计算机三维建模

CAD三维建模技术的发展和应用

摘要

三维建模技术的崛起以及虚拟现实技术的出现，为生产设计和创新提供了一种非常好的工作平台。设计人员可以直接从三维概念和构思入手，通过模型仿真来分析和评价设计方案的可行性和可靠性。随着三维建模理论的日趋成熟，出现了许多优秀的建模技术与软件，其应用领域也越来越广泛。

关键词：CAD 三维建模

1、CAD的基本概念

计算机辅助设计（CAD）技术是在产品开发过程中使用计算机系统辅助产品创建、修改、分析和优化的有关技术。这样，任何嵌入了计算机程序和在设计过程中使工程变得容易进行的应用程序，都归类人CAD软件。换言之，CAD工具包括了从创建形体的几何建模工具到诸如分析、优化应用程序的所有工具。目前，可以使用的典型工具包括公差分析、质量属性计算、有限元建模和分析结果的可视化。CAD 最基本的功能是定义设计的几何形状，这里所说的设计可以是机械零件、建筑结构、电子电路和建筑平面布局等的设计，这是因为设计的几何形状是产品周期中后续各项工作的基础。计算机辅助绘图系统和几何建模系统典型地应用于这一目的，这也是这些系统被称为CAD软件的原因。此外，这些系统所建立的几何模型是执行后续CAE和CAM 中其他功能的基础，这是CAD最大的优点之一，因为它可以节省重新定义几何形状所需要的大量时间，也可以减小因此而造成的出错概率。因此，我们说计算机辅助绘图系统和几何建模系统是CAD中最重要的组成部分。

2、CAD技术的产生和发展

CAD是指使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方案构思。零件造型、工程分析、工程制图、文档编制等。在设计的各个阶段，计算机都能发挥其辅助作用，因此CAD概念一产生，就成为一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支持，并迅速得到发展和日益完善起来。

20世纪60年代初，美国麻省理工学院开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理系统，并描述了人际对话设计和制造的全过程，形成了最初的CAD概念。随着计算机软硬件的发展，计算机逐步应用于设计过程，形成了CAD系统，同时给CAD概念加入了新的含义，逐步形成了当今应用十分广泛的CAD/CAE/CAM集成的CAD系统。从CAD 概念产生至今，CAD技术经历了多个发展阶段。

从20世纪60年代初到70年代中期，CAD系统开始商品化，主要技术特点是二维、三维线框造型，只能表达基本的几何信息，不能表达几何数据间的拓扑关系，需配备大型计算机系统，价格昂贵。该时期具有代表性的产品是：美国通用汽车公司的DAC-1，洛克希德公司的CADAM系统。CAD技术开始进入应用阶段。

20世纪70年代后期，CAD技术进入发展阶段。由于集成电路的问世，CAD系统价格下降。此时正值飞机和汽车工业蓬勃发展的时期，飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题。法国索达飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。该阶段的主要技术特点是自由曲面造型。曲面造型系统为人咧带来了第一次CAD技术革命。一些受到国家支持的军用工业相继开发了CAD软件，如美国洛克希德公司的CADAM、美国通用汽车公司的CALMA、美国波音公司的CV、美国国家航空及宇航局支持开发的I-DEAS、灭国麦道公司的UG等。

20世纪80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大的发展。因为表面模型技术只能表达形体表面的信

息，而难以准确地表达零件的其他属性如质量、质心、惯性矩等，所以对CAE技术而言十分不利，其最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司第一个开发了基于实体造型技术的CAD/CAE软件I-DES。由于实体造型技术能够精确地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，因此称之为CAD发展史上的第二次技术革命。但由于当时的硬件条件还不能满足实体造型技术所带来的数据计算量极度膨胀

的需求，因此使实体造型技术没能很快在整个行业中全面推广开来。

20世纪80年代中期，CV公司的一些人提出了参数化实体造型方法，其特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计等。策划参数化技术的这些人成立了一个参数技术公司，开始研制Pro/E的参数化软件。进入20世纪90年代，PTC在CAD市场份额中名列前茅。可以认为，参数化叫技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

20世纪90年代初期，SRDC公司在摸索了几年参数化技术后，开发人员发现参数化技术存在许多不足之处。“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。为此，SRDC的开发者提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术——变量

化技术，并历经3年时间，投资1亿多美元，推出了全新体系的I-DEAS Master Serise软件。变量化技术就成就了SRDC，也驱动了CAD技术发展的第四次技术革命。

目前，CAD技术日益完善，许多发达国家相继推出成熟的

CAD/CAE/CAM集成化的商品软件，在设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各方面出现了许多成熟的现代CAD技术。当今CAD技术是计算机在工程中最有影响的应用技术，它作为现代工程制造技术的重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新与改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争力，加强国民经济发展的一项关键性高新技术。

3、三维几何建模

形体的表达和描述是建立在几何信息和拓扑信息处理基础上的。几何信息一般是指形体在欧氏空间中的形状、位置和大小，拓扑信息用来表达形体各分量间的连接关系。几何建模主要包括几何信息、拓扑信息、非几何信息、形体的表示、正则几何运算、欧拉检验公式等。

4、几种模型及建模方法

（1）线框模型：线框模型是CAD/CAE/CAM系统发展中应用最早的三维建模方法，线框模型是三维图的直接延伸，即把原来的平面直线、圆弧扩展到空间，使其产生立体感，所以点、直线、圆弧和某些二次曲线是线框模型的基本几何元素。三维线框模型所需信息量最少，因此具有数据结构简单、对硬件要求不高、显示响应速度快等优点，但随着三维建模技术的发展，线框模型也暴露出一些弱点。首先，它的几何描述能力较差，只能提供一个框架，而不能给出轮廓县内有关面的信息，所以在有些情况下线框模型存在多义性。

（2）表面模型：表面模型是将物体分解为组成物体表面、边线和顶点，并用表面、边线和顶点的有限集合来表示和建立物体的计算

机内部模型。根据表面建模方法不同，曲面可以分为扫描曲面、直纹面、复杂曲面。复杂曲面又分为孔斯曲面、Bezier曲面、B样条曲面。

（3）实体模型：实体建模是建模技术的高级形式，它是从20世纪70年代后期开始发展起来的方法，不但能够准确定义一个物体的几何形状，提供物体完整的几何信息和拓扑信息，而且能够表示形体的色泽、体积、重心和转动惯量等物性，是进一步对设计对象进行工程分析的基础。实体建模系统支持建模方法有体素的定义及扫描、布尔运算和边界建模。

（4）装配模型：在用计算机完成零件造型后，根据设计意图将不同零件组装配合在一起，形成于实际生产品相一致的装配体结构，以供设计者分析评估，这种技术成为装配建模技术。

（5）参数化建模：对一个现代企业来讲，决定其经营成败的关键问题之一是能否快速开发出新产品并缩短产品的上市时间，因此产品的设计要有充分的柔性，并且设计过程的模型要能精确地反映实际设计活动，同时又能迅速的重构，使产品的设计信息能够重用。几乎所用产品的设计都是改进型产品设计，而且原来产品设计信息中的70%左右在新产品设计时可以被重新利用，参数化设计技术就是在这样的背景下产生的。

在参数化设计中，设计人员可以根据自己的设计意图很方便的勾画出设计草图，系统能够自动地建立设计对象内部各设计元素之间的约束关系，以便设计者在更新草图尺寸时，系统能够通过推理机能自动地更新校正草图中的几何形状，并获得几何特征点的正确位置分

布。产品设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计自动化必须采用参数化的方法。

（6）特征建模：自20世纪70年代末提出特征的概念以来，特征至今仍没有一个严格的、完整的定义。一般认为特征作为一个专业术语，它应当兼有形状和功能这两个方面的属性，即特征既应当包含产品的几何定义信息，又应当包含与产品设计和制造有关的信息，其中既有形状信息，又有非形状信息。

特征具有如下一些特点：

1）特征与零件的几何描述相关；

2）特征有一定的工程实际意义。在不同的工程领域，特征的内容可能不同。在具体应用中，特征应覆盖所需要的信息；

3）特征可被识别与转换。

特征建模的方法涉及交互特征定义、特征自动识别和基于特征识别的设计三个方面。

参考文献：

[1] 袁清珂.《CAD/CAE/CAM技术》，电子工业出版社，2010.3.

[2] 王定标, 郭茶秀, 向飒.《CAD/CAE/CAM技术与应用》，化学工业出版社，2005.6.

[3] 仲梁维, 张国全.《计算机辅助设计与制造》，中国林业出版社，2006.8.