三维CAD核心技术及发展趋势

(1)什么是参数化设计h4>

无论多么复杂的几何模型,都可以分解成有限数量的构成特征,每个构成特征则又可以用有限的参数完全约束,这是参数化设计的基本前提。

根据1994年邹定国《参数化设计》中的定义:参数设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。这些重要的几何参数包括控制形体大小的尺寸和定位形体的方向矢量等。

从技术层面来讲,三维几何建模引擎的出现让参数化设计成为可能,它使得图形的修改变得非常容易。那么,参数化设计解决了什么样需求呢。当我们的产品设计经过反复论证后,大致构造已经基本确定了,我们希望把这个产品做成一个系列,以后的产品可以直接在它的基础上迭代,提高建模效率,于是将模型设计中的定量数据变量化就成了一个有效的方式。
参数化技术的关键点之一在于约束。约束可分为几何约束工程约束,其中几何约束包括了结构约束(平行、垂直、重合、相切、对称等)和尺寸约束(距离、半径、角度等);而工程约束是指尺寸之间的约束关系,通过定义它们在数值或逻辑上的关系来表达。

如果按照表示物体的方法进行分类,实体模型基本上可以分为分解表示、构造表示CSG(Constructive Solid Geometry)和边界表示B-Rep(Boundary Representation)三大类。
CSG建模法,一个物体被表示为一系列简单的基本物体(如立方体、圆柱体、圆锥体等)的布尔操作的结果,数据结构为树状结构。而B-Rep的一个物体被表示为许多曲面(例如面片,三角形,样条)粘合起来形成封闭的空间区域,按照体-面-环-边-点的层次,详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接的拓扑关系。

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类别 优点 缺点
CSG 造型简单,易实现,可转换成其他表示方法,便于用户输入形体 不能直接获取形体几何元素的信息
B-Rep 记录了实体所有几何和拓扑信息 缺乏实体生成过程信息,数据存储量大

二、核心技术及难点

(1)三维几何建模引擎

  • 几何要素多
  • 功能多:拉伸、旋转、扫掠、放样、填充、桥接、布尔等
  • 鲁棒、精确且高效
  • 对参数化的支持:特征建模、拓朴命名
  • 兼容性、可扩展性

(2)几何约束求解器

包括草图中的2D几何约束求解器,装配中的3D几何约束求解器。

  • 几何欠约束系统的优化匹配
  • 几何约束冗余性判定
  • 大规模约束方程组求解

(3)参数化机制

  • 实现草图、零件、工程图、三维标注等功能的联动
  • 应用层机制:拓朴命名、undo/redo、数据管理
  • 与“直接建模”融合

(4)显示和渲染

  • 操作性、流畅度
  • 拾取:捕捉、导航
  • 显示技术:OpenGL、Shader
  • 系统依赖:MFC、.NET、QT

三、发展趋势

  • 技术变化:互联 、云计算
  • 设计模式变化:从单机离线到多人协同
  • 制造规模变化:超大规模、超复杂度
    CAD前沿### 四、参考资料
    参数化3D建模实例
    《基于特征的参数化设计方法》-郭连水
    《参数化设计》-邹定国
    三维参数化设计探究-参数化方法论
    CAD/CAM中的特征技术综述
    三维几何建模-1
    边界表示法.ppt

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