工業(yè)產(chǎn)品構(gòu)造復(fù)雜形態(tài)建模

工業(yè)產(chǎn)品構(gòu)造復(fù)雜形態(tài)建模

工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計包含了工程設(shè)計與工業(yè)設(shè)計兩大方面的設(shè)計內(nèi)容。目前產(chǎn)品的設(shè)計都普遍使用了CAD技術(shù),利圖1工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計流程用CAD可以很好地整合工程設(shè)計與工業(yè)設(shè)計。從圖1所示的設(shè)計流程來看,形態(tài)設(shè)計占據(jù)著一個重要的位置。產(chǎn)品的形態(tài)對結(jié)構(gòu)、功能、宜人性、美觀性及產(chǎn)品的生產(chǎn)制造等方面都有重大的影響,而且要經(jīng)過多次的評價和反復(fù)修改,因此如何能夠快速、準確、真實地建立產(chǎn)品的三維模型是產(chǎn)品設(shè)計中的一個重要問題。

1復(fù)雜形態(tài)建模方法比較

產(chǎn)品形態(tài)的建模與機械設(shè)計的建模相比,最大的區(qū)別是機械設(shè)計中零件形態(tài)以標準解析形態(tài)為主,而產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計中復(fù)雜的自由曲面形態(tài)占據(jù)主要的地位。標準解析形態(tài)用許多設(shè)計軟件所具有的體素造型方法就能滿足要求,而復(fù)雜曲面的建模則是一個相當復(fù)雜的問題,首先復(fù)雜的曲面不可能用幾個基本的尺寸就確定下來,也不能用幾個視圖的投影形態(tài)來確定;其次復(fù)雜曲面的建模需要使用大量的計算機輔助幾何設(shè)計知識和建模技巧。從目前的國內(nèi)外研究情況來看,各種高端軟件中都不同程度地提供了自由形態(tài)建模的造型工具,最為典型的方法有以下幾種:面片建模。通過把曲面分解成大量的面片來表示自由復(fù)雜形態(tài),通過修改面片及其控制頂點的空間位置和控制矢量來改變形體的外觀。網(wǎng)格建模。將所要建立的模型劃分為網(wǎng)格,在表面曲率變化越大的地方網(wǎng)格劃分就越細,同時根據(jù)不同的要求改變網(wǎng)格密度。網(wǎng)格形體分為形體、網(wǎng)格表面、網(wǎng)線、網(wǎng)格點,四個層次的子物體,用戶可根據(jù)需要在任一層次上進行修改,從而改變整體的形狀。樣條建模方法?？杉毞譃锽ezier,B樣條和NURBS方法。其中NURBS方法是目前功能最強、造型能力最好,又最易于修改的自由曲面建模方法。在1991年國際標準化組織頒布的STEP標準中,NURBS被確定為工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計的標準方法。目前的高級三維設(shè)計軟件中都不同程度地支持這種建模方法。NURBS曲線的數(shù)學(xué)方程為C=∑ni=0Ni,pωiPi∑ni=0Ni,pωiaub式中:Pi是控制頂點;ωi為相應(yīng)的權(quán)重;Ni,p為定義在節(jié)點矢量u上的p階B樣條基函數(shù)。NURBS方法主要具有如下幾個優(yōu)點:①統(tǒng)一表示了標準解析形狀和自由形狀;②具有B樣條、Bezier的所有優(yōu)點,如局部性、凸包性、變差減少性、仿射不變性等;③權(quán)重ωi的引入,在形狀控制方面有了更大的靈活性。

2工作平臺的選擇

進行三維形態(tài)的設(shè)計的最佳硬件、軟件平面臺是使用工作站系統(tǒng)。工作站具備圖形設(shè)計必備的高速計算和高質(zhì)量畫質(zhì)的特點,工作站上的軟件擁有最強大的復(fù)雜形態(tài)造型功能,并能輕易整合CAD、CAE、NC,是產(chǎn)品設(shè)計的理解工作平臺。典型的工作站設(shè)計系統(tǒng)配置為:SGI的OC-TANE工作站加MAYA及PRO-ENGCNEER軟件。要配置一套較為完善的工作站系統(tǒng),至少需要十幾萬美元,這是一般的中小企業(yè)和研究機構(gòu)難以承受的。目前我國大量的CAD設(shè)計平臺還在微機上,并已有了大量的研究及應(yīng)用成果。微機具有投資小,靈活多變,便于升級的特點,近年來的發(fā)展非常迅速,只要我們對市場有清楚的了解并且合理配置,是可用較少的投入取得較好的工作環(huán)境?，F(xiàn)在如果選用雙CPU主板配以兩塊PⅢ500,512MB內(nèi)存,加上ELSAGloriaSynergy顯卡、17"SONY特麗瓏顯示器,投入不足2萬元人民幣,即可獲得近似工作站級的性能。微機平臺的三維設(shè)計軟件要數(shù)3DSTUDIOMAX最為流行了,它是一個運行于NT環(huán)境下的面向?qū)ο蟮亩嗑€程、可充分發(fā)揮對稱多處理器和任意網(wǎng)絡(luò)渲染能力的強大軟件。3DSMAX中加入了NURBS模塊,且具備良好的開放性,并在版后可利用世界頂級渲染器——智能圖像公司的MentalRay進行著色,使該軟件的綜合能力有了大大增強。但是3DSMAX也存在許多不足,對于產(chǎn)品設(shè)計而言,這些不足主要體現(xiàn)在:①軟件的建模精度不夠高;②其NURBS造型能力比其它優(yōu)秀軟件來說還不夠強大;③在3DSMAX中用NURBS建模時,軟件的運行速度會下降許多,當你要做更為復(fù)雜的產(chǎn)品模型時,這種現(xiàn)象更為明顯。另一套完全基于NURBS的純造型軟件Rhinoceros是PC機上功能強勁的建模工具,其設(shè)計團體是原來的AliasDesignStudio的程序設(shè)計師,其Be-ta測試版歷經(jīng)一年半的網(wǎng)上自由測試,是有史以來最嚴格的自由測試軟件。Rhinoceros的界面和使用方法與Auto-CAD極為相似,且對系統(tǒng)要求不高,最新發(fā)布的版售價僅為799美元。該軟件建模功能強大,支持大量的數(shù)據(jù)文件格式,與其它軟件交換數(shù)據(jù)非常方便,能方便地整合3DSTUDIOMAX的建模部分,非常適合于要求精度高且復(fù)雜的產(chǎn)品三維造型,因此可把之作為3DSMAX建模的一個有力補充。

3典型工作流程

基于以上的討論,我們提出了一個進行工業(yè)產(chǎn)品復(fù)雜形態(tài)設(shè)計的典型工作流程:首先在Rhinoceros中用其強大的NURBS造型工具對復(fù)雜的、主要的形態(tài)進行設(shè)計。將Rhinoceros中做好的的模型以IGES或3DS格式導(dǎo)入到3DSTUDIOMAX中。利用3DSTUDIOMAX中體素、面片、網(wǎng)格等方法中進行輔助形態(tài)的建模。設(shè)定產(chǎn)品各部分的材質(zhì)、定義環(huán)境等真實感計算所需參數(shù)。渲染效果并進行真實感顯示。以下,我們以汽車車輪的設(shè)計為例,簡述整個過程:圖2輪轂斷面曲線圖3輪轂內(nèi)部孔洞形狀曲線首先在Rhinoceros中創(chuàng)建輪轂斷面曲線及內(nèi)部孔洞形狀曲線;創(chuàng)建輪轂的NURBS曲面;將內(nèi)孔形狀投影到曲面上,并修剪曲面;利用Rhinoceros強大的曲面編輯工具制作內(nèi)孔過渡曲面、螺釘孔及倒角曲面;圖6完整的車輪模型將所得輪轂形狀以IGES格式輸入3DSMAX中;在3DSMAX中制作車胎、螺釘、碟剎等輔助部件;圖7最終渲染效果設(shè)定車輪各部份的材質(zhì)。在車輪轂部分使用了光線跟蹤材質(zhì),它能逼真地模擬金屬物體表面反射周圍環(huán)境的特性,產(chǎn)生很強的金屬感;在輪胎部份,使用輪胎防滑花紋作凸凹貼圖,模擬輪胎表面細膩的紋理;渲染生成最終效果。

4結(jié)束語

工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計中,如何精確、快速地進行復(fù)雜三維形態(tài)的建模及真實感顯示一直是設(shè)計人員需解