三维设计系列讲座(1)三维设计软件的发展孔凡新(南京工程学院,江苏南京210013)摘　要:随着三维CAD软件的推广应用,基于三维CAD系统的三维设计必将成为工程设计的趋势,它具有许多二维设计无法相比的优势。

笔者就三维设计的几个基本问题进行了简要探讨,同时介绍了三维设计的发展历程和最前沿的三维设计技术———行为建模技术等。

关键词:三维设计;行为建模;三维CAD中图分类号:TH 文献标识码:B 文章编号:167125276(2003)0420082204The Series of Lectures on Three2dimensional Design Soft w are(Part1)Introduction of Development for Three2dimensional Design Soft w areKON G Fan2xin(Nanjing Institute of Technology,J S Nanjing210013,China)0　引言“计算机辅助设计几乎推动着一切领域的设计革命”。

近年来,CAD技术的应用已经几乎辐射到了各行各业。

“九五”期间,全国“CAD应用工程技术开发与应用示范”项目攻关专题50项,29个省市和3个行业共安排了600多家示范企业,企业平均CAD设计人员应用普及率为95.6%,产品设计图样覆盖率为92.8%。

同时安排了重点企业3000多家,一般应用企业10万余家,9个培训中心, 1000多个培训网点。

CAD技术的应用已涉及到机械、工程设计、船舶、航空、航天、汽车、轻工、纺织等行业。

传统的设计方法是工程师在大脑里构思三维的产品,再通过大脑的几何投影,把产品表现在二维图样上,工程师有一大半的工作量是在三维实体和二维工程图的相互转换和繁琐的查表和计算中。

而制造工人又要把二维的图样在大脑中反映出三维的实体然后进行加工制造。

采用CAD技术(尤其是三维CAD技术)后,工程师就可以直接在计算机上进行零件设计和产品的装配;产品的制作过程几乎与真实的产品制造没有差别,计算机屏幕上的产品就是未来产品三维图像。

工程师还可以在设计过程中,利用CAD技术尤其是三维CAD技术完成手工难以完成和低效率的工作。

针对三维设计,结合这方面的科研和教学经验,笔者提出一些观点供大家参考。

所讲的三维设计都是基于三维CAD系统的,脱离了三维CAD系统,三维设计无从谈起。

1　三维设计的几个基本问题111　设计与成本设计是人类文明的标志。

这是因为设计的本质是创造和革新,是最能发挥人类智能的活动。

产品设计的质量一定程度上决定了企业的经济效益。

一般地说,产品设计费用在产品成本中只占20%左右,但是产品的设计工作却决定了产品75%的成本,这正是企业要引入CAD的主要原因之一。

112　三维设计的意义人在设计零件时的原始冲动是三维的,设计实施的结果是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、制造工艺等等关联概念的三维实体,这也是毫无疑问的,但是,在传统的设计中,在这两者收稿日期:2003206214之间的信息传递竟然全是二维的图形表达。

由于以前的手段有限,人们不得不共同约定了在第一象限(美国是第三象限)平行正投影的二维视图表达规则,用有限个相关联的二维投影图表达自己的三维设想。

这种表达信息是极不完整的,而且绘图、读图要经过专门训练的人进行,以便“纠正”人类头脑中原始的、关于几何形体表达的“错误”。

如果能直接以三维概念开始设计,在现有的软件支持下,可以更直观、准确地表达出设计构思的全部几何参数,整个设计过程就可以完全在三维模型上讨论,对设计的辅助作用就能很容易迅速扩散到全过程,设计的全部流程都能使用统一的数据,有助于完成如装配检查、运动模拟、强度分析、数控编程、产品效果图、物理特性计算等二维设计无法完成的功能。

传统的以二维工作图为主的设计资料管理将变成三维设计数据的保存和管理,而工科大学的机械制图课就可以大幅度删砍,尽量保留学生的三维原始概念,二维工程图的画法也应随之大幅度简化。

三维设计是必然趋势。

只有三维设计才是真正意义上、创成设计的CAD。

只有三维设计,才有可能组建进行有限元分析的原始数据,进而进行零件几何形状的优化设计。

否则就是传统的设计方法:进行多次的台架试验甚至样机考核试验(三维设计不可能完全取代样机试验,除非用CA T技术)。

更不用说装配检查、运动模拟、强度分析、数控编程、产品效果图、物理特性计算等二维设计无法完成的功能了。

113　三维设计的几个层次在CAD的初期阶段,基本上以二维绘图的层次为主。

在今天中国的CAD用户中,二维绘图仍然占有相当大的比例。

利用CAD系统功能作相应的设计,则属于二维设计层次。

对于三维阶段,也有三维造型和三维设计两个层次上的应用。

CAD技术的目标究竟是绘图还是设计(是Drawing还是Design)?这是一个涉及到一些领导者和权威们的长期争论问题。

实质上就是上面所讲两个层次的问题。

完成这两个层次之后,应该是属于协同设计(信息共享)的层次了。

114　正确处理二维和三维的关系从现实的企业应用来说,目前大多数企业的生产组织、工艺编制、档案管理、企业中一般的制造过程、大量常规零件的设计仍然以二维CAD图样为基本载体。

应该说,二维CAD系统和三维CAD系统从二者的关系来讲,有如普通机床与加工中心的关系,是一种互相协调、互为补充的关系。

但从发展来看,三维CAD设计是必然趋势。

产品设计的最终出路在于三维设计,这是无法回避的。

早日进入三维设计,就会早一天取得经济效益和技术效益。

115　正确处理人和计算机的关系人是三维设计的主体,CAD只是计算机辅助设计,而不是CD(计算机设计)。

“以计算机为主体”的设计是三维设计智能化发展的方向。

必须以“我”(成熟的专业设计师)为主,以我的设计思路和原始数据为主,软件永远是辅助者。

学习软件功能和操作方法的过程,就像学外语的过程,结果不是改变自己要表达的内容,而是改变表达的方法。

完全按照软件的设计思路进行设计的观点,会使设计的精华、也就是工程师的创造性,受到很大的限制。

2　三维设计的几个里程碑三维设计的几个里程碑实质上就是三维CAD 的几次技术革命。

自从20世纪50年代CAD技术发展以来,三维设计技术到今天的广泛应用,此间经历了几次大的技术性革命。

211　基于曲面模型基础上的三维设计20世纪60年代出现的三维CAD系统只是简单的线框模型。

这种模型是以形体的棱边或交线作为形体的数据结构来定义的,它只能表达基本的几何信息,不能有效地表达几何数据间的拓扑关系。

由于缺乏形体的表面信息,CAE及CAM均无法实现。

此时的三维设计实质上处于三维绘图阶段。

进入20世纪70年代,法国人提出了贝赛尔算法使得用计算机处理曲线及曲面问题变得可行。

法国达索飞机制造公司也基于此算法,开发出以表面模型为特点的三维造型系统CA TIA。

CA TIA 的出现标志着三维设计技术从单纯模仿工程图样的三视图模式中解放出来,首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息,同时也使得CAM技术的开发有了实现的基础。

在这个时期,CAD技术价格极其昂贵,软件商品化程度也很低。

所以此阶段的三维设计只在少数几家受到国家财政支持的军火商中应用。

如CALMA———由美国通用电气(GE)公司支持、CADAM由美国洛克希德(Lochheed)公司支持、CV———由美国波音(Boeing)公司支持、IDEAS———由美国国家航空及宇航局(NASA)支持、U G———由美国麦道(MD)公司开发、CA TIA———由法国达索(Dassault)公司支持等。

曲面模型主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。

若把线模型中的某些棱边包围的部分定义为“面”,所形成的就是曲面模型。

反映在数据结构中,就是在线模型的数据结构的基础上,增加面的有关信息以及联接指针。

它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺,由Coons、Bezier等大师于20世纪60年代奠定其理论基础。

曲面造型近几年得到了长足的发展,这主要表现在研究领域的急剧扩展和表示方法的开拓创新。

从研究领域来看,曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接,扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性。

212　基于实体模型基础上的三维设计尽管有了表面模型,CAM的问题可以基本解决。

但由于表面模型只能表达形体的表面信息,难以准确表达零件的其它特性,如质量、重心、惯性矩等,对CAE十分不利,最大的问题在于分析的前处理特别困难。

基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索,SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件———I2DEAS。

由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达,给三维设计带来了惊人的方便性。

可以说,实体造型技术的普及应用标志着三维设计发展史上的第二次技术革命。

与曲面模型不同,实体模型规定了表面完整的拓朴关系,从形体的任一个面都可以遍历它所有的面、边和点,并规定了面的哪一侧是实体。

实体模型能够反映外部模型比较完整的几何信息,是真实而唯一的三维物体。

它既能消除隐藏线,产生有明暗效应的立体图象,又可以计算物体质量特性,进行装配体或运动系统的空间干涉检查、有限元分析的前后处理以及多至五轴的数控编程等。

实体造型技术就是用计算机系统来建造、表示、分析和输出实体模型,是CAD/CAM系统的核心技术,也是实现计算机辅助三维设计的基本手段。

常用的几种实体造型方法有:扫描变换法(Sweep)、几何体素构造法(CSG)、边界表示法(B2 rep)、分割表示法(D2rep)和特征造型(Feature Modeling)等。

213　基于参数化技术基础上的三维设计正当CV公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时,进入20世纪80年代中期,以CV 公司副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法———参数化实体造型方法,这种算法主要有以下特点:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。

设计者只须更改尺寸参数,几何及图形立即依照尺寸变更。

当时的参数化技术还有很多技术难点有待攻克,CV公司内部也对是否投资参数化技术展开过激烈争论。

由于投资及工作量将非常惊人、参数化技术还不能为自由曲面提供有效的工具和当时CV软件销售很好。

因此,CV公司内部否决了参数化方案。

策划参数化技术的这些人集体离开了CV公司,成立了一家参数化技术公司(Parametric Technology Corp.———PTC),开始研制名为Pro/ EN GIN EER的参数化软件。

目前,PTC在CAD 市场份额排名已名列前茅。