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航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建模技術(shù)發(fā)展綜述 已有1人參與
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制造業(yè)是國民經(jīng)濟的命脈，而設計是產(chǎn)品研制的第一道工序，設計工作的質(zhì)量和水平直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和技術(shù)經(jīng)濟效益[1-2]。因此，要提高產(chǎn)品的市場競爭能力，設計起著關鍵性作用。 產(chǎn)品設計總體上可分為兩個過程：產(chǎn)品建模和分析評價，見圖1。產(chǎn)品建模是根據(jù)功能、性能、工藝和人機環(huán)境等設計要求（工程約束），應用科學的原理、知識和經(jīng)驗，通過逐步的構(gòu)思、計算和表示以獲得滿足這些需求的產(chǎn)品模型的過程。分析評價是在得到產(chǎn)品模型后，通過理論計算、CAE 仿真、實物試驗等方式驗證模型是否滿足設計要求，進而通過優(yōu)化設計以更好地滿足設計要求的過程。產(chǎn)品建模與分析評價共同構(gòu)成了產(chǎn)品設計過程，其中前者解決產(chǎn)品設計結(jié)果“有無”問題，后者解決產(chǎn)品設計結(jié)果“好壞”問題。 產(chǎn)品模型是設計要求和工程約束的具體載體。在現(xiàn)代數(shù)字化設計制造環(huán)境下，產(chǎn)品模型是產(chǎn)品設計過程的最終產(chǎn)物，并且隨著CAD/CAE 集成優(yōu)化設計、三維標注以及設計制造一體化建模等新技術(shù)的融入，產(chǎn)品模型已成為工程分析、優(yōu)化設計、工藝規(guī)劃、數(shù)控編程、虛擬裝配等后續(xù)環(huán)節(jié)的依據(jù)和數(shù)據(jù)源頭[3]。 廣義的產(chǎn)品模型可以分為3 大類： 結(jié)構(gòu)模型、性能模型和過程模型[4]。結(jié)構(gòu)模型是性能模型、過程模型等廣義產(chǎn)品模型的基礎，是產(chǎn)品性能的載體，是產(chǎn)品設計過程的最終結(jié)果，因此也是本文討論的主要對象。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型是數(shù)字化設計制造技術(shù)實現(xiàn)的基石和保障，在產(chǎn)品的整個設計體系中占有重要地位，因而對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建模技術(shù)的發(fā)展脈絡進行梳理，把握其發(fā)展方向具有重要意義。 面向結(jié)果的建模技術(shù) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建模技術(shù)是計算機輔助設計（CAD）技術(shù)的重要組成部分，并且隨著建模需求的增長和相關技術(shù)的成熟而不斷向前發(fā)展。 設計目標、建模過程和產(chǎn)品模型（建模結(jié)果）是產(chǎn)品建模的3 個要素。其中，設計目標是建模的起點，產(chǎn)品模型是建模的終點。而產(chǎn)品建模技術(shù)的發(fā)展卻正好與之相反，經(jīng)歷了從面向結(jié)果的建模到包含過程的建模，并逐漸向面向目標的建模邁進的歷程。 面向結(jié)果的CAD 系統(tǒng)忠實記錄設計完成后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、形狀、位置、裝配關系、工藝要求等最終設計結(jié)果。模型中各個幾何和非幾何元素的尺寸和位置相對固定，各元素之間沒有約束關系，也不含有建模歷史。修改設計需要刪除相關幾何元素，再重新繪制，較為困難[5]。這類建模技術(shù)只記錄了最后結(jié)果，而未記錄建模過程信息。圖3 為某減速器輸入軸工程圖，是面向結(jié)果的建模實例。 面向結(jié)果的建模技術(shù)包括：二維繪圖、實體建模、曲面建模、三維標注等。 1 二維繪圖 二維繪圖是面向結(jié)果的建模的早期形態(tài)。傳統(tǒng)上使用一個或多個二維視圖表達零件及裝配體，并通過手工方式將這些視圖繪制在圖紙上。二維繪圖系統(tǒng)就是應用計算機技術(shù)取代手工繪圖，以解決手工繪圖存在的工作量大、效率不高、圖形精度低等問題。其主要技術(shù)包括基本圖形的光柵化繪制算法、求交算法、兩圖形間的包含判定算法、圖形裁剪算法、區(qū)域填充算法、圖形的坐標變換等[6]。但是，二維繪圖技術(shù)并未解決用二維視圖表示零件存在的不直觀、不完整等局限性。因此，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們很自然地提出了用實體及自由曲面的方式在三維空間中直接表示產(chǎn)品形狀。 2 實體建模 實體是封閉的三維形體，它將整個三維空間分成實體內(nèi)部、實體外部和實體邊界上3個部分[7]。因而利用實體模型可以計算模型的體積、慣性矩等整體屬性，可以進行干涉檢查和碰撞檢測，還可以應用有限元分析等方法對模型進行力學仿真。在CAD 領域，有3種比較常見的實體建模方法，即構(gòu)造實體幾何（CSG）方法、邊界表示（B-Rep）方法和八叉樹（Octree）方法。 3 曲面建模 利用邊界表示方法和構(gòu)造實體幾何方法已經(jīng)可以表示復雜多面體，但若要構(gòu)建更為復雜的包含自由曲線曲面的模型，還需要在兩者基礎上附加曲線、曲面的建模方法。 對自由曲線曲面描述方式的研究始于航空和汽車工業(yè)。1963 年美國波音公司的Ferguson 首先提出用參數(shù)形式的矢量函數(shù)來表示曲線曲面[8]，從此這成為曲線曲面形狀數(shù)學描述的標準形式。1971 年，法國Renault 汽車公司的Bézier 提出了一種由控制多邊形定義曲線的方法[9] ：設計人員只需移動控制頂點就可方便地修改曲線的形狀，而且形狀的變化完全在預料之中。1974 年，美國通用汽車公司的Gordon 和Riesenfeld 在研究Bézier 方法的基礎上，引入了B 樣條方法[10]。它在兼具Bézier 方法幾乎全部優(yōu)點的基礎上，還具有局部性，便于修改。1975 年，Versprille 在其博士論文中將B 樣條方法推廣到有理情形，首先提出了非均勻有理B 樣條（Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS）的概念[11]，解決了B 樣條曲線曲面無法精確表示圓錐曲線和初等解析曲面的問題，從此NURBS 逐漸成為工業(yè)界描述產(chǎn)品自由曲線曲面形狀的標準方法。2003 年，Sederberg 提出了T 樣條方法[12]，T 樣條允許控制網(wǎng)格中出現(xiàn)T 型控制點，從而為產(chǎn)品形狀描述提供了又一個有力工具。 4 三維標注 實體建模與曲面建模技術(shù)的有機結(jié)合可以精確表示設計過程中產(chǎn)品模型的幾何形狀，但由于沒有有效的制造工藝信息的三維表示方法，在后續(xù)的產(chǎn)品加工、檢測過程中仍需要二維工程圖、工藝單等作為輔助，從而帶來了重復工作多（需要從三維模型轉(zhuǎn)為二維工程圖），數(shù)據(jù)源的多元性難以保證數(shù)據(jù)的一致性，修改不便等問題。 為解決上述問題，1997 年波音公司發(fā)起了三維標注技術(shù)及其標準化的研究，2003 年形成美國國家標準ASMEY14.41-2003《數(shù)字化產(chǎn)品定義規(guī)程》。緊接著Dassault、UGS、PTC 等公司分別在自己的CAD 產(chǎn)品中實現(xiàn)了三維標注技術(shù)[13]，該技術(shù)的出現(xiàn)使得產(chǎn)品設計和制造過程最終擺脫二維工程圖的束縛成為可能。 閱讀全文  微信掃描左側(cè)二維碼，關注航空制造網(wǎng)，分享更多最新航空制造技術(shù)知識 |
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2樓2016-04-07 05:13:14
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