第3章 三维几何造型技术

汽车产品数字化设计
2.5 三维造型技术
图2-3 线框模型的二义性
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2.5 三维造型技术
2.5.3 曲 面 建 模
曲面造型是计算机辅助几何设计和计算机图形学的一项 重要内容，主要研究在计算机图形系统环境下对曲面的表示、 设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的 外形放样工艺，由Coons、Bézier等大师于20世纪60年代奠 定其理论基础。经过30多年的发展，曲面造型形成了以有理 B样条曲面参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法 为主体，以插值、拟合、逼近这三种手段为骨架的几何理论 体系。
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2.5 三维造型技术
在新产品的研制过程中，大约70％～80％的成本耗费于 设计阶段。因此，如何开发和研究先进的设计方法与工具以 提高产品设计的效率，就显得至关重要。人工智能学研究认 为，设计问题是约束满足问题，即给定功能、结构、材料及 制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。
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2.5 三维造型技术
二维绘图阶段，主要是在计算机上表达二维几何图素。 由于图素之间缺乏联系，因此很难保持各阶段设计的一致性。 故此时的CAD仅仅是手工绘图板的替代工具。
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2.5 三维造型技术
在三维造型阶段，几何建模技术经历了三次技术革命。 20世纪60年代，在二维造型基础上引入三维造型，CAD系 统只是极为简单的线框造型系统。这种初期的线框造型系统 只能表达基本的几何信息，由于缺乏形体的表面信息，CAE 及CAM均无法实现。进入20世纪70年代，飞机和汽车工业 中遇到了大量的自由曲面问题，法国人提出了贝塞尔算法， 使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行。由于线框系 统已经不能满足人们的实际需求，法国的达索飞机制造公司 在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特 点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。 它的出现为人类带来了第一次CAD技术革命。

上面介绍了构造表示的三种表示方法，我们已经 看到，构造表示通常具有不便于直接获取形体几 何元素的信息、覆盖域有限等缺点，但是，便于 用户输入形体，在CAD/CAM系统中，通常作为辅助 表示方法。
6.3 边界表示
图3.1.10给出了一个边界表示的实例。边界表示 （Boundary Representation）也称为BR表示或BRep 表示，它是几何造型中最成熟、无二义的表示法。
八叉树表示法有一些优点，近年来受到人们的 注意。这些优点主要是： （1）形体表示的数据结构简单。 （2）简化了形体的集合运算。对形体执行 交、并、差运算时，只需同时遍历参加集合运 算的两形体相应的八叉树，无需进行复杂的求 交运算。 （3）简化了隐藏线（或面）的消除，因为 在八叉树表示中，形体上各元素已按空间位置 排成了一定的顺序。 （4）分析算法适合于并行处理。 八叉树表示的缺点也是明显的，主要是占用 的存储多，只能近似表示形体，以及不易获取 形体的边界信息等。
6.2 构造表示
构造表示是按照生成过程来定义形体的方法， 构造表示通常有扫描表示、构造实体几何表示和 特征表示三种。
(1)扫描表示 扫描表示是基于一个基体（一般是一个封闭 的平面轮廓）沿某一路径运动而产生形体。 可见，扫描表示需要两个分量，一个是被运动 的基体，另一个是基体运动的路径；如果是变 截面的扫描，还要给出截面的变化规律。 图3.2.5 给出了扫描表示的一些例子
还有一个重要的原因是实体造型系统需要与应 用系统的集成。以机械设计为例，机械零件在 实体系统中设计完成以后，需要进行结构、应 力分析，需要进行工艺设计、加工和检验等。 用户进行工艺设计时，需要的并不是构成形体 的点、线、面这些几何和拓扑信息，而是需要 高层的机械加工特征信息，诸如光孔、螺孔、 环形槽、键槽、滚花等，并根据零件的材料特 性，加工特征的形状、精度要求、表面粗糙度 要求等，以确定所需要的机床、刀具、加工方 法、加工用量等，传统的几何造型系统远不能 提供这些信息，以至CAD与CAPP（计算机辅助 工艺过程设计）成为世界性的难题。

Pro/E
ptc
2019.6
CATIA
3ds
所属公司： 法国达索公司（Dassault Systemes）
应用领域： 航空航天、汽车、轮船、建筑、军工、电器、通信、消费品等
典型客户： 波音、通用、福特、大众、宝马、丰田、雷诺、现代、 上汽、一汽、东风、欧盟各成员国与美国军方
技术特点： 先进的交互式混合建模技术 强大的曲面设计功能 所有模块均互相关联 覆盖产品开发的整个过程
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责任
用电器、通用机械、玩具等
典型客户： 大众、三菱重工、施耐德电气、飞利浦、龙记集团、 特灵空调、博世、菲亚特、海尔、三星、苏泊尔
技术特点： 集成的CAx软件系统 以参数化、基于特征、全相关等概念著称
Pro/E
ptc
发展简史： 1985年，公司成立 —— 美国参数技术公司。 1988年，发布 Pro/ENGINEER —— 当时市场上第一个参数化、相关且基
机械设计与制造
包括模具设计制造软件，数量众多，按照软件规模分为 CAD/CAM/CAE集成软件： CATIA、UG NX、Pro/E 中等规模：SolidEdge、SolidWorks、Delcom系列、
Cimatron 较小规模：Autodesk Inventor、CAXA等
行业专用软件
服装款式设计软件：ET、格柏、PGM、富怡……
件产品 UNIAPT。 1972年，United 从 MCS 公司（Hanratty）购买 ADAM 软件代码。 1973年，新的软件移植到了早期的16位小型机上，命名为Uni-Graphics，
当时总共只有6位程序员负责开发。 同年10月，在底特律举行的 CAD/CAM 展会上脱颖而出。 1976-1980年，United Computing被McDonnell Douglas收购，参数

第一、与重心有关 重心是由位置决定的。重心高，则显得轻巧；重心低，则显得稳定。
第二、与底部面积有关 底部的接触面积大，则具有较大的稳定性；反之则稳定感减弱，轻巧感却逐渐加大。
第三、与材料及色彩有关。 （1）材料本身就具有不同的量感和质感。比重大的，材料表面粗糙的，则具有一定的稳 定感；反之，比重轻、材料表面细腻、光滑的则具有一种轻巧感。 （2）任何材料都有不同的色彩。颜色深、明度低的物质具有一定的稳定性，材料颜色浅、基础 四、节奏与韵律
1.节奏 节奏在音乐中是音响节拍轻重缓急的变化和重复。节奏在构成设计上指以同
一要素连续重复时所产生的运动感。
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罗伯特•凡•安布里克斯
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三维造型基础
体现形体节奏美的重复方式有两种，即形状的重复和尺寸的重复。
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三维造型基础
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三维造型基础
2. 韵律 构成中单纯的单元组合重复易于单调，由有规矩变化的形象或色群间以数比、等 比处理排列，使之产生音乐、诗歌的旋律感，称为韵律。
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扎哈哈迪德 家具 .建筑作品
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广州歌剧院
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西 班 牙 萨 拉 戈 萨 桥
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洛杉矶的迪尼斯音乐中心
北京奥运国家游泳中心水立方
国家体育场
世博会中国馆
空间观念的改变不仅创造了新的建筑式样，而且还改变了人们的生活方式和生活态 度。人们以往认为躲进闭塞的空间是消除疲劳最好的方式，现在却以积极的心态，在 通透的室内空间中享受外部世界，以此得到心灵的歇息。从实体走向虚空，空间在建 筑设计中成为极具潜力的造型要素。