虚拟产品设计

模型层：
主要解决产品建模和过程建模通过产品模型 的仿真分析．设计人员可以获得对产品行为 的认识，评价产品行为，并为建模提供反馈； 通过对产品开发过程的仿真，确定采取何种 设计活动运作方式，调用设计过程动态运作 的仿真结果实现对设计过程的监督和控制。
仿真ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：
主要解决系统(产品)在特定环境下的响应，
建模的概念：对象的描绘过程称为建模， 对象的造型也简称为建模。
几何建模：
1.概念：指用计算机机及图形工具描述几何 物体 的形状、设计几何形体、模拟物体动 态处理过程的一门综合技术，它可将物体 的形状及属性存储在计算机中，形成物体 的几何模型。
2.几何模型的分类：
线框模型
表面模型
实体模型 构造实体几何法（CSG ）
语言类：C++，OpenGL, VRML 建模软件类：AutoCAD, SolidWorks,
Pro/Engineer, I-DEAS, CATIA 应用软件类： 指用户按自己的要求选择或开
发的自用软件。
通用的商用工具软件包 ：帮助用户建立虚拟 环境的通用和基本的软件。
虚拟产品设计的框架
虚拟产品设计过程主要围绕以下三个核心功能展开：
产生背景： 为适应迅速变化的市场需求， 提高市场的竞 争力，现代的制造企业必须解决TQCSE难题。 而虚拟产品设计基本不消耗资源及能量，是 产品的设计，开发在计算机上的本质实现。 它有高度集成，快速成型，分布合作等特征， 而这些特征可以很好的解决TQCSE问题。
虚拟产品设计的发展轨迹：
20世纪60年代：虚拟现实思想的提出及初步 发展。（头盔显示器）
模型层(Models Level) 仿真层(Simulation Level) 集成优化层(Integration and Optimization Level) 结果评估决策层(Results Evaluation and
Decision Level)
由三核心四层次组成的虚拟产品设计的环境框架：
势。
结构
硬件组成
输入输出设备：基于CRT和LCD的头盔显 示器（HMD）、普通计算机显示器、投影 系统、可视化眼镜、数据手套、数据背心、 蹋滚、摇杆、触垫、触觉球、麦克风、合 成器、耳机和音响系统；
信息采集存储设备；
高速计算系统；
网络结构（星状、总线、环状）、异种机 网络、通讯硬件等。
软件组成
边界表示法（B-rep）
3.三维实体的建模技术 实体的表示方法（CAD系统中）： （实体指的是在空间具有有限体积的物体，它
既有几何特性，如面积，形状和中心等，又 有物理特性，如质量、重心等。）
a.构造实体几何法（CSG ） b.边界表示法（B-rep） c.扫描法
a.构造实体几何法（CSG ）
该方法是指将一简单的实体（也称为基本体 素）进行一定的集合运算构成所需设计的复 杂物体。
虚拟产品设计
Virtual Product Design
目录
虚拟产品设计的产生背景 虚拟产品设计的发展历程 虚拟产品设计的定义 虚拟产品开发的特点 结构：硬件，软件组成 虚拟产品设计的框架 实现方法：1.几何建模，2.工具性软件，3.具体实现过程 功能和应用 发展前景
虚拟产品设计的产生背景
20世纪80年代：（美国）取得瞩目的研究成 果，至此引起人们对虚拟现实技术的关注。 （数据手套）
20世纪90年代：取得突飞猛进的发展，且将 技术成果集成于使用的应用系统中。
虚拟产品设计定义
虚拟产品设计技术是虚拟现实技术在制造中 的应用或实现。
虚拟产品设计是一种新的设计技术，是现实 设计环境和制造环境的计算机内部映射，是 虚拟制造重要内容。虚拟制造是以仿真技术、 虚拟现实技术等为支撑，对设计、加工、装 配、维经过统一建模形成虚拟的环境、虚拟 的过程、虚拟的产品。
虚拟产品开发的特点
虚拟产品设计继承了虚拟现实技术的所有特点（3I： Immersion，Interaction， Imagination）。
继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果。 具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设
计。 支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，
从而缩短产品开发周期。 便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优
结果评估决策层：
该层应该对仿真结果的可靠性进行评估．
在考虑不确定性困素的情况下做出设计决策 也是基于仿真的虚拟产品设计环境应该考虑 的问题之一。
虚拟产品设计的实现方法 （几何建模，工具性软件）
概述： 虚拟产品开发的的显著特点是利用存储在计 算机内部的数字化模型——虚拟产品来代替 实物模型进行仿真、分析、从而提高产品在 时间、成本、服务和环境等多目标的决策水 平，达到全局化和一次性开发功能的目的。
这种方法实现实体建模的过程就是集合运算 的过程，此过程可以形象地用二叉树—— CSG表示。
CSG定义了物体的构成体素和构造方式。
图３
树的非终端结点
表示操作，如移 动，正交、并、 差运算
根结点表示集合运算 的最终结果
叶子结点表示参与 运算的基本体素 或是一个变换叶 子
ｂ.边界表示法（B-rep）
设计什么样的产品(WHAT)? 产品各方面特性的研究(HOW)?： 产品设计结果评价，即回答为何这样设计(WHY)?
每一个新产品设计的结束，都是同时解 决了“设计什么 、 如何设计”和“为 WHAT 何这样设计的结果 如图1所示：
HOW
Virtual Produc t Design
WHY
图1
虚拟产品设计的四个主要层次：
该方法是通过描述物体的表面边界来表示物体 的。
一个物体的边界把物体分为物体的内部和外部， 同时边界也构成了物体与周围环境之间的面。
求得响应并不是仿真的最终目的，理想的情 况是获得设计空间和响应空间映射关系．从 而把握设计本质．预测所关心的产品特性， 优化设计结果。
集成优化层：
一方面是为了获得对整个产品整体的认
识，更重要的是实现系统层次上的优化，将 多个仿真得到的产品各种不同行为(具体体现 为各种不同形式的性能指标)作为目标函 数．对满足一定约束条件的多个可能的设计 组合进行优化决策，找到系统性能的最优。