工業(yè)軟件行業(yè)專題報(bào)告：工業(yè)軟件底層技術(shù)剖析

1、工業(yè)軟件行業(yè)專題報(bào)告：工業(yè)軟件底層技術(shù)剖析1.工業(yè)軟件模塊化，國(guó)產(chǎn)替代“道阻且長(zhǎng)”根據(jù)財(cái)經(jīng)十一人公眾號(hào)，汽車裝配流水線上，不同的組件由不同的部門專門生產(chǎn)，最后統(tǒng) 一裝配，如今的工業(yè)軟件也擁有著這樣的生產(chǎn)模式。工業(yè)軟件逐漸模塊化，擁有復(fù)雜且相 互關(guān)聯(lián)的組成單元。常見的工業(yè)軟件產(chǎn)品中，大多是基于全球供應(yīng)鏈開發(fā)，企業(yè)主要聚焦 自己的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，公司之間通力合作而實(shí)現(xiàn)。CAD 軟件，如 SolidWorks、Solid Edge、Inventor，一般要用到 70 個(gè)組件以上，核心組件 包括幾何內(nèi)核（主要有西門子 Parasolid，達(dá)索 ACIS），幾何約束求解器（主要有西門子 DCM）， 圖形組件（

2、主要有 TECH SOFT 3D），數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（主要有達(dá)索與 Tech Soft 3D）等，大部 分 CAD 軟件的基礎(chǔ)框架都是基于這幾款基礎(chǔ)組件。CAE 軟件需要網(wǎng)格剖分器的組件（主要有 Distene 的 MeshGems）。CAM 軟件需要涉及到 加工路徑的組件（主要有德國(guó)的 ModuleWorks 與英國(guó)的 MachineWorks）。CATIA、NX、 Creo 等高端多學(xué)科 MCAD 會(huì)涉及更多的組件，其中有不少核心組件來(lái)自于第三方，甚至 有些組件會(huì)來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。幾何內(nèi)核：幾何內(nèi)核是 CAD 最基礎(chǔ)的核心組件，也是我們國(guó)家目前最關(guān)注的領(lǐng)域，主要 的建模方式包括線框建模、曲面建模、實(shí)

3、體建模、特征建模等。目前幾何內(nèi)核的兩大主要 陣營(yíng)為西門子的 Parasolid（全球 200 多家客戶）和達(dá)索的 ACIS（全球 100 多家客戶）。幾何約束求解器：廣泛應(yīng)用在草圖輪廓表達(dá)、零件建模參數(shù)表達(dá)、裝配約束以及碰撞檢查 等場(chǎng)景中，為快速確定設(shè)計(jì)意圖表達(dá)、檢查干涉、模擬運(yùn)動(dòng)提供了強(qiáng)有力的支持，可幫助 最終用戶提高生產(chǎn)效率。約束求解引擎也是最基礎(chǔ)的核心組件，目前最主要的產(chǎn)品是 D-Cubed DCM。目前正在使用 DCM 的知名 CAD 軟件公司包括西門子、PTC、Autodesk 等。CAE 網(wǎng)格剖分內(nèi)核：主要用于仿真分析軟件的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格剖分內(nèi)核方面主要的軟件是 法國(guó)的 MeshG

4、ems。國(guó)產(chǎn)化替代在技術(shù)層面有一定難度。SolidWorks， Solid Edge， Inventor 等主流的 CAD 軟件，代碼量在 3000 萬(wàn)行到 4500 萬(wàn)行代碼左右，大約需要 30004500 人一年以上的開 發(fā)工作量。CATIA，NX，Creo 等高端軟件是上述主流 CAD 軟件開發(fā)工作量的 4 倍以上， 這些高端軟件的開發(fā)已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年，并在與數(shù)十萬(wàn)、百萬(wàn)級(jí)最終客戶持續(xù)迭代的過程 中改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)。國(guó)產(chǎn)替代“道阻且長(zhǎng)”。國(guó)外龍頭公司經(jīng)過幾十年迭代，不僅技術(shù)層面“爐火純青”，產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)環(huán)境也更加穩(wěn)健。 產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)環(huán)境不僅僅是模塊的擴(kuò)展，還包括專家團(tuán)隊(duì)，服務(wù)商，以及供應(yīng)鏈，Sie

5、mens PLM 全球有 150 家技術(shù)合作伙伴，Solid Edge 有 289 家第三方合作伙伴， Dassault System 全 球有 934 家技術(shù)合作伙伴，這些合作伙伴不僅是模塊的供應(yīng)商，同時(shí)也是其他 CAX 軟件的 供應(yīng)商，在工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的巨頭絕大部分都是產(chǎn)業(yè)鏈公司，其產(chǎn)品也是平臺(tái)型產(chǎn)品，已經(jīng) 形成非常穩(wěn)健的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。2.幾何內(nèi)核：CAD系統(tǒng)為皇冠，幾何內(nèi)核為明珠當(dāng)下，工業(yè)主流的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造都需要用到 CAD 系統(tǒng)這樣的工具，而 CAD 系統(tǒng)的基 礎(chǔ)底層支撐就是 CAD 平臺(tái)，又稱幾何內(nèi)核。幾何內(nèi)核本身市場(chǎng)很小，但它是所有 CAD 系 統(tǒng)的基石，如果將 CAD 系統(tǒng)比較為

6、皇冠，幾何內(nèi)核就是皇冠上的明珠。幾何內(nèi)核的主要作用在于建立、儲(chǔ)存并處理幾何模型，對(duì)外提供接口以方便上層 CAD 應(yīng) 用的開發(fā)。維度方面，幾何內(nèi)核最早只支持簡(jiǎn)單的二維圖素，到 70 年代中期開始可以表 達(dá)復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維圖素；建模方面，幾何內(nèi)核從簡(jiǎn)單的線框模型過渡到曲面模型和實(shí) 體模型，再到目前廣泛使用的 B-Rep 模型和參數(shù)化特征模型。2.1. 幾何建模：產(chǎn)品信息化的源頭幾何建模是將現(xiàn)實(shí)世界中的物體及屬性轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)部可數(shù)字化表示、可分析、控制和 輸出的幾何形體的方法。在 CAD 中，幾何建模是產(chǎn)品信息化的第一步，它為產(chǎn)品設(shè)計(jì)分 析、工程圖生成、數(shù)控編程、數(shù)字化加工與裝配中的碰撞干涉檢查

7、、加工仿真、生產(chǎn)過程 管理等提供有關(guān)產(chǎn)品的信息描述與表達(dá)方法，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造的前提條件。幾何建模即是將物體的幾何信息和拓?fù)湫畔⑥D(zhuǎn)化成數(shù)字化模型的過程。幾何信息一般是指 物體在歐氏空間中的形狀、位置和大小，這些信息可以用幾何分量的方式表示，例如空間 里的一點(diǎn)可以用坐標(biāo)值 x,y,z 表示，空間里的一條直線可以用方程式 Ax + By + Cz + D = 0 來(lái)表示。拓?fù)湫畔t是指物體各分量的數(shù)目及其相互間的連接關(guān)系，主要關(guān)系包括點(diǎn)、線、 面之間的相鄰、相交、相切、包含等關(guān)系.幾何建模構(gòu)造的模型一般有三種：線框模型、表面模型和實(shí)體模型，現(xiàn)有的 CAD 系統(tǒng)常 采用實(shí)體模型。線框模型定

8、義了點(diǎn)和線，適合線框圖的顯示，同時(shí)所需數(shù)據(jù)量小，但缺點(diǎn)在于存在二義性， 無(wú)法描述含有曲面的物體，且無(wú)法用于工程分析和物理計(jì)算。表面模型定義了點(diǎn)、線和面，可以描述物體的表面特性，從而進(jìn)行數(shù)控加工程序計(jì)算，在 數(shù)控加工中刀具軌跡的計(jì)算和物體表面特性有很大關(guān)系，直接影響到刀具軌跡的生成，但 缺點(diǎn)在于不具備零件的實(shí)體特征，不能在工程分析、物理特性計(jì)算方面使用。實(shí)體模型定義了點(diǎn)、線、面、環(huán)和體，是以“體-面-環(huán)-棱邊-點(diǎn)”的五層結(jié)構(gòu)信息表示的 模型。體是由表面圍成的封閉空間，表面是由棱邊圍成的區(qū)域，其內(nèi)部可能存在環(huán)，例如 一個(gè)孔在一個(gè)表面形成了一個(gè)環(huán)，這些環(huán)也是由棱邊組成。實(shí)體模型包含線框模型和表面 模

9、型所有優(yōu)點(diǎn)，并且還能滿足物理性能計(jì)算和工程分析，例如質(zhì)量、質(zhì)心和重力等計(jì)算。 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，實(shí)體建模技術(shù)更符合人們對(duì)真實(shí)產(chǎn)品的理解和習(xí)慣。邊界表示法（B-rep）是構(gòu)造實(shí)體模型最常用的方法之一，著名的 ACIS 和 parasolid 幾何 內(nèi)核都使用的是邊界表示法。邊界表示法（B-rep）是通過描述三維物體的邊界來(lái)表示物體。構(gòu)建時(shí)使用一組面圍成一 個(gè)表面形體來(lái)表示三維實(shí)體，面由一系列的邊組成，邊一般通過兩個(gè)點(diǎn)（曲線例外）來(lái)描 述。邊界表示法強(qiáng)調(diào)實(shí)體外表的細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄了構(gòu)成物體的所有幾何信息和拓?fù)湫畔ⅲ?將面、邊、頂點(diǎn)的信息分層記錄，建立層與層之間的聯(lián)系。2.2. ACIS：模塊化組件靈活搭

10、配，幾何總線構(gòu)建模型共享渠道ACIS 是美國(guó) Spatial Technology 公司推出的采用 C+語(yǔ)言構(gòu)造的三維幾何造型平臺(tái)，后被 達(dá)索集團(tuán)收購(gòu)。它集曲面、線框和實(shí)體造型于一體，并允許這三種表示模型共存于統(tǒng)一的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。ACIS 提供從簡(jiǎn)單實(shí)體到復(fù)雜實(shí)體的造型功能，還提供了實(shí)體的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能 SAT 文件的輸入、輸出功能。ACIS 使用邊界表示法（B-rep）建立實(shí)體模型。實(shí)體（entity）是 ACIS 中最基本的單元，為模型中所有的永久對(duì)象提供了基本的模型管理 功能，實(shí)體可以分為拓?fù)?、幾何體以及屬性三種，共同構(gòu)成 ACIS 的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。實(shí)體 通過 C+語(yǔ)言的 ENTITY 抽

11、象類實(shí)現(xiàn)代碼方面的定義以及數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、恢復(fù)、回溯等。拓?fù)鋵?shí)體記錄了組成幾何體不同元素之間的連接關(guān)系，拓?fù)鋵?shí)體的類型包括體（body）、 塊（lump）、殼（shell）、子殼（subshell）、面（face）、環(huán)（loop）、線框（wire）、有向邊 （coedge）、邊（edge）和頂點(diǎn)（vertex）。幾何實(shí)體記錄了幾何體不同元素的幾何形狀和物理數(shù)值，幾何實(shí)體的類型包括面、線、點(diǎn) 等。屬性實(shí)體通過給實(shí)體附加屬性的方式附加系統(tǒng)或者用戶的信息，屬性可以是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)、指向其他實(shí)體的指針或者是與應(yīng)用程序定義的變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的連接等。ACIS 構(gòu)建模型時(shí)會(huì)使用實(shí)體分別儲(chǔ)存拓?fù)湫畔⒑蛶缀涡畔?，再?/p>

12、用屬性實(shí)體記錄物體的 非形狀信息。拓?fù)鋵?shí)體組合形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹并儲(chǔ)存拓?fù)湫畔?。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹中最頂層為體拓 撲實(shí)體，體拓?fù)鋵?shí)體又關(guān)聯(lián)到若干個(gè)塊拓?fù)鋵?shí)體，塊拓?fù)鋵?shí)體又關(guān)聯(lián)到若干殼拓?fù)鋵?shí)體， 每一層的拓?fù)鋵?shí)體會(huì)記錄本層的拓?fù)潢P(guān)系并指向相應(yīng)的幾何實(shí)體和下一層的拓?fù)鋵?shí)體，最 終形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹。拓?fù)鋵?shí)體指向相應(yīng)的幾何實(shí)體，幾何實(shí)體記錄幾何形狀與物理特性。幾何實(shí)體是為構(gòu)造幾 何體增加模型操作功能的 C+類，它和模型一起被保存在 SAT 文件中。模型操作功能包括 模型數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)、模型操作歷史記錄及其回溯、變換以及為模型附加系統(tǒng)定義屬性 和用戶定義屬性的功能。ACIS 的接口主要分為 C+接口、MFC 接口和

13、 Scheme 接口。其中 C+接口為最主要接口， C+應(yīng)用接口主要有三個(gè)：DI 函數(shù)、API 函數(shù)和類。ACIS 采取幾何總線的商業(yè)模式，鼓勵(lì)軟件公司在 ACIS 上開發(fā)與 STEP 標(biāo)準(zhǔn)相兼容的集成 制造系統(tǒng)。在 ACIS 上開發(fā)的 CAX 系統(tǒng)可以共享幾何模型，以及可以直接交換產(chǎn)品數(shù)據(jù)。ACIS 幾何總線由其開放體系結(jié)構(gòu)和它的 SAT 構(gòu)成，其核心提供了一個(gè)幾何總線(ACIS geometry bus)，以連接其它的外殼(Husk)與應(yīng)用程序。它使線框、曲面、實(shí)體的幾何與拓 撲模型數(shù)據(jù)能夠自由交換，當(dāng) SAT 模型在總線上流動(dòng)時(shí)，不需任何翻譯與解釋。產(chǎn)品模型 從概念設(shè)計(jì)到制造過程，可能使

14、用多個(gè)商家提供的應(yīng)用，通過幾何總線擺脫了數(shù)據(jù)翻譯的 負(fù)擔(dān)。2.3. Parasolid：西門子陣營(yíng)成熟內(nèi)核，功能齊備應(yīng)用廣泛Parasolid 現(xiàn)隸屬于德國(guó)西門子，Parasolid 由 130 多家軟件供應(yīng)商集成，為最終用戶提供 350 多個(gè)基于 Parasolid XT 數(shù)據(jù)格式的應(yīng)用程序之間 100% 的 3D 模型兼容性。 Parasolid 是嚴(yán)格的邊界表示法（B-rep）幾何建模器，即用實(shí)體的邊界來(lái)表示這個(gè)實(shí)體， Parasolid 支持實(shí)體建模、直接編輯和自由曲面建模，并且同時(shí)將其強(qiáng)大的 B-rep 建模功能 擴(kuò)展到基于面表示的模型。PK 接口和 KI 接口是 Parasolid

15、 的上層接口，由一組位于內(nèi)核內(nèi)而由外部調(diào)用的函數(shù)組成， 應(yīng)用程序通過他們可以進(jìn)行建模、操作對(duì)象和控制建模器的功能。Frustrum（用戶寫的函數(shù)集）接口、圖形輸出（GO）接口和外部幾何（FG）接口是 Parasolid 的下層接口，由一組位于內(nèi)核外而由內(nèi)核調(diào)用的函數(shù)組成。Parasolid 通過 Frustrum 接口 進(jìn)行計(jì)算機(jī)的內(nèi)存管理及文件訪問等方面的數(shù)據(jù)管理；圖形輸出接口用于計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備 的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三維模型的顯示；外部幾何接口用于應(yīng)用程序中幾何模型的處理。Parasolid 的模型實(shí)體包括幾何實(shí)體、拓?fù)鋵?shí)體和其他實(shí)體。幾何實(shí)體記錄了元素的物理信息和形狀，包括曲面、曲線和點(diǎn)。拓?fù)鋵?shí)體

16、記錄了不同元素 之間的拓?fù)浜瓦B接關(guān)系，包括了體、區(qū)域、殼、面、環(huán)、翼、邊和頂點(diǎn)。其它實(shí)體記錄了 元素的屬性和非物理信息。Parasolid 數(shù)據(jù)讀寫：Parasolid 建模核心提供了文本（ACSII）和二進(jìn)制（Binary）的文件 格式，即 X_t 文件和 X_b 文件。其中 X_t 文件的數(shù)據(jù)格式是公開的，所有的應(yīng)用程序不必 借助 Parasolid 內(nèi)核，就可以直接訪問 Parasolid 模型文件的所有信息，同時(shí)可以將零件模 型存儲(chǔ)為過去的任何一個(gè)版本。Parasolid 數(shù)據(jù)可視化：實(shí)體生成的圖形數(shù)據(jù)先通過一系列圖形輸出（GO）接口函數(shù)輸出， 再通過 PK 接口的渲染函數(shù)輸出實(shí)體圖形

17、。Parasolid 拓?fù)鋵?shí)體的屏幕拾取功能：屏幕拾取功能是 Parasolid 的一項(xiàng)重要功能，用于從 一批給定的實(shí)體中拾取面、邊和頂點(diǎn)等拓?fù)鋵?shí)體。Parasolid 實(shí)體測(cè)量：Parasolid 在屏幕拾取提取邊的拓?fù)湫畔⒑?，可以使?PK 接口提供的 函數(shù)在屏幕上測(cè)出實(shí)體邊的長(zhǎng)度和任意方向上的實(shí)體厚度。西門子的 parasolid 和達(dá)索的 ACIS 是目前世界上兩大主要的內(nèi)核陣營(yíng)。Parasolid 是目前 市場(chǎng)上最成熟、應(yīng)用最廣的造型內(nèi)核之一，功能完備，系統(tǒng)穩(wěn)定。2.4. Overdrive：中望 3D 內(nèi)核，國(guó)產(chǎn)內(nèi)核之光中望于 2010 年收購(gòu) VX 公司，擁有了自主 Overdr

18、ive 幾何建模內(nèi)核，是國(guó)內(nèi)少有的實(shí)現(xiàn)商 業(yè)化應(yīng)用、在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域被大規(guī)模實(shí)踐驗(yàn)證過的三維幾何建模內(nèi)核技術(shù)。ZW3D 的幾何建模內(nèi)核 Overdrive 主要由三個(gè)層次構(gòu)成：內(nèi)存與數(shù)據(jù)管理層、幾何對(duì)象數(shù) 學(xué)算法層和三維造型實(shí)現(xiàn)層。第一層為內(nèi)存與數(shù)據(jù)管理層，包含內(nèi)存分配與管理、序列化與反序列化、統(tǒng)一數(shù)據(jù)擴(kuò)展框 架等模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)增、刪、改，序列化與反序列化;為各種不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象提供訪 問方法，包括對(duì)象的遍歷、查詢等。實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存池管理和數(shù)據(jù)優(yōu)化，以及全平臺(tái)統(tǒng)一的數(shù) 據(jù)管理和數(shù)據(jù)訪問功能，是整個(gè)幾何建模內(nèi)核架構(gòu)的基礎(chǔ)。第二層為幾何對(duì)象數(shù)學(xué)算法層，包括基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫(kù)、幾何算法庫(kù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義以及三維

19、數(shù) 據(jù)定義等模塊，實(shí)現(xiàn)幾何向量計(jì)算、矩陣變換;實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面的基礎(chǔ)求交算法、投影算法、 相切性判斷;實(shí)現(xiàn)非均勻有理 B 樣條(NURBS)算法;實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋷缀尾紶栠\(yùn)算、拓?fù)渥兓涌谥?持等功能。為 ZW3D 幾何建模內(nèi)核提供數(shù)學(xué)支撐。第三層為三維造型實(shí)現(xiàn)層，包括三維建模引擎、三維圖形渲染引擎、三維參數(shù)化設(shè)計(jì)引擎、 數(shù)據(jù)交互管理、裝配設(shè)計(jì)管理等模塊。實(shí)現(xiàn)各種基礎(chǔ)建模算法，如實(shí)體建模、自由曲面成 型、圓角處理、實(shí)體分割、曲面裁剪等，同時(shí)為模型校驗(yàn)、模型修復(fù)等功能提供支持。中望 Overdrive 內(nèi)核主要應(yīng)用于中望自研的 ZW3D 平臺(tái)。ZW3D 平臺(tái)的軟件架構(gòu)可分為四層，第一層是基于 OS (Op

20、eration System)的無(wú)關(guān)性封裝層， 第二層是 ZW3D 幾何建模內(nèi)核 Overdrive，第三層為 ZW3D 平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)層，包括實(shí) 體建模、曲面建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)、CAM 加工與仿真、視圖管理等模塊，實(shí)現(xiàn) ZW3D 平臺(tái) 軟件的各種設(shè)計(jì)功能。第四層是基于 ZW3D 平臺(tái)的行業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)層。第一層至第三層構(gòu)成 ZW3D 平臺(tái)，第四層基于 ZW3D 提供的標(biāo)準(zhǔn) API 框架，結(jié)合典型行業(yè)應(yīng)用為 ZW3D 實(shí)現(xiàn)各 種二次開發(fā)功能。3.幾何約束求解器：參數(shù)化特征建模的實(shí)現(xiàn)者參數(shù)化特征建模以實(shí)體模型為基礎(chǔ)，提供用戶特征設(shè)計(jì)手段，以參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型，設(shè)計(jì)者可 以通過添加、修改參數(shù)以達(dá)到建立、修改

21、模型的目的，大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的造型過程，并且 極大的方便了系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。參數(shù)化特征建模是 CAD 發(fā)展史上的又一次飛躍，是新一代 CAD 系統(tǒng)的象征。幾何約束求解器是幾何內(nèi)核的重要組件，幾何內(nèi)核在進(jìn)行參數(shù)化特征建模時(shí)，幾何約束求 解器進(jìn)行幾何約束求解并定義、儲(chǔ)存了模型各元素之間的約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化特征建 模。目前幾何約束求解器主要被國(guó)外壟斷，世界上主流的幾何約束求解器為 D-Cubed 公 司的 DCM，其次是俄羅斯 LEDAS 公司開發(fā)的幾何約束求解器 LGS。3.1. 參數(shù)化特征建模：實(shí)體模型的工程特征化、參數(shù)化處理參數(shù)化特征建模主要分為兩個(gè)重要的部分：參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征建模。特征建

22、模是在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程特征定義和設(shè)計(jì)。實(shí)體建模在表示物體形狀和 幾何特性方面是完整有效的，但實(shí)體模型中的操作主要面向幾何（點(diǎn)、線、面）而非工程 描述（槽、孔、凸臺(tái)），特征建模即建立了一個(gè)既適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析又適用于制 造計(jì)劃的統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型。特征是一組具有約束關(guān)系的幾何實(shí)體，約束關(guān)系則是由幾何約束求解器進(jìn)行定義。特征通 ?？梢苑譃樾螤钐卣鳌⒉牧咸卣?、精度特征和裝配特征，其中應(yīng)用效果最好和最成熟的是 形狀特征設(shè)計(jì)。形狀特征設(shè)計(jì)是從設(shè)計(jì)者的意圖出發(fā)，通過一組預(yù)先定義好的具有一定工程意義的設(shè)計(jì)特 征，引導(dǎo)設(shè)計(jì)者去產(chǎn)品設(shè)計(jì)，例如工程中常用的孔、槽、凸臺(tái)、拉伸、旋轉(zhuǎn)等。實(shí)體模型 應(yīng)用

23、形狀特征的目的在于：簡(jiǎn)化產(chǎn)品信息模型中對(duì)底層幾何元素的訪問。例如，工程中大 量使用的孔、型腔、凸臺(tái)的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化為形狀特征后，已經(jīng)抽象成一個(gè)造型的基本特征單 位，而不再是圓柱、矩形這樣的幾何元素。建模時(shí)可以直接使用形狀特征（例如在模型中 插入一個(gè)孔、插入一個(gè)倒角）而不需要用幾何建模的方式重新構(gòu)建。參數(shù)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀基本不變，而用一組參數(shù)來(lái)約定尺寸關(guān)系，設(shè)計(jì)結(jié)果 的修改受尺寸驅(qū)動(dòng)。基本原理為：對(duì)模型中的一些基本圖素施加一定約束，模型建好后， 尺寸的修改會(huì)立即自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)模型的修改，例如構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)方體模型，對(duì)其長(zhǎng)、寬、高 賦值后，它的大小就確定了，當(dāng)改變長(zhǎng)、寬、高時(shí)，長(zhǎng)方體的大小也會(huì)隨

24、之改變。參數(shù)化設(shè)計(jì)主要解決以下三種問題：1. 零件形狀具有相似性，區(qū)別僅是尺寸不同，2. 在 原有零件技術(shù)長(zhǎng)做一些小改動(dòng)來(lái)產(chǎn)生新零件，3. 設(shè)計(jì)經(jīng)常需要修改。這些需求采用傳統(tǒng)建 模方法只能重新建模，參數(shù)化方法提供了設(shè)計(jì)修改的可能性。大部分參數(shù)化功能與特征建模結(jié)合使用，使特征模型成為參數(shù)的載體，提高了特征模型泛 用性。特征為圓柱螺旋壓縮彈簧，其參數(shù)包括彈簧中徑、簧條直徑、有效圈數(shù) 和自由高。通過參數(shù)化設(shè)計(jì)，平臺(tái)可以建造出多個(gè)形狀相似、尺寸不同的圓柱螺旋壓縮彈 簧模型，拓寬了特征模型的應(yīng)用范圍和效率。3.2. 幾何約束求解器：參數(shù)化制圖和幾何約束求解幾何約束求解器結(jié)構(gòu)主要分為三層：界面層、邏輯處理

25、層和數(shù)據(jù)處理層。界面層是由系統(tǒng)的可視化界面構(gòu)成，是用戶和系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口，用戶可以通過界面層 直觀地對(duì)系統(tǒng)操作進(jìn)行約束求解；邏輯處理層是系統(tǒng)的核心層，所有的操作命令都在這里 得以處理和執(zhí)行；數(shù)據(jù)持久層主要用來(lái)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和傳輸，這里就是系統(tǒng)的大 腦，儲(chǔ)存了系統(tǒng)的所有的信息。約束主要分為距離約束和角度約束，常見的距離約束包括點(diǎn)點(diǎn)距離、點(diǎn)面距離等等；常見 的角度約束包括線線垂直、面面平行等等。幾何約束系統(tǒng)的約束形式是多種多樣的，但基 本約束形式只有簡(jiǎn)單的幾種，其它所有的約束都可以用基本約束的組合來(lái)表達(dá)，比如半徑 已經(jīng)確定的圓與直線相切的約束可以轉(zhuǎn)化為圓心和直線距離為半徑的約束。約束度為

26、1 的 稱為基本約束，其他的稱為復(fù)合約束，復(fù)合約束皆可通過基本約束的組合而形成。幾何約束求解器的主要功能包括：參數(shù)化制圖和幾何約束求解。參數(shù)化制圖：用戶使用一組參數(shù)來(lái)約定尺寸關(guān)系，通過添加、修改參數(shù)來(lái)繪制、修改模型。 參數(shù)化制圖不僅可使 CAD 系統(tǒng)具有交互式繪圖功能和自動(dòng)繪圖的功能，還可以使設(shè)計(jì)人員 從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來(lái)，從而大大提高設(shè)計(jì)速度，并減少信息的存儲(chǔ)量。幾何約束求解：幾何約束求解即在給定一組功能和一組約束的情況下，產(chǎn)生一個(gè)或一組部 件的詳細(xì)的結(jié)構(gòu)化描述，方法主要包括：變量幾何法，基于規(guī)則的構(gòu)造方法和基于圖論的 構(gòu)造方法。幾何約束求解的過程主要包括以下幾步：1. 參數(shù)

27、化繪制圖形 2. 聲明圖形之間的約束 3. 引入約束算法 4. 得出求解路徑并圖形化顯示。3.3. 當(dāng)前市場(chǎng)情況：國(guó)外市場(chǎng)壟斷，DCM 獨(dú)占鰲頭幾何約束求解器是幾何內(nèi)核的重要組件，雖然市場(chǎng)份額不大，但其在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中屬于關(guān)鍵 工程。國(guó)外的主流幾何約束求解器有 DCM，LGS，國(guó)內(nèi)的幾何約束求解器有 DCS。DCM 由 D-cubed 公司研發(fā)，2004 年由 UGS 公司收購(gòu)，隨著西門子 2007 年五月收購(gòu)了 UGS公司，DCM目前作為西門子PLM軟件供使用。DCM 分為 D-Cubed 2D DCM（D-Cubed 二維空間約束管理器）和 D-Cubed 3D DCM（D-Cubed 三維空

28、間約束管理器）。LGS 由俄羅斯 LEDAS 公司于 2001 年開發(fā)，在約束求解方面被認(rèn)為是僅次于 D-Cubed 的 幾何約束求解引擎。其計(jì)算組件使用了高度優(yōu)化的內(nèi)部非線性求解器和幾何分解方法，在 3000 多家工廠的測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)結(jié)果。LGS 已授權(quán)給十多家工程軟件供應(yīng)商，包括 Cimatron（現(xiàn)隸屬于 3D Systems）、CD-adapco（現(xiàn)隸屬于 Siemens PLM Software）和 ASCON。DCS 由國(guó)內(nèi)的華天軟件研發(fā)，是完全自主研發(fā)的二維、三維約束求解引擎，同時(shí)也提供與 國(guó)際商用約束求解器兼容的 API 接口。DCS 二維約束求解器可實(shí)現(xiàn)二維圖形參數(shù)化設(shè)計(jì)，

29、 滿足約束需求及尺寸需求；DCS 三維約束求解器可實(shí)現(xiàn)約束三維幾何體的需求，在三維 CAD/CAM/CAE 領(lǐng)域中支持裝配設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真等。4.CAE有限元分析：基于CAD建模的工程分析與物理仿真有限元分析是一個(gè)基于 CAD 幾何模型來(lái)建立 CAE 有限元模型的過程，主要分為有限元網(wǎng) 格剖分、有限元單元分析、有限元整體分析三個(gè)步驟，有限元網(wǎng)格剖分則是整個(gè)過程中的 重中之重。有限元法是基于固體流動(dòng)變分原理，把一個(gè)原來(lái)連續(xù)的物體剖分成有限個(gè)數(shù)的 單元體，計(jì)算時(shí)先對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析，再根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合起 來(lái)，進(jìn)行綜合求解。應(yīng)用場(chǎng)景包括固體力學(xué)中的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析、電磁學(xué)中的電

30、磁場(chǎng) 分析，振動(dòng)特性分析，傳熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析，流體力學(xué)中的流場(chǎng)分析等。4.1. 有限元網(wǎng)格剖分：CAD 幾何模型離散化處理許多工程分析問題由于物體的幾何形狀較復(fù)雜或者具有某些非線性特征，很難通過解析方 法求助精確解，因此人們借助計(jì)算機(jī)將 CAD 幾何模型拆分成有限個(gè)具有不同大小和形狀 單元體的集合，這一過程稱為有限元網(wǎng)格剖分（也稱離散化），形成的模型即 CAE 有限元 模型，后續(xù)的分析皆基于該模型。4.1.1. 有限元網(wǎng)格剖分基本原則有限元網(wǎng)格剖分需要考慮的問題較多，所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直 接影響，需要考慮的主要基本原則包括網(wǎng)格單元類型、網(wǎng)格疏密、網(wǎng)格數(shù)量、單元階次等。

31、網(wǎng)格單元類型：網(wǎng)格剖分時(shí)的單元類型取決于物體結(jié)構(gòu)本身的形狀特點(diǎn)、綜合載荷、約束 等情況，所選的單元類型應(yīng)能逼近實(shí)際的受力狀態(tài)，單元形狀應(yīng)能接近實(shí)際邊界輪廓。網(wǎng)格疏密：通常采取將網(wǎng)格在高應(yīng)力區(qū)局部加密的辦法，在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位， 為了更好的反應(yīng)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，采用比較密集的網(wǎng)絡(luò)，而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位， 為了減小模型規(guī)模，則劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)格數(shù)量：網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì) 算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因素綜 合考慮。單元階次：?jiǎn)卧A次主要分為線性、二次、三次等形式，其中二次和三次形式的單

32、元稱為 高階單元，選用高階單元可以提高計(jì)算精度，當(dāng)模型形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布很復(fù)雜時(shí)可以 選用高階單元。高階單元優(yōu)點(diǎn)在于：1. 單元的曲線或者曲面邊界能更好的逼近模型的曲面 和曲面邊界，2. 高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場(chǎng)函數(shù)。但由于高階單元節(jié)點(diǎn)較多， 計(jì)算規(guī)模也比普通單元大一些。4.1.2. 主流的有限元生成方法目前主流的有限元網(wǎng)格生成方法包括映射法、基于柵格法、幾何分解法、拓?fù)浞纸夥?、?jié) 點(diǎn)連接法五種。目前，正在研究的網(wǎng)格生成方法主要是這幾種方法的混合使用及現(xiàn)代技術(shù) 的綜合應(yīng)用。映射法：基本原理為先通過適當(dāng)?shù)挠成浜瘮?shù)將待剖分物理域映射到參數(shù)空間中形成規(guī)則參 數(shù)域，對(duì)規(guī)則參數(shù)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分

33、；再將參數(shù)域的網(wǎng)格反向映射回物理空間，從而得到物 理域的有限元網(wǎng)格。映射法可以分為保角映射法、基于偏微分方程法和代數(shù)插值法三大類。映射法的優(yōu)點(diǎn)是：算法簡(jiǎn)單、速度快、單元質(zhì)量好、密度可控制。它既可生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 又可生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，既可生成四邊形單元網(wǎng)格又可生成六面體單元網(wǎng)格，可用于曲線 網(wǎng)格生成，可與形狀優(yōu)化算法集成，也可以和其他算法結(jié)合劃分網(wǎng)格等?；跂鸥穹ǎ河脰鸥窀采w在目標(biāo)區(qū)域，刪除完全落在目標(biāo)區(qū)域之外的柵格并對(duì)物體邊界相 交的柵格進(jìn)行調(diào)整、裁減、再分解，最后對(duì)內(nèi)部柵格和邊界柵格進(jìn)行柵格級(jí)的網(wǎng)格剖分。 基于柵格法主要分為正則柵格法和有限四（八）叉樹法。幾何分解法：在幾何分解法中，近年來(lái)形成了一種最為成功的全自動(dòng)網(wǎng)格生成方法推 進(jìn)波前法。推進(jìn)波前法首先離散模型邊界并稱為前沿；然后從前沿開始，依次插入一個(gè)節(jié) 點(diǎn)，并連接生成一個(gè)新的單元；更新前沿并循環(huán)向內(nèi)部推進(jìn)。推進(jìn)波前法對(duì)復(fù)雜的幾何形 狀與邊界的網(wǎng)格生成具有很高的靈活性及可靠性，且比較容易實(shí)現(xiàn)方向性精細(xì)化，但效率 有待改進(jìn)。拓?fù)浞纸夥ê凸?jié)點(diǎn)連接法也是目前主流常用和