实体造型

实体造型

实体造型

 

实体造型(Solid modelling) (或造型(modeling)，立体造型)研究物体的立体部分的统一表示，也就是说，立体物体的适合计算机处理的模型。也被称为体造型(volume modeling)。其他的造型方法包括曲面造型(在动画中广泛使用)和线框模型(所表示的立体有歧义)。

实体造型的主要用途是计算机辅助设计，工程分析，计算机图形学和动画，快速原型(rapid prototyping)，医疗测试，和科学研究的可视化(visualization)。

[编辑]基本概念

• 扫掠(Sweeping)
  • 把一个元素沿着一条路径"扫出"的一个立体特征叫做面特征。这些体积要么加到物体上("拉伸(extrusion)")要么切除材料("切割路径(cutter path)").
  • 也叫做'基于草图的造型(sketcher based modelling)'.
  • 和各种制造技术类似，例如挤压(extrusion),铣(milling),车削(lathe)等等。

• 边界表示(Boundary representation)
  • 一个立体可以用其边界表面表达，然后填充成为实体.
  • 也成为'曲面造型surfacing'。
  • 和各种制造技术类似；注模(Injection moulding),铸造(casting)，锻造(forging)，热塑加工(thermoforming)，等等。

• 参数化体素(也称基元)实例化Parameterized primitive instancing.
  • 从一个参数化的体素库中挑出并指定参数得到一个物体
  • 例如，螺栓在库中有一个模型，通过修改它的参数集合这个模型可以用于所有螺栓的尺寸

• 空间占领(Spatial occupancy,或空间枚举)
  • 整个空间子分成规则块(cell，或细胞，胞腔)，物体通过指定它占据了那些块来表示。
  • 这样表示的物体可用于有限差分析
  • 这通常是在模型完成之后作的，作为分析软件的预处理的一部分。

• 分解Decomposition
  • 和"空间占据"类似，但是块可以不规则，也不用"预编织".
  • 这样表示的模型可以用于有限元分析
  • 这通常是在模型完成之后作的，作为分析软件的预处理的一部分。

• 构造实体几何(Constructive solid geometry).
  • 用象并，差，交这样的布尔操作把简单的物体组合起来，通常有树形的等级结构(组合体可以再组合)。

• 基于特征的造型(Feature based modelling)
  • 物体和操作的复杂组合可以作为一个单元一起修改和复制
  • 操作的顺序存储在一個樹狀結構(boolean tree or feature tree)中，参数的改变可以在树中传播(propagate)。

• 参数化造型(Parameteric modelling)
  • 特征的属性被参数化，并给予标签(变量名)而不仅是固定的数字尺寸，整个模型的参数间的关系也记录下来，使得参数值的改变变得更简单。
  • 几乎总是和特征联合使用，称为基于特征的参数化造型系统。

[编辑]实体造型 CAD

因为PC的高速发展和有竞争力的软件价格，实体造型系统在过去十年中成了工程专业的常识课。它们是机器设计者的重要工具。

实体造型软件为机器设计和分析创造了一个虚拟现实。和操作者的界面得到了高度优化，包括可编的宏命令，键盘快捷键和动态模型操作。动态转动模型，实时三维明暗图的功能得到了强调，以帮助设计者维持思考中的三维影像。

设计者通常可以在其他人也在同时工作的时候对模型进行处理。例如，几个人同时设计一台有很多零件的机器。新零件创建后加入到装配模型。每个设计者都可以处理装配模型，并一边工作和加工他们自己的零件。整个设计的演变对所有参与者都是可见的。

一个实体模型通常由一组特征组成，一个一个加上去，直到模型完成。工程实体模型通常主要由基于草图的特征组成；二维草图沿着路径扫掠形成三维特征。这些可以是切割，也可以是拉伸等等。

另一类建模技术是'曲面造型'。其中，先定义曲面，然后裁剪，合并，最后填充成为实体。曲面通常由空间中的数据曲线和很多不同的复杂指令定义。曲面造型更困难，但是对于注模之类的制造技术应用起来更好。注模零件的实体模型通常既有曲面造型也有基于草图的特征。

另一个曲面造型很有优势的例子是车身面板。如果两块面板有不同的曲率半径，并融合在一起，保持切向连续性(意思是融合的表面方向不会突然改变只会光滑的改变)是不够的。在两块区域之间必须有连续的曲率变化率，否则他们的反射看起来会断开。

工程图纸是通过索引实体模型半自动的创建的。

这些软件包的学习曲线很陡，但是能够掌握这些软件的熟练机械设计者会有很高的效率。

实体造型软件(至少)必须做到以下这些:

• 对实体零件建模
• 对零件的装配建模
• 维护零件和装配件的库
• 计算零件和装配件的质量属性
• 反映建造零件所需的'材料表'
• 从实体模型建立工程图纸
• 通过明暗图，转动，隐藏线消除等技术帮助更好的显示模型

多数现代的软件包还包括附加的功能:

• 双向参数关联(任何特征的改变会反映在所有和该特征有关的信息中:图纸，质量属性，装配，等等，反过来也是一样)
• 装配件的运动，碰撞，和间隙检测。
• 专门的附加模块(有限元分析，钣金，曲面造型，管/缆布线，电子部件封装...)
• 控制文档和改版级别的管理
• 模型中包含可编程代码以控制和关联模型的相关属性
• 数控机床的自动编程
• 真实感绘制
• 和其他软件包交换数据用的引入/导出程序
• 可编程的设计学习和优化
• 自动壳特征创建
• 自动轴特征创建
• 高级的视觉分析程序，用于轴，曲率，曲率连续性...

[编辑]参数化实体造型 parametric solid modelling

三维CAD的一场革命始于1989年，当时第一个参数化造型系统T-FLEX在PC上发布了。Pro/ENGINEER也于同年发行。现在大部分实体造型系统都是参数化的。

参数化造型用参数来定义模型(例如尺寸)。参数可以以后修改，模型会更新以反映所作的改动。

例子:一个轴通过拉伸一个圆100mm产生。一个毂装配在其尾端。后来，轴改成200mm长(点击轴，选择长度尺寸，改为200mm)。当模型更新的时候轴变成200mm长，毂会重新定位到它所装配到的那个尾端，工程图纸和质量属性会自动反映所有的变化。

参数的例子有：用于创建模型特征的尺寸，材料密度，描述扫掠特征的公式，引入的数据(例如，描述参照曲面的数据)。

参数化造型和明显也很直观。但是CAD的头三十年却不是这样的。修改就意味着重化，或者在旧模型的上面增加新的切割或伸展。工程图纸上的尺寸不是根据模型显示,而是直接造出来的。

参数化造型功能强大，但是模型建造过程需要相当的技巧。为一个注模零件制作的复杂模型可能包含上千个特征，修改早先建立的特征可能导致后续特征创建失败。有技巧的创建的参数化模型更易于维护和修改。

参数化模型易于数据重用。譬如一整族的带头螺钉可以从一个模型得到。

计算机产生的人物的动画是参数化造型的一个例子。佳佳(Jar Jar Binks,星战人物)用一组定位关键肢体位置的参数描述。模型从这些位置开始建造。对每一帧进行参数修改和模型重建就得到了动画。

[编辑]医用实体造型

现代计算机断层摄影(俗称CT)和核磁共振扫描仪可以为体内特征构造实体模型

医学实体造型的用途:

• 可视化
• 特殊组织的可视化(譬如血管和肿瘤)
• 为快速原型提供实体模型数据(例如，用以辅助外科医生准备困难的手术).
• 把医学实体模型和计算机辅助设计实体模型结合起来(例如，用于设计髋关节替代部件)

[编辑]另见

• 计算机图形学
• 计算几何
• 欧拉边界表示
• 工程图纸
• 草图
• Inventor
• Alibre
• SolidWorks
• Solid Edge
• Pro/ENGINEER
• BRL-CAD
• I-DEAS
• CATIA
• AutoCAD
• Solid3000

[编辑]外部链接

[编辑]商业实体造型系统

• Alibre
• AutoCAD
• Inventor
• Euclid-IS
• Pro/ENGINEER
• Catia
• Unigraphics
• Solid Edge
• Solid Works
• ParaLogix
• Tekla Structures
• SMLib
• KeyCreator
• OpenCascade
• Spatial\'s (SAT format)

[编辑]免费实体造型系统

• BRL-CAD