CAD的特征造型技術

2013-05-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

當工程師使用三維CAD工具制圖時,隨著使用的深入和需求的增加,會遇到這樣那樣的問題。如果我們增加一些對CAD技術基本概念上的認識,就會有助于我們了解設計工具本身,在設計工作細節中避免一些令人費解的問題發生。2007年SolidWorks公司推出了 SWIFT技術,這是一個非常先進的技術。最近SolidWorks公司在其2008新版的軟件中將SWIFT技術又做了進一步的加強。類似的還有proe的行為建模技術,而這些都是從特征造型基礎之上發展而來的優秀技術。
回顧CAD技術發展歷史,在上世紀60年代期間的CAD技術以線框造型為主,其代表的軟件系統為CADAM,技術發展到70年代,CAD技術以曲面造型為主,代表系統是CATIA。上世紀80年代期間的CAD技術以實體造型為主,如I-DEAS。到了上世紀90年代, CAD技術以proe為代表的特征造型技術走在了前面。而自此以后直到現在,還沒有一種完全革命性的突破。關于特征造型,我們首先可以了解一下“特征”的概念。對于特征,沒有統一公認的概念。概括講,它是幾何特征和工程特征的集成,即幾何信息、工程信息及其依賴關系(生成信息)的集成。特征有多種,比如過渡特征、草圖特征、凸臺特征和定位特征。而特征概念中所謂的依賴關系是特征造型和實體造型的最大區別,特征模型紀錄了建模的歷史過程,而實體造型系統僅紀錄了最終的造型結果。
特征造型技術原理主要包括依賴關系、拓撲ID號,特征樹和特征更新等幾個要點。
在特征造型系統中,幾何形體之間可以有依賴關系。而正是這種依賴關系,成為了定義特征的關鍵。依賴關系可以分為顯式、隱式兩大類。給定參數、在定位平面上和以某條線為定位軸等依賴關系都屬于顯式關系,而過渡某條邊(Edge)、在某個面(Face)上打孔和通過一個頂點(Vertex)等依賴關系都是隱式關系。顯式關系容易被我們定義,但是隱式關系定義則不然。在傳統特征造型系統中,隱式關系是利用拓撲元素的永久命名機制來實現的。因此,永久命名機制是傳統特征造型系統的核心技術。
在造型過程中,實體的點、邊、面是自動生成的,與之相關聯的拓撲ID號不是一個簡單的編號。我們對其有一些要求指標。首先是拓撲ID號的唯一性,即在特征系統中每個拓撲元素有唯一的ID號。然后是一致性。一致性體現于在特征的更新過程中ID的編號要始終保持一致。由于我們對拓撲ID號有了以上的要求,就能實現我們將它引入模型中的目的,即解決特征之間的依賴關系問題,實現模型更改時對特征的更新。拓撲ID號的原理是以面為中心的命名。在布爾運算過程中,面相對穩定,若不算分裂和合并,無新面生成;點、邊基本上可用面來區分;多數面的命名可以根據生成條件確定。
我們可以通過特征樹反應依賴關系。當一個特征發生變化后,特征需要重算。這里有個更新原則,即子特征的所有父特征更新之后,該子特征才能更新;任一父特征的更新失敗,其子特征的更新均被認為是失敗的。在proe的早期版本中,對于特征的依賴關系就存在著細節上的錯誤,造成原本唯一的拓撲ID號經過模型修改后無法和新ID相完全對應。

SolidWorks的SWIFT(SolidWorks Intelligent Feature Technology)技術主要包含特征專家(Feature Expert)和草圖專家(Sketch Expert)兩個應用功能。FeatureExpert面對設計過程中越來越多的特征參數與關系,在設計過程中會碰到由于經常的設計修改而使后續眾多的特征參數和關系出現一系列的警告與錯誤等問題。SWIFT好就好在將原來的很多過渡操作的步驟都隱去了,讓操作更為簡單。原來過渡的次序不同可能導致過渡的結果不同。Expert避免讓使用者手動過渡圓弧,軟件將自動幫你選擇過渡次序,保證了過渡結果的正確性,同時提高了效率。

CAD應用中還有一個重要問題是標準問題:目前CAD標準主要有兩個:一個是1979年美國國家標準局(NBS)制定了幾何信息交換標準(IGES)。另一個是1988年國際ISO頒布的產品信息交換標準(STEP)。國內一度對STEP的期望很大。但STEP沒有特征實現方式的定義,沒有拓撲ID號的定義,這是STEP的一個硬傷。美國標準化局的官員Pratt到京訪問時也對這個問題表示認同。如何把CAD系統中的建模信息轉到系統B中。當前不同CAD系統之間的特征信息是不能被完全交換的。這給應用造成很大的困難。比如我了解的一個案例,CATIA在和某CAE系統之間的數據進行傳輸時,由于兩個系統幾何平臺之間對于曲面的定義各不相同,所以對于CATIA中模型的某些特征在傳輸中就遺失或是被錯誤地表達了。

目前特征造型技術仍有不足。比如特征重建時可能會導致錯誤;對于不同的CAD系統,幾何信息可以交換,但特征信息不能交換。另外,對于曲面造型,特征技術也有些許不足。為此又有人提出了新的動態建模改進技術。

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