飞机结构设计
曲面造型新方法
• 传统NURBS造型，仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面 形状 ，修改不方便
• 设计方法有扫掠法(Sweeping)，蒙皮法(Skinning)，放样(Lofting) 法和旋转法，
• 修改时调整生成曲线形状来改变曲面形状 • 现有造型手段过于简单、不便用户使用，难以实现曲面的有效修
京航空航天大学出版社 • 童秉枢，现代CAD技术，清华大学出版社 • 唐荣锡，CAD/CAM技术，北航出版社 • 蔡青等， CAD/CAM系统的可视化、集成化、智能化、
网络化，西北工业大学出版社 • 范玉青，现代飞机制造技术，北航出版
飞机结构设计
CAD软件系统：几何造型技术
• 几何造型技术是一种研究在计算机中，如何表达物体模型形状的 技术。
• 在几何造型系统中，描述物体的三维模型有三种
• 线框模型 • 表面模型 • 实体模型。
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数字建模－模型表示方法
• 线框模型 • 表面模型（注重几何描述，曲面） • 实体模型 （注重几何体之间的拓扑关系）
o 边界表示（Brep） o 构造几何表示（CSG）
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数字建模
• 数字建模，即如何构造、计算几何外形 ； • 形状分析，包括曲面的奇性分析、凸性分析、基于有限元的曲线曲面工
飞机结构设计
NURBS曲面（90个）
飞机结构设计
曲面造型技术: 隐式曲面造型技术
• 具有几何运算下的封闭性； • 定义了一个半空间，将空间分为：
f(Байду номын сангаас,y,z)0
曲面的内侧
f(x,y,z)0
曲面的外侧
f(x,y,z)0
曲面之上
• 用于计算机动画中，如人体的肌肉、水滴、云、烟 等物体的造型和表现飞．机结构设计
内部 数据库
GKS元文件
API：GKS/PHIGS/GL
外部 数据库
图形元文件
CGM
CGI
设备相关服务
操作系统通信接口
非图形设备
图飞机形结构工设计作站
图形设备
内容
CAD硬件 CAD软件系统：
光栅图形学 图形变换 几何造型技术 真实感图形学 图形标准
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曲线曲面 实体 参数化 特征 新的几何建模方法
飞机结构设计
• CAD/CAM技术是一项综合性的高新技术，该技术的应用和发展， 已引起一场深刻的产品设计与制造的技术革命，对产品结构、产 业结构、管理结构、生产方式以及人才知识结构等产生重大的影 响。
• 1989年，美国国家工程科学院将CAD/CAM技术评为当代十项最 杰出的工程技术成就之一
• 伴随着计算机技术和计算机图形学技术的发展而迅速发展起来的
飞机结构设计
自由变形法
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能量优化法（Minimal Energy）
• 以曲线曲面拥有最小物理变形能为目标，运用各种约束及施加外 载荷的方式控制曲线曲面造型方法
• 首先要解决的是确定优化过程的目标函数（从物理变形能、从几 何性质出发）
程可用性分析等； • 形状修正与变形，即在形状分析的基础上修改模型，直至满足设计者的
意图。
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数字建模
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曲面造型技术
曲面造型技术的研究领域包括
曲面表示 曲面拼接 曲面重建 曲面转换
曲面求交 曲面变形 曲面简化 曲面位差
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曲面造型技术
在曲面的表示方法上，曲面造型技术大致包括以下几类：
改
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变形曲面造型技术
• 变形造型：假定物体有很好的弹性，在外力（拉 深、 压缩、扭转、弯曲）的作用下，要发生变形
➢ 1982, Barr: 拉伸、均匀张缩、扭转和弯曲等变形的数学表示 （非自由变形） ; ➢ 1986, Sederberg和Parry: 自由变形(Free-Form Deformation,FFD) ; ➢ 1990, Coquillart: 广义FFD方法(Extended Free-Form Deformation,EFFD); ➢ 1992, Hsu等:直接操纵物体变形的方法(Direct Manipulation of FreeForm Deformation,DFFD); ➢ B样条表示的变形造型; RFFD;轴变形方法(Axial Deformation)等.
OPENGL 图形交换标准
• CAD系统集成化：
• CAE • CAPP • CAM • PDM、CIMS、CE、ERP
• CAD热点：
• 网络化CAD系统：系统构成、模型压缩 • 智能化CAD系统 • 逆向工程
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参考文献
• 朱心雄，自由曲线曲面造型技术，科学出版社 • 施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条，北
计算机辅助设计
飞机结构设计
计算机辅助设计
• Computer Aided Design （CAD） • 使用计算机帮助人们进行产品和工程设计领域中的各项工作 • 设计人员通过人一机交互操作的方式进行产品设计构思和论证，
产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、 热、电、磁的分析计算和零件加工信息(工程图纸或数控加工信息 等)的输出，以及技术文档和有关技术报告的编制。
➢ 参数曲面造型技术 ➢ 隐式曲面造型技术 ➢ 细分曲面造型技术 ➢ 变形曲面造型技术 ➢ 基于形状混合的曲面造型技术 ➢ 其它曲面造型技术
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曲面造型技术:参数曲线曲面描述
• 曲线
o 参数三次样条 o Bezier曲线 o B样条曲线 o NURBS－－非均匀有理B样条曲线
• 曲面
o Ferguson曲面 o Coons曲面 o Bezier曲面 o B样条曲面 o NURBS曲面
飞机结构设计
• CAD(CAM)技术不能代替人们的设计和制造行为，而只是实现这 些行为的先进手段或工具。
• 人们设计和制造行为，则由专业技术人员的创造能力和工作经验， 以及现代设计方法等所提供的科学思维方法和实施办法来确定。
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CAD系统软件结构
其他
IGES/
系统
STEP
专业CAD系统
通用CAD系统 图形语言连接
形状修改
• 修改控制顶点、微分几何特性 • 权因子、重节点、重顶点 • 裁减（Trim） • 过渡（Blend） • 布尔操作（Bool）
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切矢的修改
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CAGD目前的研究热点
• 计算机辅助几何设计（CAGD） • 曲面造型新方法 • 曲面转换 • 复杂形体建模 • 约束求解