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(jì)包含了工程設(shè)計(jì)與工業(yè)設(shè)計(jì)兩大方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容。目前產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都普遍使用了CAD技術(shù),利圖1工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程用CAD可以很好地整合工程設(shè)計(jì)與工業(yè)設(shè)計(jì)。從圖1所示的設(shè)計(jì)流程來(lái)看,形態(tài)設(shè)計(jì)占據(jù)著一個(gè)重要的位置。產(chǎn)品的形態(tài)對(duì)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(guò)多次的評(píng)價(jià)和反復(fù)修改,因此如何能夠快速、準(zhǔn)確、真實(shí)地建立產(chǎn)品的三維模型是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)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(jī)械設(shè)計(jì)的建模相比,最大的區(qū)別是機(jī)械設(shè)計(jì)中零件形態(tài)以標(biāo)準(zhǔn)解析形態(tài)為主,而產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)中復(fù)雜的自由曲面形態(tài)占據(jù)主要的地位。標(biāo)準(zhǔn)解析形態(tài)用許多設(shè)計(jì)軟件所具有的體素造型方法就能滿(mǎn)足要求,而復(fù)雜曲面的建模則是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題,首先復(fù)雜的曲面不可能用幾個(gè)基本的尺寸就確定下來(lái),也不能用幾個(gè)視圖的投影形態(tài)來(lái)確定;其次復(fù)雜曲面的建模需要使用大量的計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)知識(shí)和建模技巧。從目前的國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)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(guò)把曲面分解成大量的面片來(lái)表示自由復(fù)雜形態(tài),通過(guò)修改面片及其控制頂點(diǎn)的空間位置和控制矢量來(lái)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(xì),同時(shí)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(diǎn),四個(gè)層次的子物體,用戶(hù)可根據(jù)需要在任一層次上進(jìn)行修改,從而改變整體的形狀。樣條建模方法?？杉?xì)分為Bezier,B樣條和NURBS方法。其中NURBS方法是目前功能最強(qiáng)、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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布的STEP標(biāo)準(zhǔn)中,NURBS被確定為工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法。目前的高級(jí)三維設(shè)計(jì)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(diǎn);ωi為相應(yīng)的權(quán)重;Ni,p為定義在節(jié)點(diǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn):①統(tǒng)一表示了標(biāo)準(zhǔn)解析形狀和自由形狀;②具有B樣條、Bezier的所有優(yōu)點(diǎn),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(tái)的選擇

進(jìn)行三維形態(tài)的設(shè)計(jì)的最佳硬件、軟件平面臺(tái)是使用工作站系統(tǒng)。工作站具備圖形設(shè)計(jì)必備的高速計(jì)算和高質(zhì)量畫(huà)質(zhì)的特點(diǎn),工作站上的軟件擁有最強(qiáng)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(jì)的理解工作平臺(tái)。典型的工作站設(shè)計(jì)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(wàn)美元,這是一般的中小企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)難以承受的。目前我國(guó)大量的CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)還在微機(jī)上,并已有了大量的研究及應(yīng)用成果。微機(jī)具有投資小,靈活多變,便于升級(jí)的特點(diǎn),近年來(lái)的發(fā)展非常迅速,只要我們對(duì)市場(chǎng)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。現(xiàn)在如果選用雙CPU主板配以?xún)蓧KPⅢ500,512MB內(nèi)存,加上ELSAGloriaSynergy顯卡、17"SONY特麗瓏顯示器,投入不足2萬(wàn)元人民幣,即可獲得近似工作站級(jí)的性能。微機(jī)平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)軟件要數(shù)3DSTUDIOMAX最為流行了,它是一個(gè)運(yùn)行于NT環(huán)境下的面向?qū)ο蟮亩嗑€程、可充分發(fā)揮對(duì)稱(chēng)多處理器和任意網(wǎng)絡(luò)渲染能力的強(qiáng)大軟件。3DSMAX中加入了NURBS模塊,且具備良好的開(kāi)放性,并在版后可利用世界頂級(jí)渲染器——智能圖像公司的MentalRay進(jìn)行著色,使該軟件的綜合能力有了大大增強(qiáng)。但是3DSMAX也存在許多不足,對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)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N(xiāo)URBS造型能力比其它優(yōu)秀軟件來(lái)說(shuō)還不夠強(qiáng)大;③在3DSMAX中用NURBS建模時(shí),軟件的運(yùn)行速度會(huì)下降許多,當(dāng)你要做更為復(fù)雜的產(chǎn)品模型時(shí),這種現(xiàn)象更為明顯。另一套完全基于NURBS的純?cè)煨蛙浖hinoceros是PC機(jī)上功能強(qiáng)勁的建模工具,其設(shè)計(jì)團(tuán)體是原來(lái)的AliasDesignStudio的程序設(shè)計(jì)師,其Be-ta測(cè)試版歷經(jīng)一年半的網(wǎng)上自由測(cè)試,是有史以來(lái)最嚴(yán)格的自由測(cè)試軟件。Rhinoceros的界面和使用方法與Auto-CAD極為相似,且對(duì)系統(tǒng)要求不高,最新發(fā)布的版售價(jià)僅為799美元。該軟件建模功能強(qiáng)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(gè)有力補(bǔ)充。

3典型工作流程

基于以上的討論,我們提出了一個(gè)進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品復(fù)雜形態(tài)設(shè)計(jì)的典型工作流程:首先在Rhinoceros中用其強(qiáng)大的NURBS造型工具對(duì)復(fù)雜的、主要的形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jìn)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(shí)感計(jì)算所需參數(shù)。渲染效果并進(jìn)行真實(shí)感顯示。以下,我們以汽車(chē)車(chē)輪的設(shè)計(jì)為例,簡(jiǎn)述整個(gè)過(guò)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(qiáng)大的曲面編輯工具制作內(nèi)孔過(guò)渡曲面、螺釘孔及倒角曲面;圖6完整的車(chē)輪模型將所得輪轂形狀以IGES格式輸入3DSMAX中;在3DSMAX中制作車(chē)胎、螺釘、碟剎等輔助部件;圖7最終渲染效果設(shè)定車(chē)輪各部份的材質(zhì)。在車(chē)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?chē)h(huán)境的特性,產(chǎn)生很強(qiáng)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(xì)膩的紋理;渲染生成最終效果。

4結(jié)束語(yǔ)

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