CAE幾何建模.ppt

第二講幾何建?；A(chǔ) CAE技術(shù)基礎(chǔ) 典型的CAE分析流程 主要內(nèi)容 2 1基本幾何元素2 2幾種典型建模方法2 3Solidworks簡(jiǎn)介2 4上機(jī)實(shí)踐 形體定義輸入 對(duì)形體進(jìn)行平移 比例 旋轉(zhuǎn)等幾何變換的控制 對(duì)形體進(jìn)行局部的或整體的修改 顯示 輸出形體的各種視圖 控制形體表面的光色效應(yīng) 使之更具有真實(shí)感 對(duì)物體進(jìn)行物理特性分析等應(yīng)用處理 通常幾何造型應(yīng)具有的功能 2 1基本幾何元素 1 點(diǎn) Vertex 點(diǎn)是零維幾何元素 也是幾何造型中最基本的元素 用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ) 管理 輸出形體的實(shí)質(zhì)就是對(duì)點(diǎn)集及其連接關(guān)系的處理 點(diǎn)的種類(lèi)包括端點(diǎn) 交點(diǎn) 切點(diǎn) 孤立點(diǎn)等 控制點(diǎn) 也稱(chēng)為特征點(diǎn) 用于調(diào)整和控制曲線(xiàn)或曲面的位置和形狀 但不要求曲線(xiàn)或曲面必須經(jīng)過(guò)控制點(diǎn) 型值點(diǎn) 用來(lái)確定曲線(xiàn)或曲面的位置和形狀 并且要求曲線(xiàn)或曲面必須經(jīng)過(guò)型值點(diǎn) 插值點(diǎn) 為了提高曲線(xiàn)或曲面的輸出精度 或?yàn)榱吮阌谛薷那€(xiàn)或曲面的形狀 在型值點(diǎn)或控制點(diǎn)中間插入的一系列輔助點(diǎn) 在曲線(xiàn)和曲面的造型中還用到三種重要的點(diǎn) 控制點(diǎn) 型值點(diǎn) 插值點(diǎn) C O A B C 2 線(xiàn) 邊 Edge 1維幾何元素 是兩個(gè)鄰面或多個(gè)鄰面的交界 邊又可以分為直線(xiàn)邊 曲線(xiàn)邊 其中直線(xiàn)邊可以通過(guò)起點(diǎn)和終點(diǎn)定界 曲線(xiàn)邊由一系列型值點(diǎn)或控制點(diǎn)來(lái)定義 3 環(huán) Loop 環(huán)是由有序 有向邊 直線(xiàn)或曲線(xiàn)段 組成的面上封閉邊界 環(huán)中各條邊不能自相交 相鄰兩條邊共享一個(gè)端點(diǎn) 3 環(huán) Loop 環(huán)分內(nèi)外環(huán) 確定面的最大外邊界的環(huán)稱(chēng)為外環(huán) 確定面中內(nèi)孔或者凸臺(tái)邊界的環(huán)稱(chēng)為內(nèi)環(huán) 環(huán)也具有方向性 它的外環(huán)邊按照逆時(shí)針?lè)较蚺帕?內(nèi)環(huán)各邊按照順時(shí)針?lè)较蚺帕?環(huán)的方向性 4 面 Face 面是二維幾何元素 是形體上一個(gè)有限 非零的區(qū)域 由一個(gè)外環(huán)和若干個(gè)內(nèi)環(huán)界定 面具有方向性 外環(huán)棱邊 右手法則 一個(gè)面可以沒(méi)有內(nèi)環(huán) 但必須有且只能有一個(gè)外環(huán) 5 體 Object 體是由封閉表面圍成的三維幾何空間 通常把具有維數(shù)一致的邊界所定義的形體稱(chēng)為正則形體 反之則稱(chēng)為非正則形體 幾何形體在計(jì)算機(jī)內(nèi)需要由幾何信息和拓?fù)湫畔⒐餐x任何形體都可以由這五種基本幾何元素按照一定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)和表達(dá) 1 基本幾何元素 2 2典型的幾何建模方法 按照對(duì)幾何信息和拓?fù)湫畔⒌拿枋黾按尜A方法的不同 可以大致分為 線(xiàn)框建模曲面建模實(shí)體建模特征建模參數(shù)化建模 線(xiàn)框建模是利用基本線(xiàn)素來(lái)定義設(shè)計(jì)目標(biāo)的棱線(xiàn)部分而構(gòu)成的立體框架圖 線(xiàn)框建模生成的實(shí)體模型是由一系列的直線(xiàn) 圓弧 點(diǎn)及自由曲線(xiàn)組成 描述的是產(chǎn)品的輪廓外形 在計(jì)算機(jī)內(nèi)部生成三維映像 還可實(shí)現(xiàn)視圖變換及空間尺寸的協(xié)調(diào) 最早應(yīng)用于實(shí)際 并且現(xiàn)在仍應(yīng)用較廣的一種三維幾何模型 1 線(xiàn)框建模 1 線(xiàn)框建模 頂點(diǎn)表 棱線(xiàn)表 線(xiàn)框建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是表結(jié)構(gòu) 在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯的是物體的頂點(diǎn)和棱線(xiàn)信息 立方體的線(xiàn)框模型 1 線(xiàn)框建模 優(yōu)點(diǎn) 所需信息最少 數(shù)據(jù)運(yùn)算簡(jiǎn)單 容易處理 所占的存儲(chǔ)空間也比較小 繪圖顯示速度快 需要的內(nèi)存少 對(duì)硬件要求不高 處理時(shí)間短 缺點(diǎn) 信息不夠充分 容易產(chǎn)生表示物體幾何形狀的多義性 要表現(xiàn)由圓柱 球面等曲面構(gòu)成的立體較困難 要采用輔助線(xiàn)來(lái)表示 描述的結(jié)構(gòu)體無(wú)法進(jìn)行消隱 干涉檢查 物性計(jì)算 1 線(xiàn)框建模 信息不夠充分 容易產(chǎn)生表示物體幾何形狀的多義性 1 線(xiàn)框建模 球面 表面建模是將物體分解成組成物體的表面 邊線(xiàn)和頂點(diǎn) 用頂點(diǎn) 邊線(xiàn)和表面的有限集合來(lái)表示和建立物體的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型 描述方式大致分為 以線(xiàn)框模型為基礎(chǔ)的面模型以曲線(xiàn) 曲面為基礎(chǔ)的面模型 2 表面建模 頂點(diǎn)表 棱線(xiàn)表 立方體的線(xiàn)框模型 以線(xiàn)框模型為基礎(chǔ)的面模型 除給出邊線(xiàn)及頂點(diǎn)的信息之外 增加一張面表 構(gòu)成線(xiàn)框模型 以線(xiàn)框模型為基礎(chǔ)的面模型 直紋面 RuledSurface 以曲線(xiàn) 曲面為基礎(chǔ)的面模型造型方法可分為 以直線(xiàn)為母線(xiàn)如圓柱面 圓錐面 以曲線(xiàn) 曲面為基礎(chǔ)的面模型造型方法可分為 線(xiàn)性拉伸面 母曲 軌直 旋轉(zhuǎn)面 母曲 軸線(xiàn) 母線(xiàn)為曲線(xiàn) 掃描曲面 SweptSurface 掃成面 母曲 軌曲 以曲線(xiàn) 曲面為基礎(chǔ)的面模型造型方法可分為 復(fù)雜曲面 ComplexSurface 先確定曲面上特定的離散點(diǎn) 型值點(diǎn) 的坐標(biāo)位置 通過(guò)擬合使曲面通過(guò)或逼近給定的型值點(diǎn) 得到相應(yīng)的曲面 局面的參數(shù)方程不同 就可以得到不同類(lèi)型及特性的曲面 常見(jiàn)的復(fù)雜曲面有孔斯曲面 貝塞爾曲面 B樣條曲面等 不能描述零件內(nèi)部的信息 不能表示設(shè)計(jì)對(duì)象的表面積 體積 重心 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等幾何特性 表面模型在形體表示上仍缺乏完整性 可計(jì)算面積 可以作為板 殼單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 在提供三維實(shí)體信息的完整性 嚴(yán)密性方面 表面造型比線(xiàn)框造型前進(jìn)了一大步 能夠比較完整地定義三維立體的表面 表面造型可以為CAD CAE CAM中的其他場(chǎng)合提供數(shù)據(jù) 2 表面建模 實(shí)體建模是定義一些基本體素 通過(guò)基本體素的集合運(yùn)算或變形操作生成復(fù)雜形體的一種建模技術(shù) 其特點(diǎn)在于三維立體的表面與其實(shí)體同時(shí)生成 常見(jiàn)的實(shí)體造型方法 體素構(gòu)造法掃描法邊界表示法 3 實(shí)體建模 體素法 ConstructiveSolidGeometry CSG 實(shí)體模型的構(gòu)造常常采用在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)一些基本體素 如長(zhǎng)方體 圓柱體 球體 錐體 圓環(huán)體以及掃描體等 通過(guò)集合運(yùn)算 布爾運(yùn)算 生成復(fù)雜形體 實(shí)體建模主要包括兩部分 即體素的定義及描述和體素的運(yùn)算 并 交 差 體素 基本體素 體素是現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)的三維實(shí)體 用一些確定的尺寸參數(shù)控制其最終形狀的單元實(shí)體 常見(jiàn)的基本體素有長(zhǎng)方體 球 圓柱 圓錐 圓環(huán) 錐臺(tái)等 集合運(yùn)算 幾何建模中的集合運(yùn)算類(lèi)似于集合論中的交 Intersection 并 Union 差 Difference 等運(yùn)算 是用來(lái)把簡(jiǎn)單形體 體素 組合成復(fù)雜形體的工具 形體 邊界和內(nèi)部點(diǎn)的集合 也應(yīng)是有邊界和內(nèi)部子集的閉合點(diǎn)集 并應(yīng)保持初始形狀的維數(shù) 集合運(yùn)算 集合運(yùn)算 集合論下的求交運(yùn)算 A B 正則集合下的求交運(yùn)算 C A B C A B 集合運(yùn)算 常規(guī)的集合運(yùn)算并 交 差用符號(hào) 表示 在常規(guī)的集合運(yùn)算下 可能會(huì)產(chǎn)生非正則集 所以通常的集合運(yùn)算不適合于幾何造型 需要定義新的集合算子 使得正則集在新的算子下保持封閉性和維數(shù)一致性 我們稱(chēng)這種算子為正則集合算子 用符號(hào) 表示 集合運(yùn)算 交 并 交集 形體C包含所有A B共同的點(diǎn) 并集 形體C包含A與B的所有點(diǎn) C A B B A C A B B A 集合運(yùn)算 差集 形體C包含從A中減去A和B共同點(diǎn)后的其余點(diǎn) 差 C A B 但 B A 集合運(yùn)算 a 定義基本體素 b 運(yùn)算順序 1 2 3 4 集合運(yùn)算 1 2 3 4 交 2 1 3 4 集合運(yùn)算 CSG樹(shù) 樹(shù)葉為基本體素 結(jié)點(diǎn)為集合運(yùn)算 最上面的結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著被建模的物體 如圖所示 同一個(gè)物體完全可以通過(guò)定義不同的基本體素 經(jīng)過(guò)不同的集合運(yùn)算加以構(gòu)造 掃描法 對(duì)于表面形狀較復(fù)雜 難以通過(guò)定義基本體素加以描述的物體 可通過(guò)定義基體 利用基本的掃描操作實(shí)現(xiàn)物體建模 這種構(gòu)造實(shí)體的方法稱(chēng)為掃描法 掃描法可分為平面掃描和整體掃描兩種 平面掃描 二維輪廓作為掃描基體 整體掃描 三維實(shí)體作為掃描基體 邊界表示法 邊界表示法 BoundaryReprsentation B Rep 將實(shí)體定義為由封閉的邊界表面圍成的有限空間 邊界表示法強(qiáng)調(diào)實(shí)體外表的細(xì)節(jié) 包含描述三維實(shí)體所必需的幾何信息和拓?fù)湫畔?實(shí)體的大小 尺寸 形狀及位置 實(shí)體的頂點(diǎn) 邊與表面之間的連接關(guān)系 3 實(shí)體建模 能夠完整描述物體的所有幾何信息 可確定物體的物性參數(shù) 可根據(jù)實(shí)體模型生成該實(shí)體的多向視圖和剖面圖 實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)邊的判斷 具有消隱功能 4 特征建模 廣義的特征可以理解為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各種信息的載體 如零件的幾何信息 拓?fù)湫畔?形位公差 材料 裝配 熱處理 表面粗糙度 狹義的特征可以理解為具有一定拓?fù)湫螤畹囊唤M實(shí)體體素所構(gòu)成的特定形體 4 特征建模 形狀特征 FormFeature 裝配特征 AssemblyFeature 精度特征 PrecisionFeature 材料特征 MaterialFeature 性能分析特征 AnalysisFeature 補(bǔ)充特征 AdditionalFeature 描述具有一定工程意義的幾何形狀信息 表達(dá)零部件的裝配關(guān)系 描述產(chǎn)品幾何形狀 尺寸的許可變動(dòng)量及其誤差 描述材料的類(lèi)型 性能及熱處理等信息 也稱(chēng)為技術(shù)特征 用于表達(dá)零件在性能分析時(shí)所使用的信息 也稱(chēng)為管理特征 用于表達(dá)一些與上述特征無(wú)關(guān)的產(chǎn)品特征 5 參數(shù)化建模 其核心是參數(shù)和約束間的關(guān)系 當(dāng)參數(shù)變化的時(shí)候 根據(jù)原有的關(guān)系就可以得到新的幾何模型 基于約束的實(shí)體建模技術(shù) 具有以下特點(diǎn) 基于特征全數(shù)據(jù)相關(guān)尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改 2 3工具軟件Solidworks簡(jiǎn)單介紹 SolidWorks機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件是一個(gè)基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模設(shè)計(jì)工具 它具有圖形用戶(hù)界面易于掌握的優(yōu)點(diǎn) 可以創(chuàng)建完全關(guān)聯(lián)的三維實(shí)體模型 帶有或不帶有約束 可以利用自動(dòng)的或用戶(hù)定義的關(guān)聯(lián)來(lái)捕捉設(shè)計(jì)意圖 基于特征 設(shè)計(jì)樹(shù) 特征在設(shè)計(jì)樹(shù)列表中的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系 參數(shù)化 實(shí)體模型 全相關(guān) 約束 設(shè)計(jì)意圖 設(shè)計(jì)意圖的實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)意圖舉例 設(shè)計(jì)意圖舉例 層疊蛋糕法制陶轉(zhuǎn)盤(pán)法制造法 關(guān)于不可選圖標(biāo) 關(guān)于預(yù)選 關(guān)于工程圖尺寸 草圖中標(biāo)注的尺寸特征操作中定義的尺寸 可以直接插入到工程圖工程圖