【正文】 ，工程師可圈出該部位，并加上批注，便于修改設(shè)計。與傳統(tǒng)的設(shè)計和制造相比較，虛擬設(shè)計具有高度集成、快速成型、分布合作等特征，具體的優(yōu)點如下：1)虛擬設(shè)計繼承了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的所有特點；2)虛擬設(shè)計繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計的優(yōu)點，便于利用原有成果；3)具有仿真技術(shù)的可視化特點，便于改進(jìn)和修正原有設(shè)計；4)支持協(xié)同工作和異地設(shè)計，利于實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；5)便于利用和補充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢。虛擬設(shè)計技術(shù)不僅在科技界，而且在企業(yè)界引起了廣泛關(guān)注，成為研究的熱點。(4) 虛擬環(huán)境中的人機互動工程學(xué)。幾何建模的基礎(chǔ)匯集了多門學(xué)科，如拓?fù)鋵W(xué)、解析幾何學(xué)、微分幾何學(xué)、投影幾何學(xué)、數(shù)字?jǐn)?shù)學(xué)法、集合論和矩陣代數(shù)學(xué)等，從而形成理論和應(yīng)用信息科學(xué)專業(yè)領(lǐng)域，如軟件工程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和圖論等。1)線框模型 線框模型是表面模型與實體模型的基礎(chǔ)，通過點元素和棱邊元素定義并按層次排列成體——邊——點關(guān)系，用物體的棱邊或輪廓線(曲線、直線、圓弧)描述零件或產(chǎn)品的形狀特征。2)表面模型 用一組表面表示物體的外形，將棱邊有序連接而構(gòu)成實體的表面結(jié)構(gòu)。表面模型可以主要由表面特征確定，是曲面也可以是平面。這里，表面模型主要是指曲面模型。視系統(tǒng)的不同，這些表面可以利用解析法，或者插補法，亦或是逼近法來計算。雖然控制點曲 線兩條曲線曲線和點 輸入的數(shù)據(jù)曲 面導(dǎo)曲線構(gòu)成曲面規(guī)則曲面帶點的規(guī)則曲面結(jié) 果圖52 自由曲面建模方法實體模型表示仍以表面模型的表面作為邊界，但從物體本身的意義講，物體是實心的。一個有效實體具有如下的性質(zhì)：①剛件，即形狀與位置及方向無；②有限性，即占有限空間；③封閉性，即集合運算與剛體運動不改變其有效實體的性質(zhì)；④邊界確定性；⑤維數(shù)—致性，即沒有懸面和懸邊。實體模型的造型方法則更適合于規(guī)則物體的處理。三維實體建模也稱體素建模，主要研究如何方便地定義簡單的幾何形體(即體素)，以及如何經(jīng)過適當(dāng)?shù)牟紶柤线\算構(gòu)造出所需的復(fù)雜形體，并在圖形設(shè)備上輸出的方法。利用這種方法實現(xiàn)實體建模的過程就是集合運算過程，這一過程可以形象地用一棵二叉樹——CSG樹表示，CSG樹定義了物體的構(gòu)成體素和構(gòu)造方式，如圖53所示。一個物體的邊界把物體分成物體的內(nèi)部和外部，同時邊界也構(gòu)成了物體與周圍環(huán)境之間的界面。Brep描述法強調(diào)實體的外表細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄構(gòu)成實體的幾何信息與拓?fù)湫畔?，可以直接取得實體的各個組成面、面的邊界以及各個頂點的定義數(shù)據(jù)，有利于邊和面的運算與操作。掃描法有兩種基本的類型：旋轉(zhuǎn)掃描法和平移掃描法。‘x‘圖55 掃描生成實體（a）（b） （c）網(wǎng)格自動劃分，物體截切及碰撞干涉檢查，CAD／CAM初步集成，動畫模擬，真實感圖形顯示等成為可能，從而使這一技術(shù)在CAD／CAM模擬仿真、醫(yī)學(xué)、廣告、計算機藝術(shù)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。用構(gòu)造復(fù)雜的模型輔助設(shè)計部件，為此部件必須要具有合適的描述形式，允許以各種表達(dá)方式進(jìn)行設(shè)計。也就是說，傳統(tǒng)的建模方法(線框建模、曲面建模、實體建模)只能建立固定的設(shè)計模型，不能夠滿足設(shè)計自動化的要求，模型一旦建立，修改時則需更新建模，設(shè)計效率低。所謂參數(shù)化模型，就是標(biāo)有參數(shù)名的零件草圖，由用戶輸人，并在屏幕上顯示出來?；诩s束的尺寸驅(qū)動方法的基本原理是：對初始圖形施加一定的約束(以尺寸進(jìn)行約束或?qū)嶓w關(guān)系進(jìn)行約束)，模型—但建好后，尺寸的修改立即會自動轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ偷男薷模闯叽珧?qū)動模型(Dimension Driven Geometry)。 基于約束的尺寸驅(qū)動是將幾何模型中的一些基本圖素進(jìn)行約束，當(dāng)尺寸變化時，必須仍滿足其約束條件，從而達(dá)到新的平衡。過約束是指對一個圖形的幾何形狀及關(guān)系設(shè)定了過多的約束，而欠約束則是約束未給夠，這些都可能導(dǎo)致求解時出現(xiàn)錯誤。3)參數(shù)驅(qū)動法 是一種基于對圖形數(shù)據(jù)庫的操作和對幾何約束處理。在參數(shù)概念設(shè)計基礎(chǔ)上，大部分創(chuàng)造性的面向概念設(shè)計的設(shè)計工作都可以采用計算機輔助的方法來完成。與此同時，在制訂設(shè)計方案時設(shè)計者的創(chuàng)造性思維有了更廣闊的空間。建模時以特征為操作對象，工藝設(shè)計時以特征為基本單位，加工時以特征為基礎(chǔ)。從其名稱和語義足以聯(lián)想其特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪圖表示方法、創(chuàng)造技術(shù)、公差要求，適宜在設(shè)計、分析和制造中使用。目前主要探討機構(gòu)形狀特征，其常用描述方法主要有基于Brep的方法、基于CSG的方法、基于混合CSG/Brep的方法等三種方法。利用這種方法其結(jié)果取決于用戶的正確選擇，如果選擇了錯誤的元素或選擇的元素數(shù)量不恰當(dāng)，就不可能對元素進(jìn)行定義，必須重新進(jìn)行選擇。這種方式應(yīng)用面廣，但識別能力有限，且提取特征信息很困難，應(yīng)用的零件范圍狹小。總之，存在一個成熟的構(gòu)件模型是先決條件，一個特征識別系統(tǒng)的任務(wù)主要有以下幾方面：①按照與預(yù)定義模型的拓?fù)?幾何一致性原則搜尋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；②從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中分離和抽取已被識別的特征；③求得特征參數(shù)(例如孔徑和槽深)；④完備幾何特征模型；⑤把簡單的幾何特征組合成高價值的特征。只要建模器數(shù)據(jù)本身的交換能夠得到保證，特征識別可以使得隨后的應(yīng)用與模型生成的類型無關(guān)，并因此也與所應(yīng)用的設(shè)計系統(tǒng)無關(guān)。由此，盡管在后續(xù)安排的加工和過程計劃系統(tǒng)中仍需進(jìn)行特征識別，卻不需唯一地通過建模器內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，而是可以在特征數(shù)據(jù)庫中實施。這個問題一般可以通過對相應(yīng)規(guī)范和強制條件的動態(tài)審查來避免?；谔卣鞯膮?shù)化建模主要過程如下： 1)基于約束的特征描述；2)特征結(jié)構(gòu)圖元參數(shù)化建模；3)特征之間的約束建模。針對某一類產(chǎn)品的部分輔助特征還應(yīng)單獨定義，如軸類零件，其中的鍵槽、中心孔就應(yīng)作為輔助特征單獨定義，以滿足特殊主特征的需要。虛擬環(huán)境的創(chuàng)建包括實景虛化與虛景實化兩個方面。2)基于圖像繪制(Imagebased VE) 基于圖像繪制方法利用全景圖集合來構(gòu)建虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中漫游相當(dāng)于選擇不同的全景圖?；旌戏椒ɡ没趫D像繪制的虛擬環(huán)境建模的快速、低價、方便的優(yōu)點，營造主體場景，在此基礎(chǔ)上能融合計算機繪制的幾何三維模型，實現(xiàn)互動式交互。基于知識的虛擬設(shè)計過程中要用到各種標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，設(shè)計時要用到各種材料參數(shù)、圖表集等制作成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以便設(shè)計時進(jìn)行調(diào)用。區(qū)別于一般CAD的直接幾何造型方法，元模型的建模是先采用人工設(shè)計零件時的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法，應(yīng)用理論計算、經(jīng)驗公式、循環(huán)修改、有限元法、邊界元法、分布參數(shù)、實驗推理等知識，對零件進(jìn)行強度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動平衡等設(shè)計，從而確定零件的材料、幾何形狀特征和尺寸數(shù)據(jù)，然后用計算出的數(shù)據(jù)選擇合適的計算機坐標(biāo)，利用圖形學(xué)的不同算法，如多邊形的頂點法、各種曲面曲線的樣條法、OpenGL函數(shù)庫法等形成零件的幾何造型，并加適當(dāng)?shù)墓庹?，使實際尺寸與計算機坐標(biāo)尺寸有一個映射，再根據(jù)材料參數(shù)進(jìn)行表面紋理映射和渲染，從而得到零件在計算機上的元模型。對于機構(gòu)的虛擬設(shè)計，要將現(xiàn)有的實際機構(gòu)分類分級，不同機構(gòu)可能有不同的類、級、層，然后由零件構(gòu)造機構(gòu)，又由子機構(gòu)構(gòu)造父機構(gòu)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造機構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)。多Agent系統(tǒng)正好滿足機構(gòu)模型中的多個子機構(gòu)組成一個父機構(gòu)的模式，不同粒度的Agent恰好能表明機構(gòu)的不同層次。通信管理模塊實際上是一個通信控制器，負(fù)責(zé)與其它Agent進(jìn)行交互的機制或協(xié)議，還可調(diào)用外部元模型庫中的元模型，它包括用來具體控制消息傳遞的消息門和對消息內(nèi)容進(jìn)行的解釋器。(3) 產(chǎn)品模型及建模方法1)產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品模型可能是多個模型的集合，應(yīng)根據(jù)不同類型產(chǎn)品建立不同類型的模型集合，即要進(jìn)行集成化建模。對于具體仿真模型來說，它可能是連續(xù)的，也可能是離散的，可能是時變的，也可能是時不變的，基于不同目的仿真算法要根據(jù)具體情況來定，但總體上產(chǎn)品模型與元模型和機構(gòu)模型不同，它側(cè)重的是基于產(chǎn)品各方面性能的仿真模型。設(shè)為集成化的模型，其中，為基于特征的產(chǎn)品虛擬裝配模型，為基于不同目的的仿真模型，為基于某一目的的仿真模型，為基于知識的仿真表達(dá)式，為仿真時間，為仿真參數(shù)集，若，由此個仿真模型，得到組動態(tài)模型數(shù)據(jù)，通過ｔ觸發(fā)和推進(jìn)仿真進(jìn)程。根節(jié)點為產(chǎn)品，中間節(jié)點是部件和機構(gòu)，葉節(jié)點是元模型。下面主要介紹VRML。VRML技術(shù)誕生于1994年，(ISO/IECl4772)。VRML的目的主要是為了在網(wǎng)頁中實現(xiàn)三維動畫效果及其與三維對象的交互，應(yīng)用VRML動態(tài)顯示的功能如能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬設(shè)計中的動態(tài)仿真，應(yīng)用VRML具有交互性的功能可實現(xiàn)用戶參與的虛擬設(shè)計。1)節(jié)點的命名是通過DEF語句來實現(xiàn)的，節(jié)點命名后可通過USE語句引用，達(dá)到共享的目的。如：ROUTO TouchBox isActive To Viewpoint setbind就是把接觸檢測器節(jié)點TouchBox的事件出口isActive連結(jié)到視點節(jié)點Viewpoint的事件入口setbind。例如：Group{　　　　　 組節(jié)點　Children{ 組節(jié)點的子域　　Shape{ Shape節(jié)點為children引用的節(jié)點　 Appearance{　　 Material{diffuseColor1 0 0}　　　　　　　　　　　　}　　geometryBox{}　　　}　　}}在這個場景中，一個紅色的立方體將位于屏幕的中心，Material節(jié)點的漫反射域diffuseColor中的0、0依次表示紅、綠、藍(lán)的當(dāng)前取值（紅、綠、藍(lán)可根據(jù)需要在0～1取值）。(2) 建模軟件 建模軟件有AutoCAD、SolidWorks、Catia、Pro/Engineer等。AutoCAD是通用的CAD系統(tǒng)軟件，是事實上的通用圖形平臺。AutoCAD不能用于三維動態(tài)領(lǐng)域，Autodesk公司另一產(chǎn)品3D StudioMax填補了這個空白。AutoCAD的有利特點之一是它能與3D StudioMax的坐標(biāo)系統(tǒng)兼容。在信息時代，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品的設(shè)計正逐步由傳統(tǒng)二維設(shè)計逐步向三維造型設(shè)計發(fā)展。(3) 應(yīng)用類軟件應(yīng)用類軟件有基于多剛體動力學(xué)理論的ADAMS、VisualNastran和基于有限元理論的分析軟件NASTRAN、ANSYS等，以下主要介紹ADAMS?？偟膩碚fADAMS將完成如下功能：1)實時模擬功能以最低的成本、盡可能高的精度、較好的準(zhǔn)確性完成費用高昂的物理樣機所能完成的功能，即對所研究的系統(tǒng)進(jìn)行實時的動態(tài)檢測。近代信號處理技術(shù)的快速發(fā)展為ADAMS提供了進(jìn)一步?jīng)_浪的空間。對于系統(tǒng)的優(yōu)化更充分顯示了高速計算機與ADAMS系統(tǒng)相結(jié)合的魅力。總之，ADAMS結(jié)合了各領(lǐng)域豐富的實踐經(jīng)驗，融合了信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機技術(shù)等高新技術(shù)，借助于高速計算機與機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)、彈塑性力學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、計算機仿真等相關(guān)科學(xué)技術(shù)，從而構(gòu)造出的一個能模擬現(xiàn)實系統(tǒng)的虛擬樣機的建造與CAE/CAM全真仿真分析環(huán)境。重新改寫式（51）成更一般形式為:（52）式中 ——廣義坐標(biāo)列陣；——廣義速度列陣；——約束反力及作用力列陣；——系統(tǒng)動力學(xué)微分方程及用戶定義的微分方程(如用于控制的微分方程、非完整約束方程)；——系統(tǒng)運動學(xué)微分方程；——描述約束的代數(shù)方程列陣。2)提供ABAM(AdamsBashforthand AdamsMoulton)積分求解程序，采用坐標(biāo)分離算法，來求解獨立坐標(biāo)的微分方程。應(yīng)用圖像編輯軟件所編輯的二維圖像，形成虛擬環(huán)境中景物的表面紋理、圖片等，使虛擬環(huán)境更加形象生動，同時利用圖像和圖形相結(jié)合的技術(shù)，增加系統(tǒng)實時渲染速度。 舉一個虛擬設(shè)計的實例：往復(fù)活塞式內(nèi)燃機的曲軸系是由曲軸及連于其上的活塞、連桿、飛輪等構(gòu)件組成的，其動力學(xué)分析主要包括各構(gòu)件的運動與受力分析、發(fā)動機的平衡性分析以及曲軸系的扭振分析等內(nèi)容。運用機械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS，通過建立包括活塞、連桿、曲軸、飛輪在內(nèi)的整個曲軸系的多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，不僅可以計算出各構(gòu)件的運動規(guī)律和構(gòu)件間的作用力，還可以進(jìn)一步進(jìn)行平衡性分析和振動分析。曲軸柔性體的建模也可以采用不同的方法。由此可以看出，發(fā)動機曲軸系的建模綜合使用了CAD軟件、有限元分析軟件和機械系統(tǒng)仿真軟件，三者之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系如圖516所示。圖517就是某型車輛V型六缸發(fā)動機曲軸系的多剛體系統(tǒng)模型，其中活塞、連桿、曲軸等構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置及慣性矩是采用Pro/E軟件建立了相應(yīng)零件的精確實體模型后分析得到的。其它零件在系統(tǒng)中的作用只是傳遞氣體爆發(fā)壓力和由于運動產(chǎn)生慣性力，建為剛體即可。這個載荷可以分解為切向力和徑向力。而扭振的自振頻率一般較低，往往會落在發(fā)動機的常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對其工作造成危害，因此必須對其進(jìn)行分析。153 / 25