三维参数化造型及设计.

4、第四次CAD技术革命 ——更上层楼的变量化技术 SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许 多不足之处。 首先，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。

全尺寸约束：即设计者在设计初期及全过程中， 必须通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变 来驱动形状的改变。当零件形状过于复杂时，改 变尺寸达到所需要的形状很不直观；
曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次 CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模 型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。 此时的CAD技术价格极其昂贵，而且软件商 品化程度低，开发者本身就是CAD大用户， 彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家 财政支持的军火商，在70年代冷战时期才有 条件独立开发或依托某厂商发展CAD技术。

2、CAD技术的第二次革命 ──生不逢时的实体造型技术 有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。 但由于表面模型技术只能表达形体的表面信 息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、 重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的 问题在于分析的前处理特别困难。基于对于 CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC 公司于1979年发布了世界上第一个完全基于 实体造型技术的大型CAD/CAE软件 ──IDEAS。
三维参数化造型及设计

第二讲 三维造型基础及SolidWorks概貌
一、CAD发展历程


在CAD发展初期，其含义仅仅是图板的替代品， 即：Computer Aided Drawing(or Drafting)。 而不是Computer Aided Design。 CAD技术早期发展以二维绘图为主要目标，这 一状况一直持续到70年代初期，而此后二维绘 图作为CAD技术的一个分支而相对独立、平稳 地发展，现在我们有许多工作仍然在这些二维 系统中进行，常见的如AutoCAD、CAXA电子图 板、开目CAD等。实际上在今天CAD用户中，特 别是入门级的CAD用户中，二维绘图仍然占有 相当大的比重。


例如： CADAM由美国洛克希德(Lochheed)公司支持； CALMA由美国通用电气(GE)公司开发； CV由美国波音(Boeing)公司支持； IDEAS由美国国家航空及宇航局(NASA)支持； UG由美国麦道(MD)公司开发； CATIA由法国达索(Dassault)公司开发。

曲面造型系统带来的技术革新，使汽 车开发手段比旧的模式有了质的飞跃， 新车型开发速度也大幅度提高，许多 车型的开发周期由原来的6年缩短到只 需约3年。CAD技术给使用者带来了巨 大的好处及颇丰的收益。
由于实体造型技术能够精确表达零件的全部 属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、 CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方 便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。 可以说，实体造型技术的普及应用标志CAD 发展史上的第二次技术革命。 实体造型技术虽然带来了算法的改进和未来 发展的希望，但也带来了数据计算量的极度 膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计 算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显 得比较勉强。实体造型技术也就此没能迅速 在整个行业全面推广开。

再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生 改变，失去了某些约束的几何特征也会造成 系统数据混乱。
SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，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。SDRC于1993年推出全 新体系结构的IDEAS Master Series软件。 众所周知，已知全参数的方程组去顺序求解 比较容易。但在欠约束的情况下，其方程联 立求解的数学处理和在软件实现上的难度是 可想而知的。SDRC攻克了这些难题，并就 此形成了一整套独特的变量化造型理论及软 件开发方法。


3、第三次CAD技术革命 ——一鸣惊人的参数化技术 如果说在此之前的造型技术属于无约束自由 造型的话，进入80年代中期，出现了比无约 束自由造型更好的算法──参数化实体造型 方法。它主要的特点是：基于特征、全尺寸 约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。 参数技术公司(Parametric Technology Corp.)， 研制了命名为Pro/E的参数化软件。由于第 一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们 看到了它今后将给设计者带来的方便性。 可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发 展史上的第三次技术革命。

变量化技术既保持了参数化技术的原有的优 点，同时又克服了它的许多不利之处。它的 成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的 空间和机遇。无疑，变量化技术驱动了CAD 发展的第四次技术革命。 CAD技术基础理论的每次重大进展，无一不 带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以 及制造手段的更新。 实际上，“参数化/变量化设计”并不是 CAD软件带给我们的新设计模式，仅仅是对 传统设计过程的提炼和抽象，为的是能够将 我们的设计过程在计算机软件中处理。

1、CAD技术的第一次革命 ──贵族化的曲面造型系统 60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的 线框式系统。这种初期的线框造型系统只能 表达基本的几何信息，不能有效表达几何数 据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息， CAM及CAE均无法实现。 进入70年代，法国达索飞机制造公司推出了 三维曲面造型系统CATIA，标志着计算机 辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图 模式中解放出来，首次实现以计算机完整描 述产品零件的主要信息，同时也使得CAM 技术的开发有了现实的基础。

二、三维造型基础技术

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1、三维建模 如下图所示，CAD系统包含有三层：数据结 构、模型算法、应用算法。
数据和 程序调用 应用算法 数据 模型算法 数据 模型
数据结构
模型（Model）

其中数据结 体（Object） 构是三维造 型的最基础 壳（Shell） 的部分，现 在一般定义 面（ Face ） 一个形体使 用如右图所 闭合环（Loop） 示的拓扑 （topology） 边（Edge） 结构。