基于CATIA天圆地方的建模和展开

基于CATIA天圆地方类结构件的精确建模及展开研究

李川

（北华大学机械工程学院，吉林吉林）

摘要：天圆地方类结构件的精确建模一直是计算机辅助设计的难点，当前一些三维设计软件已经能够对这类结构件进行比较精确的建模，例如Pro/E、UG及AutoCAD，但具体操作非常复杂。CATIA软件由于自身建模规则的限制，一般建模操作不能够很精确对天圆地方的过渡段进行实体生成。本研究基于天圆地方表面特征结合CATIA软件参数化建模的方法获得可变参数的实体模型，修改相关参数就能获得不同参数的实体模型，大大降低了设计时间。在获得实体的模型的同时，利用CATIA的曲面展开功能对其进行精确展开。

关键词：天圆地方；CATIA；参数化建模；展开

过去使用CATIA软件对天圆地方类结构件的建模方法是先在创成式曲面工作平台对这类零件创建立体线框，利用填充命令生成天圆地方的每一个曲面，并将这些曲面结合在一起。接着进入到零件工作平台，利用增厚命令完成实体的创建。这种方法虽然能够完成天圆地方的基本形状，但我们仔细观察其平面和平面的过度圆弧部分就会发现，圆弧部分向天圆地方内部存在着较小的凹陷，与准确的天圆地方模型存在着偏差，进而影响展开图样的精确性。在进行修改后生成精确的过度圆弧曲面，又面临一个新的问题，CATIA零件工作台的中的增厚、抽壳等壳体命令受软件建模法则的限制无法对其进行识别，进而不能够生成壳类实体。本文分析了天圆地方的表面特征，利用CATIA软件的建模特点对其进行精确建模和展开。

一、建模思路

建模的主要思路为：先在创成式曲面工作平台对这类零件创建线框，利用填充完成平面曲面的构建，过渡圆角部分采用的扫掠命令，接着将生成的曲面用结合命令结合在一起，接着在零件界面里面用封闭曲面命令创建天圆地方封闭实体，由于实际应用的天圆地方构建一般为壳类零件，我们用抽壳命令无法对生成的封闭实体进行抽壳。为此我们在按照上述方法新的实体集中再创建一个天圆地方实体，其高度保持不变，只是顶面圆和长方体的尺寸向内缩小一个壳体厚度。接着利用CATIA的布尔操作，对两个封闭实体进行布尔移除操作，完成天圆地方模型的创建。在建模的过程，将要输入的几何数值进行参数化，以便生成的模型具有可变性。

二、创建设计参数

对于天圆地方类结构件，最基本的设计参数有顶圆的半径r，地面的长方形的长L和宽B(正方形长宽相等)，顶面和底面之间的距离H以及毛坯板材的厚度t。利用CATIA知识工程工具条的公式命令或者是菜单栏上工具里面的公式选项，创建上述参数如图1所示，创建完后可以看到操作树上出现参数分支如图2所示。

图1

图2

三、创建天圆地方内外天圆地方曲面

完成参数创建之后进入到CATIA的创成式曲面工作

平台，以XY平面为天圆地方底面进行线框的构建。利用

平面命令创建天圆地方顶部平面如图3所示，在创建顶面

时参考面选择XY平面，输入平面偏移值的数值时，在输

入框里面单击右键选择编辑公式如图4所示，在弹出的公

式编辑器里面选择参数H如图5所示，然后单击确定完

成平面的创建。其他参数按照这种方法进行操作，下面不

再进行详细介绍。

图4 图5

使用CATIA草图命令在XY平面上创建外部长方形草图见图6，其长度为L，宽度为B。接着使用直线命令将外部长方形描一遍，得到独立直线的外部长方形线框，注意不要使用CATIA分解命令对草图进行分解得到外部长方形线框，因

为分解得到的线框不会随着设计参数的变化而变化。按照这种方法在XY平面完成天圆地方内部线框长方形线框见图7，其长度为L-2t，宽度为B-2t。描完草图草图之后将草图进行隐藏。

图6 图7 使用CATIA圆的命令在天圆地方顶部平面（操作树上的平面1）创建1/4外线框圆弧和内线框圆弧见图8，其半径分别为r和r-t。然后使用CATIA直线命令创建如图9所示的直线。

图8 图9

使用CATIA扫掠命令，扫掠子类型选择两条引导线，完成内外过渡曲面的创建见图10和图11。在进行扫掠面的生成过程，注意脊线的选择，脊线要选择引导曲线2所选择的直线。

图10 图11

按照上述过渡圆弧的生成方法，创建剩余的内外过渡圆弧曲面见图12和图13（对于底部是正方形的天圆地方，由于四个过渡圆弧一样可以采用阵列的方法进行创建）。

图12 图13 接下来使用CATIA填充命令对剩余曲面的进行创建并将线框隐藏起来见图14，并使用CATIA结合命令分别将内外曲面的所有组成曲面部分结合起来见图15和图16，这时可以看到结构树生成结合.1和结合.2。

图14 图15 图16

四、生成天圆地方模型

进入到CATIA的零件工作平台，选择菜单栏插入中的几何体，创建新的几何实体，这时操作树上出现几何体.2，且几何体.2为当前工作对象。使用CATIA 封闭曲面命令创建内部取出实体见图17，在封闭曲面时要封闭的对象选择结合.1。接着将零件几何体设定为当前工作对象，使用封闭曲面创建天圆地方封闭实体并将结合.1和结合.2隐藏起来见图18。

图17 图18

最后使用CATIA布尔操作工具条的移除命令，将几何体.2和零件几何体进行移除运算见图19，在进行移除运算的时候，移除选择几何体.2，从选择零件几何体。修改结构树上的参数，可以获得不同尺寸的天圆地方，例如将顶圆的半径r改为20得到的新的天圆地方的模型见图20，这种建模方法可以大大降低设计的时间。

图19 图20

五、天圆地方展开图样实体的生成

在CATIA新建一个零件文件，按照上述方法完成天圆地方外部曲面的创建，并将外部曲面的各个组成部分结合在一起。天圆地方外部曲面的创建结果见图21。接着使用CATIA展开命令将结合后的天圆地方外部曲面展开见图22。

图21 图22 进入CATIA零件操作平台，使用增厚命令创建展开实体见图23。在进行增厚操作时，偏移选择展开.1，第一偏移创建参数t。修改操作树上的参数值可以获得不同尺寸天圆地方的展开实体。