CAD的特征造型技術(shù)

2013-05-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

當(dāng)工程師使用三維CAD工具制圖時,隨著使用的深入和需求的增加,會遇到這樣那樣的問題。如果我們增加一些對CAD技術(shù)基本概念上的認(rèn)識,就會有助于我們了解設(shè)計工具本身,在設(shè)計工作細(xì)節(jié)中避免一些令人費解的問題發(fā)生。2007年SolidWorks公司推出了 SWIFT技術(shù),這是一個非常先進(jìn)的技術(shù)。最近SolidWorks公司在其2008新版的軟件中將SWIFT技術(shù)又做了進(jìn)一步的加強。類似的還有proe的行為建模技術(shù),而這些都是從特征造型基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的優(yōu)秀技術(shù)。
回顧CAD技術(shù)發(fā)展歷史,在上世紀(jì)60年代期間的CAD技術(shù)以線框造型為主,其代表的軟件系統(tǒng)為CADAM,技術(shù)發(fā)展到70年代,CAD技術(shù)以曲面造型為主,代表系統(tǒng)是CATIA。上世紀(jì)80年代期間的CAD技術(shù)以實體造型為主,如I-DEAS。到了上世紀(jì)90年代, CAD技術(shù)以proe為代表的特征造型技術(shù)走在了前面。而自此以后直到現(xiàn)在,還沒有一種完全革命性的突破。關(guān)于特征造型,我們首先可以了解一下“特征”的概念。對于特征,沒有統(tǒng)一公認(rèn)的概念。概括講,它是幾何特征和工程特征的集成,即幾何信息、工程信息及其依賴關(guān)系(生成信息)的集成。特征有多種,比如過渡特征、草圖特征、凸臺特征和定位特征。而特征概念中所謂的依賴關(guān)系是特征造型和實體造型的最大區(qū)別,特征模型紀(jì)錄了建模的歷史過程,而實體造型系統(tǒng)僅紀(jì)錄了最終的造型結(jié)果。
特征造型技術(shù)原理主要包括依賴關(guān)系、拓?fù)銲D號,特征樹和特征更新等幾個要點。
在特征造型系統(tǒng)中,幾何形體之間可以有依賴關(guān)系。而正是這種依賴關(guān)系,成為了定義特征的關(guān)鍵。依賴關(guān)系可以分為顯式、隱式兩大類。給定參數(shù)、在定位平面上和以某條線為定位軸等依賴關(guān)系都屬于顯式關(guān)系,而過渡某條邊(Edge)、在某個面(Face)上打孔和通過一個頂點(Vertex)等依賴關(guān)系都是隱式關(guān)系。顯式關(guān)系容易被我們定義,但是隱式關(guān)系定義則不然。在傳統(tǒng)特征造型系統(tǒng)中,隱式關(guān)系是利用拓?fù)湓氐挠谰妹麢C制來實現(xiàn)的。因此,永久命名機制是傳統(tǒng)特征造型系統(tǒng)的核心技術(shù)。
在造型過程中,實體的點、邊、面是自動生成的,與之相關(guān)聯(lián)的拓?fù)銲D號不是一個簡單的編號。我們對其有一些要求指標(biāo)。首先是拓?fù)銲D號的唯一性,即在特征系統(tǒng)中每個拓?fù)湓赜形ㄒ坏腎D號。然后是一致性。一致性體現(xiàn)于在特征的更新過程中ID的編號要始終保持一致。由于我們對拓?fù)銲D號有了以上的要求,就能實現(xiàn)我們將它引入模型中的目的,即解決特征之間的依賴關(guān)系問題,實現(xiàn)模型更改時對特征的更新。拓?fù)銲D號的原理是以面為中心的命名。在布爾運算過程中,面相對穩(wěn)定,若不算分裂和合并,無新面生成;點、邊基本上可用面來區(qū)分;多數(shù)面的命名可以根據(jù)生成條件確定。
我們可以通過特征樹反應(yīng)依賴關(guān)系。當(dāng)一個特征發(fā)生變化后,特征需要重算。這里有個更新原則,即子特征的所有父特征更新之后,該子特征才能更新;任一父特征的更新失敗,其子特征的更新均被認(rèn)為是失敗的。在proe的早期版本中,對于特征的依賴關(guān)系就存在著細(xì)節(jié)上的錯誤,造成原本唯一的拓?fù)銲D號經(jīng)過模型修改后無法和新ID相完全對應(yīng)。

SolidWorks的SWIFT(SolidWorks Intelligent Feature Technology)技術(shù)主要包含特征專家(Feature Expert)和草圖專家(Sketch Expert)兩個應(yīng)用功能。FeatureExpert面對設(shè)計過程中越來越多的特征參數(shù)與關(guān)系,在設(shè)計過程中會碰到由于經(jīng)常的設(shè)計修改而使后續(xù)眾多的特征參數(shù)和關(guān)系出現(xiàn)一系列的警告與錯誤等問題。SWIFT好就好在將原來的很多過渡操作的步驟都隱去了,讓操作更為簡單。原來過渡的次序不同可能導(dǎo)致過渡的結(jié)果不同。Expert避免讓使用者手動過渡圓弧,軟件將自動幫你選擇過渡次序,保證了過渡結(jié)果的正確性,同時提高了效率。

CAD應(yīng)用中還有一個重要問題是標(biāo)準(zhǔn)問題:目前CAD標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個:一個是1979年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)制定了幾何信息交換標(biāo)準(zhǔn)(IGES)。另一個是1988年國際ISO頒布的產(chǎn)品信息交換標(biāo)準(zhǔn)(STEP)。國內(nèi)一度對STEP的期望很大。但STEP沒有特征實現(xiàn)方式的定義,沒有拓?fù)銲D號的定義,這是STEP的一個硬傷。美國標(biāo)準(zhǔn)化局的官員Pratt到京訪問時也對這個問題表示認(rèn)同。如何把CAD系統(tǒng)中的建模信息轉(zhuǎn)到系統(tǒng)B中。當(dāng)前不同CAD系統(tǒng)之間的特征信息是不能被完全交換的。這給應(yīng)用造成很大的困難。比如我了解的一個案例,CATIA在和某CAE系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時,由于兩個系統(tǒng)幾何平臺之間對于曲面的定義各不相同,所以對于CATIA中模型的某些特征在傳輸中就遺失或是被錯誤地表達(dá)了。

目前特征造型技術(shù)仍有不足。比如特征重建時可能會導(dǎo)致錯誤;對于不同的CAD系統(tǒng),幾何信息可以交換,但特征信息不能交換。另外,對于曲面造型,特征技術(shù)也有些許不足。為此又有人提出了新的動態(tài)建模改進(jìn)技術(shù)。

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