配方案评价。在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想，使设计的产品具有良好的结构，
能高效地进行物理装配，能在产品研制初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。
2）自顶向下（Top—Down）的并行产品设计（CPD）　基于并行产品设计的装配技术支持自顶向下的设计方法，通过自顶向下的并行产品设计可以分层次地建立统一的产品动态电子样机。
2．以过程控制为中心的虚拟装配，实现对产品总体设计进程的控制　
      我们将虚拟装配技术应用于产品设计过程划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段、详细设计阶段。
     1）总体设计阶段   进行产品初步的结构、系统总体布局
2）装配设计阶段　产品模型空间分配（装配区域、装配层次的划分）；具体模型定义（建立几何约束关系、三维实体模型等）；
   3）详细设计阶段　详细设计阶段为产品研制的完善阶段，完成产品三维实体模型的最终设计，进行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。
3. 以仿真为中心的虚拟装配
    在产品装配设计模型中溶入仿真技术，并以此来评估和优化装配过程
   1）优化装配过程　目的是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配单元，使装配单元能并行地进行装配。
2）可装配性评价　主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用，并以此决定产品设计是否需要修改。
3.3.3 虚拟装配基本方法
1.        Top-Down Modeling，自上而下装配
2.        Bottom-Up Modeling，自下而上装配
3.        Mixing and Matching，混合装配
形状特征（Form Feature）是STEP标准中集成资源的一部分。它是符合一定原型（preconceived pattern or stereotype），并与特定应用有关的几何形状；即形状特征同时包含参数化的标准几何形状信息和相应的应用领域的工程信息 。

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产品建模是计算机设计的基础，涉及现实物体在计算机中的数字表示、存储和表达。这一过程从我们的观察和想象出发，转化为计算机内部表示。CAD三维几何建模尤为重要，它能准确描述真实世界中三维物体的几何形状，包括点、线、面、体等几何信息。此外，几何建模还包括几何信息和拓扑信息两部分。前者描述几何元素在欧式空间的位置和大小，后者则描述元素的数目和连接关系。这些基本概念是设计制造汽车零件、组件乃至整车的关键。

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