工业产品构造复杂形态建模范文

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工业产品的设计包含了工程设计与工业设计两大方面的设计内容。目前产品的设计都普遍使用了CAD技术,利图1工业产品的设计流程用CAD可以很好地整合工程设计与工业设计。从图1所示的设计流程来看,形态设计占据着一个重要的位置。产品的形态对结构、功能、宜人性、美观性及产品的生产制造等方面都有重大的影响,而且要经过多次的评价和反复修改,因此如何能够快速、准确、真实地建立产品的三维模型是产品设计中的一个重要问题。

1复杂形态建模方法比较

产品形态的建模与机械设计的建模相比,最大的区别是机械设计中零件形态以标准解析形态(如柱面、球面、锥面等)为主,而产品形态设计中复杂的自由曲面形态占据主要的地位。标准解析形态用许多设计软件所具有的体素造型方法就能满足要求,而复杂曲面的建模则是一个相当复杂的问题,首先复杂的曲面不可能用几个基本的尺寸就确定下来,也不能用几个视图的投影形态来确定;其次复杂曲面的建模需要使用大量的计算机辅助几何设计知识和建模技巧。从目前的国内外研究情况来看,各种高端软件中都不同程度地提供了自由形态建模的造型工具,最为典型的方法有以下几种:(1)面片建模。通过把曲面分解成大量的面片(平面或曲面)来表示自由复杂形态,通过修改面片及其控制顶点的空间位置和控制矢量来改变形体的外观。(2)网格建模。将所要建立的模型划分为网格,在表面曲率变化越大的地方网格划分就越细,同时根据不同的要求改变网格密度。网格形体分为形体、网格表面、网线、网格点,四个层次的子物体,用户可根据需要在任一层次上进行修改,从而改变整体的形状。(3)样条建模方法。可细分为Bezier,B样条和NURBS(Non-UniformRationalB-Spline,即非均匀有理B样条)方法。其中NURBS方法是目前功能最强、造型能力最好,又最易于修改的自由曲面建模方法。在1991年国际标准化组织颁布的STEP标准中,NURBS被确定为工业产品造型设计的标准方法。目前的高级三维设计软件中都不同程度地支持这种建模方法。NURBS曲线的数学方程为C(u)=∑ni=0Ni,p(u)ωiPi∑ni=0Ni,p(u)ωiaub式中:Pi是控制顶点;ωi为相应的权重;Ni,p(u)为定义在节点矢量u上的p阶B样条基函数。NURBS方法主要具有如下几个优点:①统一表示了标准解析形状和自由形状;②具有B样条、Bezier的所有优点,如局部性、凸包性、变差减少性、仿射不变性等;③权重ωi的引入,在形状控制方面有了更大的灵活性。

2工作平台的选择

进行三维形态的设计的最佳硬件、软件平面台是使用工作站系统。工作站具备图形设计必备的高速计算和高质量画质的特点,工作站上的软件拥有最强大的复杂形态造型功能,并能轻易整合CAD、CAE、NC,是产品设计的理解工作平台。典型的工作站设计系统配置为:SGI的OC-TANE工作站加MAYA及PRO-ENGCNEER软件。要配置一套较为完善的工作站系统,至少需要十几万美元,这是一般的中小企业和研究机构难以承受的。目前我国大量的CAD设计平台还在微机上,并已有了大量的研究及应用成果。微机具有投资小,灵活多变,便于升级的特点,近年来的发展非常迅速,只要我们对市场有清楚的了解并且合理配置,是可用较少的投入取得较好的工作环境。现在如果选用双CPU主板配以两块PⅢ500,512MB内存,加上ELSAGloriaSynergy显卡、17"SONY特丽珑显示器,投入不足2万元人民币,即可获得近似工作站级的性能。微机平台的三维设计软件要数3DSTUDIOMAX最为流行了,它是一个运行于NT环境下的面向对象的多线程、可充分发挥对称多处理器和任意网络渲染能力的强大软件。3DSMAX中加入了NURBS模块,且具备良好的开放性,并在3.0版后可利用世界顶级渲染器——智能图像公司的MentalRay进行着色,使该软件的综合能力有了大大增强。但是3DSMAX也存在许多不足,对于产品设计而言,这些不足主要体现在:①软件的建模精度不够高;②其NURBS造型能力比其它优秀软件来说还不够强大;③在3DSMAX中用NURBS建模时,软件的运行速度会下降许多,当你要做更为复杂的产品模型时,这种现象更为明显。另一套完全基于NURBS的纯造型软件Rhinoceros(又称RHINO3D)是PC机上功能强劲的建模工具,其设计团体是原来的AliasDesignStudio的程序设计师,其Be-ta测试版历经一年半的网上自由测试,是有史以来最严格的自由测试软件。Rhinoceros的界面和使用方法与Auto-CAD极为相似,且对系统要求不高,最新的2.0版售价仅为799美元。该软件建模功能强大,支持大量的数据文件格式(如:*.igs,*.dwg,*.dxf,*.stl,*.3ds,*.obj,*.wrl,*.rib等),与其它软件交换数据非常方便,能方便地整合3DSTUDIOMAX的建模部分,非常适合于要求精度高且复杂的产品三维造型,因此可把之作为3DSMAX建模的一个有力补充。

3典型工作流程

基于以上的讨论,我们提出了一个进行工业产品复杂形态设计的典型工作流程:(1)首先在Rhinoceros中用其强大的NURBS造型工具对复杂的、主要的形态进行设计。(2)将Rhinoceros中做好的的模型以IGES或3DS格式导入到3DSTUDIOMAX中。(3)利用3DSTUDIOMAX中体素、面片、网格等方法中进行辅助形态的建模。(4)设定产品各部分的材质、定义环境等真实感计算所需参数。(5)渲染效果并进行真实感显示。以下,我们以汽车车轮的设计为例,简述整个过程:图2轮毂断面曲线图3轮毂内部孔洞形状曲线(1)首先在Rhinoceros中创建轮毂断面曲线及内部孔洞形状曲线(如图2、3);(2)创建轮毂的NURBS曲面;(3)将内孔形状投影到曲面上,并修剪曲面(如图4);(4)利用Rhinoceros强大的曲面编辑工具制作内孔过渡曲面、螺钉孔及倒角曲面(如图5);图6完整的车轮模型(5)将所得轮毂形状以IGES格式输入3DSMAX中;(6)在3DSMAX中制作车胎、螺钉、碟刹等辅助部件;图7最终渲染效果(7)设定车轮各部份的材质(如图6)。在车轮毂部分使用了光线跟踪材质,它能逼真地模拟金属物体表面反射周围环境的特性,产生很强的金属感;在轮胎部份,使用轮胎防滑花纹作凸凹贴图,模拟轮胎表面细腻的纹理;(8)渲染生成最终效果(可利用MENTALRAY如图7所示)。

4结束语

工业产品的设计中,如何精确、快速地进行复杂三维形态的建模及真实感显示一直是设计人员需解决的重要问题。我们在长期的设计及教学实践中,使用了多种形态设计方法和途径,经过不断的比较和筛选,提出了上述方法。实践证明,这是一种投资少,能很好满足产品设计中精确建模及快速真实感显示要求的方法,且经济、实用、有效,有较好的应用前景和推广价值。