§1-2femofstaticanalysis

1、Computer Aided Design,第一篇　CAD技術(shù),,第一章 幾何造型方法介紹和分類,1.1 幾何造型方法,1.3 典型的幾何造型系統(tǒng),1.2 實(shí)體模型的表示,1.4 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),幾何造型技術(shù)的發(fā)展第一代：手工繪制工程圖第二代：二維計(jì)算機(jī)繪圖第三代：三維線架系統(tǒng)第四代：曲面造型第五代：實(shí)體造型,1.1 幾何造型方法,幾何造型技術(shù),幾何構(gòu)形數(shù)字化描述,,,1.1 幾何造型方法,線框造型

2、,曲面造型,實(shí)體造型,1.1 幾何造型方法,優(yōu)點(diǎn)：模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量?。?缺點(diǎn)：不能自動(dòng)消隱，幾何描述能力差； 不能進(jìn)行諸如體積、面積、重量、慣性矩等幾何特 性的計(jì)算；,一、 線框造型,——物體的骨架,1.1 幾何造型方法,二、 曲面造型,——物體的皮膚,,◆ Bézier方法◆ B樣條方法◆非均勻有理B樣條（NURBS）,1.1

3、 幾何造型方法,1.1 幾何造型方法,飛機(jī)氣道模型——三角網(wǎng)絡(luò)上的復(fù)合Bézier曲面,1.1 幾何造型方法,基于四邊形的C-C細(xì)分曲面,三．實(shí)體造型,1.1 幾何造型方法,——“有血有肉”的物體模型,1.2 實(shí)體模型的表示,1.2 實(shí)體模型的表示,實(shí)體造型,,體素的定義和描述,體素之間的拼合,,體素構(gòu)造法,邊界表示法,1. 體素構(gòu)造法,體素構(gòu)造法也稱構(gòu)造實(shí)體幾何法或CSG樹(constructive sol

4、id gemetry) ，即用二叉樹的形式記錄零件的所有組成體素進(jìn)入拼合運(yùn)算的過程。,1.2 實(shí)體模型的表示,二維實(shí)體的交、并、差拼合運(yùn)算,,1.2 實(shí)體模型的表示,1.2 實(shí)體模型的表示,1.2 實(shí)體模型的表示,1.2 實(shí)體模型的表示,將物體表示成一棵二叉樹，稱為CSG樹。葉節(jié)點(diǎn) ----基本體素，如立方體、圓柱體、圓環(huán)、錐體、球體等中間節(jié)點(diǎn)----并、交、差正則集合運(yùn)算,,,,,,,,,,,,,,1.2 實(shí)體模型

5、的表示,1.2 實(shí)體模型的表示,幾何定義語句：PART=I+II-III-IV,體素構(gòu)造法表示復(fù)雜形體非常簡(jiǎn)潔，其理論基礎(chǔ)可以歸納為：,1、體素的拼合是一個(gè)集合運(yùn)算過程。2、參與運(yùn)算的體素必須是正則集。,封閉,1.2 實(shí)體模型的表示,正則集,,,,1.2 實(shí)體模型的表示,正則形體與非正則形體： 面是形體表面的一部分，不允許存在懸面； 不允許存在懸邊； 邊只有兩個(gè)鄰面； 點(diǎn)至少和三個(gè)面(或三條邊)鄰接，不允許存

6、在孤立點(diǎn)。,1.2 實(shí)體模型的表示,3、幾何運(yùn)算的基礎(chǔ)是對(duì)參與運(yùn)算的元素進(jìn)行分類。,,,,,,1.2 實(shí)體模型的表示,4、體素分類是求兩組元素的組合。,1.2 實(shí)體模型的表示,表1.2 對(duì)于拼合體 的分類,1.2 實(shí)體模型的表示,5、當(dāng)集合運(yùn)算的結(jié)果有二義性時(shí)，利用鄰域進(jìn)行測(cè)試。,,1.2 實(shí)體模型的表示,6、對(duì)CSG表示采用分治（Divide-and-Conquer）算法。,,所謂分治，就是對(duì)于實(shí)際中遇到

7、的問題，倘若它比較復(fù)雜，不能直接求解，就將這個(gè)問題分割成若干小問題分別求解；然后再將求得的小問題的解合成整個(gè)問題的解。,1.2 實(shí)體模型的表示,遞歸模式,,Procedure ClassLine3D( L, S)if S is a primitive Then ClassLine3DwrtPrim( L, S)else CombineLine3D( ClassLine3D( L, Left_S), Cla

8、ssLine3D( L, Right_S), Op_S),1.2 實(shí)體模型的表示,Boundary Representation，也稱BR表示或BRep表示最成熟、無二義性物體的邊界與物體一一對(duì)應(yīng)實(shí)體的邊界是表面的并集表面的邊界是邊的并集,,1.2 實(shí)體模型的表示,2、 邊界表示法,幾何信息,,歐式空間中的位置和大小,拓?fù)湫畔?,頂點(diǎn)、邊、面的數(shù)目、類型以及連通關(guān)系,1.2 實(shí)體模型的表示,1.2 實(shí)體模型的表示——A

9、CIS,,ACIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示的四面體模型,1.2 實(shí)體模型的表示——ACIS,邊界表示拓?fù)鋱D,BG Baumgart提出的翼邊結(jié)構(gòu)用來清楚說明多面體模型的面、邊、頂點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系。,,1.2 實(shí)體模型的表示,體素構(gòu)造模型,,外部模型,邊界表示模型,,內(nèi)部模型,1.2 實(shí)體模型的表示,3. 混合表示,1.3 典型的幾何造型系統(tǒng),1、 國外CAD軟件,Pro/E（Pro/Engineer）,I-DEAS,UG（Uni

10、graphics）,1.3 典型的幾何造型系統(tǒng),,2、 國內(nèi)CAD/CAM軟件,CAXA電子圖板與制造工程師,開目CAD,1.3 典型的幾何造型系統(tǒng),1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),常用的面向產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件格式的標(biāo)準(zhǔn)有DXF、IGES和STEP。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),1、DXF,,DXF文件的總體結(jié)構(gòu)由7個(gè)段和文件結(jié)尾組成，按順序分別是：標(biāo)題段、類段、表段、塊段、實(shí)體段、對(duì)象段、預(yù)覽段、文件結(jié)尾。DXF文件的最小組成單元是

11、組（Group），一個(gè)DXF文件由若干組構(gòu)成，每個(gè)組在文件中占兩行，第一行稱為組碼（Group code），第二行稱為組值（Group value）。組碼說明了組值的數(shù)據(jù)類型，組值是數(shù)據(jù)的具體值，這兩行組合起來才是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)。外部應(yīng)用程序通過組碼得到組值的數(shù)據(jù)類型，從而可以方便地讀取組值。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),2、IGES,基本圖形交換規(guī)范 （Initial Graphics Exchange Specification，I

12、GES）1980年由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局主持開發(fā)，1982年成為ANSI標(biāo)準(zhǔn)。IGES雖然不是ISO標(biāo)準(zhǔn)，且在1992年以后其版本不再發(fā)展，但作為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有大多數(shù)CAD商用軟件仍支持IGES圖形文件格式。利用IGES文件，用戶可以從中提取所需數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶應(yīng)用程序的開發(fā)。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),,IGES的文件格式分為ASCII格式與二進(jìn)制格式。,固定行長(zhǎng)的格式中，每行為80個(gè)字符，由若干行組成一個(gè)文件。文件分成五段到六段，即

13、開始段，全局參數(shù)段，目錄段，參數(shù)數(shù)據(jù)段、結(jié)束段。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),,標(biāo)志段：標(biāo)志段可選，對(duì)于固定行長(zhǎng)的ASCII文件可省。第一行的第73列如是B，則是二進(jìn)制文件，如是C，則是壓縮的ASCII文件。 開始段：開始段提供人們閱讀文件的序言。行數(shù)不限，但至少應(yīng)占一行，每行的第73列有字母S。第74至80列為序號(hào)。 全局參數(shù)段：全局參數(shù)段所有記錄的第73列均有字母G。74~80列為序號(hào)。本段含前置處理與后置處理的有關(guān)

14、信息。例如參數(shù)分界符，記錄分界符，發(fā)送系統(tǒng)標(biāo)識(shí)符，文件名，前置處理文本，各種數(shù)據(jù)的表示方式，接受系統(tǒng)標(biāo)識(shí)符等等以及作者、機(jī)構(gòu)、版本等。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),,目錄段：目錄段為文件提供一個(gè)索引。每行的第73列為字母D，第74至80列為序號(hào)。文件的每個(gè)實(shí)體都在目錄中占有一個(gè)條目。條目占兩行。每89個(gè)字符組成一個(gè)域，共20個(gè)域。 參考數(shù)數(shù)據(jù)段：參考數(shù)數(shù)據(jù)段列出實(shí)體的參數(shù)數(shù)據(jù)。每行的第73列有字母P。數(shù)據(jù)按自由格式排列，每行止

15、于第64列。65列為空白。66列至72列有關(guān)于本實(shí)體在條目目錄段中的第一行的序號(hào)，第74至80列仍為本段落持序號(hào)。 結(jié)束段：結(jié)束段標(biāo)志文件的結(jié)束。它占一行，第73列為T。該行分為10個(gè)域。每域的首字符為段的代碼，其后為本段的最末一行序號(hào)。1，2，3，4域?yàn)镾，G，D，P。5~9域保留，第10域?yàn)榻Y(jié)束段。結(jié)束段域中填T0000001。結(jié)束段所在行必須是文件的最后一行。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),,IGES是一種中性文件，其作用是

16、在不同的CAD/CAM系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。將某種CAD系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)換成IGES文件時(shí)需用前置處理程序處理；將IGES文件傳送至另一種CAD系統(tǒng)也需要經(jīng)后置程序處理。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),,不同系統(tǒng)間通過IGES交換數(shù)據(jù),1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),盡管IGES在工業(yè)界得到了廣泛和成功的應(yīng)用，但它在實(shí)踐中存在著比較嚴(yán)重的問題，即不同系統(tǒng)之間采用IGES文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)圖形發(fā)生失真現(xiàn)象。,首先，IGES中定義的實(shí)體主要是幾何圖形方面

17、的信息，而不是產(chǎn)品定義的全面信息。,其次，IGES的另一個(gè)缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸不可靠，一些語法結(jié)構(gòu)有二義性，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換的失敗。,此外，IGES文件所占的存儲(chǔ)空間太大，雖然后來提出了壓縮的ASCII碼格式，但多數(shù)IGES處理器都不支持。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)（Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP），于1988年公布為ISO標(biāo)準(zhǔn)。,STEP標(biāo)準(zhǔn)

18、是一個(gè)關(guān)于產(chǎn)品信息表達(dá)與交換的國際標(biāo)準(zhǔn)，它提供了一種不依賴于具體軟硬件系統(tǒng)的中性機(jī)制，目的是要建立一個(gè)包括產(chǎn)品整個(gè)生命周期的、完整的、語義一致的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，從而滿足產(chǎn)品生命周期內(nèi)各個(gè)階段對(duì)產(chǎn)品信息的不同需求，并保證對(duì)產(chǎn)品信息理解的一致性。,,2、STEP,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),,STEP標(biāo)準(zhǔn)包括以下5方面的內(nèi)容：標(biāo)準(zhǔn)的描述方法、資源模型的定義、應(yīng)用協(xié)議、實(shí)現(xiàn)形式以及一致性測(cè)試。,1.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),STEP標(biāo)準(zhǔn)是一種思想