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航空产品结构建模技术发展综述 已有1人参与
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制造业是国民经济的命脉，而设计是产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平直接影响到产品的质量、性能和技术经济效益[1-2]。因此，要提高产品的市场竞争能力，设计起着关键性作用。 产品设计总体上可分为两个过程：产品建模和分析评价，见图1。产品建模是根据功能、性能、工艺和人机环境等设计要求（工程约束），应用科学的原理、知识和经验，通过逐步的构思、计算和表示以获得满足这些需求的产品模型的过程。分析评价是在得到产品模型后，通过理论计算、CAE 仿真、实物试验等方式验证模型是否满足设计要求，进而通过优化设计以更好地满足设计要求的过程。产品建模与分析评价共同构成了产品设计过程，其中前者解决产品设计结果“有无”问题，后者解决产品设计结果“好坏”问题。 产品模型是设计要求和工程约束的具体载体。在现代数字化设计制造环境下，产品模型是产品设计过程的最终产物，并且随着CAD/CAE 集成优化设计、三维标注以及设计制造一体化建模等新技术的融入，产品模型已成为工程分析、优化设计、工艺规划、数控编程、虚拟装配等后续环节的依据和数据源头[3]。 广义的产品模型可以分为3 大类： 结构模型、性能模型和过程模型[4]。结构模型是性能模型、过程模型等广义产品模型的基础，是产品性能的载体，是产品设计过程的最终结果，因此也是本文讨论的主要对象。 产品结构模型是数字化设计制造技术实现的基石和保障，在产品的整个设计体系中占有重要地位，因而对产品结构建模技术的发展脉络进行梳理，把握其发展方向具有重要意义。 面向结果的建模技术 产品结构建模技术是计算机辅助设计（CAD）技术的重要组成部分，并且随着建模需求的增长和相关技术的成熟而不断向前发展。 设计目标、建模过程和产品模型（建模结果）是产品建模的3 个要素。其中，设计目标是建模的起点，产品模型是建模的终点。而产品建模技术的发展却正好与之相反，经历了从面向结果的建模到包含过程的建模，并逐渐向面向目标的建模迈进的历程。 面向结果的CAD 系统忠实记录设计完成后的产品结构、形状、位置、装配关系、工艺要求等最终设计结果。模型中各个几何和非几何元素的尺寸和位置相对固定，各元素之间没有约束关系，也不含有建模历史。修改设计需要删除相关几何元素，再重新绘制，较为困难[5]。这类建模技术只记录了最后结果，而未记录建模过程信息。图3 为某减速器输入轴工程图，是面向结果的建模实例。 面向结果的建模技术包括：二维绘图、实体建模、曲面建模、三维标注等。 1 二维绘图 二维绘图是面向结果的建模的早期形态。传统上使用一个或多个二维视图表达零件及装配体，并通过手工方式将这些视图绘制在图纸上。二维绘图系统就是应用计算机技术取代手工绘图，以解决手工绘图存在的工作量大、效率不高、图形精度低等问题。其主要技术包括基本图形的光栅化绘制算法、求交算法、两图形间的包含判定算法、图形裁剪算法、区域填充算法、图形的坐标变换等[6]。但是，二维绘图技术并未解决用二维视图表示零件存在的不直观、不完整等局限性。因此，随着计算机技术的发展，人们很自然地提出了用实体及自由曲面的方式在三维空间中直接表示产品形状。 2 实体建模 实体是封闭的三维形体，它将整个三维空间分成实体内部、实体外部和实体边界上3个部分[7]。因而利用实体模型可以计算模型的体积、惯性矩等整体属性，可以进行干涉检查和碰撞检测，还可以应用有限元分析等方法对模型进行力学仿真。在CAD 领域，有3种比较常见的实体建模方法，即构造实体几何（CSG）方法、边界表示（B-Rep）方法和八叉树（Octree）方法。 3 曲面建模 利用边界表示方法和构造实体几何方法已经可以表示复杂多面体，但若要构建更为复杂的包含自由曲线曲面的模型，还需要在两者基础上附加曲线、曲面的建模方法。 对自由曲线曲面描述方式的研究始于航空和汽车工业。1963 年美国波音公司的Ferguson 首先提出用参数形式的矢量函数来表示曲线曲面[8]，从此这成为曲线曲面形状数学描述的标准形式。1971 年，法国Renault 汽车公司的Bézier 提出了一种由控制多边形定义曲线的方法[9] ：设计人员只需移动控制顶点就可方便地修改曲线的形状，而且形状的变化完全在预料之中。1974 年，美国通用汽车公司的Gordon 和Riesenfeld 在研究Bézier 方法的基础上，引入了B 样条方法[10]。它在兼具Bézier 方法几乎全部优点的基础上，还具有局部性，便于修改。1975 年，Versprille 在其博士论文中将B 样条方法推广到有理情形，首先提出了非均匀有理B 样条（Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS）的概念[11]，解决了B 样条曲线曲面无法精确表示圆锥曲线和初等解析曲面的问题，从此NURBS 逐渐成为工业界描述产品自由曲线曲面形状的标准方法。2003 年，Sederberg 提出了T 样条方法[12]，T 样条允许控制网格中出现T 型控制点，从而为产品形状描述提供了又一个有力工具。 4 三维标注 实体建模与曲面建模技术的有机结合可以精确表示设计过程中产品模型的几何形状，但由于没有有效的制造工艺信息的三维表示方法，在后续的产品加工、检测过程中仍需要二维工程图、工艺单等作为辅助，从而带来了重复工作多（需要从三维模型转为二维工程图），数据源的多元性难以保证数据的一致性，修改不便等问题。 为解决上述问题，1997 年波音公司发起了三维标注技术及其标准化的研究，2003 年形成美国国家标准ASMEY14.41-2003《数字化产品定义规程》。紧接着Dassault、UGS、PTC 等公司分别在自己的CAD 产品中实现了三维标注技术[13]，该技术的出现使得产品设计和制造过程最终摆脱二维工程图的束缚成为可能。 阅读全文  微信扫描左侧二维码，关注航空制造网，分享更多最新航空制造技术知识 |
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