（无线电物理专业论文）电磁场仿真软件cad技术研究.pdf

摘要 摘要 随着工业自动化的不断发展，现代企业为了在竞争中生存，必须开发出具有 高质量、低成本、上市快的产品。为了达到这个目的，计算机辅助设计( c a d ) 技术被运用到产品开发周期中。近几年，计算电磁学得到了长足的发展。其中， 时域有限差分法( f d t d ) 由于其独特的性能和优点得到了越来越广泛的重视，大 量基于有限时域差分法的电磁场仿真软件在电磁场工业设计领域得到了广泛应 用。 本文首先简要介绍了c a d 系统的特点及应用，说明其在工业产品设计和制造 上的重要作用。简要介绍目前电磁结构仿真c a d 软件的相关技术，并对目前流行 的基于时域有限差分( f d t d ) 法的电磁仿真相关软件做了比较和分析。然后，说 明了本工作的意义和特点。其次，我们介绍了电磁结构仿真c a d 软件的各个模块 的理论和作用。然后，介绍了本文工作所完成的电磁结构仿真c a d 软的总体设计以 及软件的几个主要模块的设计，其中包括了：软件界面、几何模型基本数据结构、 边界模型基本数据结构、构造实体建模算法和基于o p e n g l 的模型可视化系统。 最后是本文的工作总结。 关键词：电磁场仿真，c a d ，几何建模，o p e n g l ，可视化 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r ya u t o m a t i ct e c h n o l o g y , m o d e mc o m p a n i e s m u s te x p l o i tp r o d u c t sw i mt h ea t t r i b u t e so fh i g hq u a l i t y , l o wc o s ta n df a s td e l i v e r yt o s u r v i v ec o m p e t i t i o n s i no r d e rt oa c h i e v et h i sp u r p o s e ，t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) t e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h ep r o d u c tc y c l e r e c e n t l y , c o m p u t a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c s m a d ea n di ss t i l l m a k i n g s u b s t a n t i a l p r o g r e s s a m o n g a l lt h e m e t h o d s ，t h e f i n i t e - - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ( f d t d ) m e t h o da t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s eo fi t sf e a t u r e sa n da d v a n t a g e s l o t so fe l e c t r o m a g n e t i cc a ds o f t w a r eb a s e do n f d t di sc o m i n gf o 劬a n dw i d e l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r yd e s i g ni ne l e c t r o m a g n e t i c d o m a i n i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y , w es u m m a r i z et h et h e o r yo ft h ec a d s y s t e ma n ds h o wt h a ti t p l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h ei n d u s t r yp r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r e a n dw e s u m m a r i z et h er e l a t e dt e c h n o l o g i e so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r es i m u l a t i o nc a d s o f t w a r e t h e nw er o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ep o p u l a rf d t ds o l e - w a r ea n d s h o wt h em e a n i n go ft h i st h e s i s s e c o n d l y , w ep r e s e n tt h et h e o r i e sa n df u n c t i o n so fa l l t h ee l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r es i m u l a t i o nc a ds o f t w a r em o d u l e s t h i r d l y , w es h o wa d e s i g no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r es i m u l a t i o nc a ds o f t w a r ew h i c hw a sc o m p l e t e d d u r i n gt h et h e s i sw o r ka n dt h es p e c i f i cd e s i g n so fs e v e r a ls o f t w a r em a i nm o d u l e s ， i n c l u d i n gs o f t w a r ei n t e r f a c e ，g e o m e t r ym o d e ld a t as t r u c t u r e ，b - r e pm o d e ld a t as t r u c t u r e s ， c s ga l g o r i t h ma n dg e o m e t r ym o d e lv i s u a l i z a t i o ns y s t e mb a s eo no p e n g l f i n a l l y , t h e w h o l ew o r ko f t h i st h e s i si sc o n c l u d e d k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n ，c a d ，g e o m e t r ym o d e l i n g ，o p e n g l ， v i s u a l i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：蕴益日期：胛年了月严日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：吝品 导师签名： 日期：年月日 第一章引言 第一章引言 现代工业企业必须不断开发出具有高质量、低成本、上市快的新产品，才能 在国际竞争中生存和发展【1 】。因此，他们借助于计算机强大的储存能力、快速的处 理速度和交互式界面的图形能力，实现复杂的工程设计或生产任务的自动化，以 缩短产品的开发周期和降低生产成本。计算机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ， c a d ) 、计算机辅助制造( c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 和计算机辅助工 程( c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 就是在产品周期中实现这一目的关键性技 术。 一个产品周期包括：设计过程和制造过程。设计过程的活动又主要包括，综 合分析子过程、详细分析子过程、工艺设计子过程。目前c a d 、c a m 和c a e 系 统一般是运用于设计过程。c a d 软件可以通过计算机辅助绘图系统或是几何建模 系统对综合设计过程提供帮助，或是通过利用相应的分析软件包，对模型进行力 学、热学、磁学以及电磁学分析，对详细分析子过程提供帮助。因为在详细分析 子过程中使用的分析软件包通常不具备高性能的抽象模型建模能力，这里最普遍 的做法是把上述二个过程联系到一起，即通过计算辅助绘图系统或是几何建模系 统来建立抽象模型，然后利用分析软件包来分析处理这些抽象的模型得到需要的 数据。详细分析子过程一般能嵌入到优化设计的过程当中，加上寻找最优解的各 种算法已经开发出来并商业化，现今大多数的分析软件包都含有这些优化模块。 可以这么认为，优化过程是c a d 软件的一个重要组成部分。 在电磁场领域，以天线、微波电路为代表的高频电磁器件设计和生产企业面 临着和传统工业企业相同的机遇和挑战。它们为了实现复杂离散的元器件和系统 设计的自动化，缩短整体产品的开发周期和降低产品的生产成本，同样必须借助 于电磁场c a d 、c a e 、c a m 软件的强大功能。 c a d 、c a e 、c a m 技术是指能自动完成产品周期中的指定任务，并使工作更 加有效的技术。因此计算机绘图、几何建模技术、各种电磁场仿真、分析和优化 技术都可以归类为c a d 、c a e 、c a m 技术中的一种。而完整的c a d 软件系统， 则一般是包含了建模、分析、优化的一体化系统软件。 电子科技大学硕士学位论文 1 1目前电磁场领域相关c a d 软件动态 当前计算电磁学中使用较多的方法主要有两大类【2 】，一类是以电磁场问题的积 分方程为基础的数值方法，如矩量法系列；另一类是以电磁场问题的微分方程为 基础的数值方法，如有限差分法系列。基于变分原理的有限元法可以归为微分方 程法。 在电磁场数值分析的计算方法中，有限差分法是应用最早的一种方法。有限 差分法简称差分法，它以差分原理为基础，直接从概括电磁场最普遍规律的麦克 斯韦旋度方程出发，在一定空间内和一段时间上对连续电磁场的数据进行取样。 因此，它是对电磁场问题的最完备的数值模拟，具有最广泛的实用性。 在有限差分法当中，时域有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o d ) 有一些非常突出的优点：时域迭代计算、内存空间消费少、适合并行计算【3 1 1 4 1 5 】【6 】、 编程简单等。由于时域有限差分法的这些特点，到现在为止，它几乎被用到了电 磁场工程中的各个方面，而且其应用的范围和成效还在迅速扩大和提高，主要包 括：1 ) 在目标电磁散射特性研究中的应用；2 ) 在电磁兼容问题中的应用；3 ) 在天 线辐射特性计算中的应用；4 ) 在微波电路和光路时域分析中的应用；5 ) 在生物电 磁计量学中的应用。此外，在无线通信信道模型研究等方面的应用也受到越来越 广泛的重视。同时，相对于其它的算法如有限元法( f e m ) 、矩量法( m o m ) ，f d t d 有它自身的优越性：对任意形状的电磁结构具有卓越的仿真能力，对非均匀性、 各向异性、色散特性和非线性等各种媒质可以进行精确模拟。不管是散射、辐射、 传输中的哪一种，也不论是瞬态问题还是稳态问题，只要能正确地对源和结构进 行模拟，时域有限差分法就能给出正确的解答。因为是时域方法，f d t d 方法通过 一次仿真能提供频带很宽的结果。 目前随着f d t d 计算方法的成熟和计算机性能的不断提高，f d t d 仿真软件 得到了很大的发展；同时w i n d o w s 技术的图形化窗口技术的不断普及。基于 f d t d 各种电磁仿真软件也取得了长足的进步，它们在个人计算机系统上拥有良好 的界面、强大建模系统和成熟分析算法，在电磁场工程应用中被广泛应用。目前 用时域有限差分法进行电磁场仿真的c a d 软件有很多。主要分为通用软件和专用 软件。应用较为广泛的通用软件有x f d t d 、q f d t d 9 0 、f d t ds o l v e r 等，专用软 件则有e m a 系列软件和a p s i m 系列软件、e z f d t d 、l c 2 9 等。各软件都有自己 独特的功能，下面我们做一个简要介绍。 2 第一章引言 1 1 1 各软件的特点和主要应用范围 q f d t d 9 0 是由美国加利福尼亚大学电子工程系开发的一个全波段电磁场仿 真器，用于一般的三维结构电磁仿真，用f o r t r a n 9 0 编码，大多数计算机平台如微 机、工作站都能支持。仿真实例主要应用在微波电路和平面天线，包括：微波电 路设计，微带低通滤波器，微带分支线耦合器，共面带状线和不连续性，介质波 导表面波发生器，微带馈电折合缝隙天线，共面波导馈电缝隙天线，单面准八木 天线等。其应用侧重于平面型电路和天线，多数基于微带线，c p w ( 共面波导) ， c p s ( 共面微带线) ，槽状线，电介质波导。q f d t d 9 0 能实现快速仿真，并提供源 程序代码，便于用户更改以适应他们各自不同的应用要求。 x f d t d 是由r e m c o m 公司提供的商业通用软件，有较成熟的界面、三维建模 系统和各种计算模块。擅长处理辐射、散射以及封闭对象的电磁问题，是目前应 用较广泛的f d t d 仿真软件之一。其主要适用范围有：有耗介质，各向异性铁氧 体，微波电路s 参数，输入阻抗等计算，天线辐射计算，生物体结构仿真计算。 x f d t d , 仿真软件允许直接输入二、三维标准c a d 文件并加以编辑处理。另外， r e m c o m 公司还提供多处理器计算模块( m p m ) ，能大幅度提高计算速度。作为商 业软件，x f d t d 提供了基本的三维模型建模和显示系统。 哥 f d t d s o l v e r 是宾夕法尼亚卅i 立大学开发的一套三维仿真软件。它的主要特点 是采用了共形技术和非均匀网格模拟结构，选取g e d n e y 完全匹配层( p m l ) 孵为 截断边界。适用于微带电路分析、天线分析、周期性结构分析、互连结构分析及 目标特性提取。有v i s u a lb a s i c 开发的图形化输入界面。美中不足的是输入参数界 面略显粗糙且输出参数不很全面，只有场、电流、电压、及远场方向图。并且此 软件目前仍处于测试阶段，还不很成熟j z e l a n d 软件公司开发的软件中，f i d e l i t y 是基于f d t d 的全波三维仿真软 件，主要应用于微波电路和射频天线的仿真，如完整的s a r 计算，细线模型，传 输损耗等。它接受平面或三维金属、电介质结构的输入，允许用户自定义端1 2 1 ， 能仿真各种非各向同性物质，且对仿真物质的数量没有限制。对结构自动剖分非 均匀网格，并可对局域进行二次网格剖分，这就极大地增强了其仿真能力。 e m a 有限公司开发出一系列采用f d t d 算法的仿真软件。其中e m a 3 d 是直 角坐标下f d t d 仿真软件，主要应用于多结点的细电线、窄间隙、频率选择表面 和有耗表面的传输阻抗、平面波源、有耗电介质等。它有嵌套的细网格，还考虑 时变空气导电率。另外，利用功能强大的c a d f i x 图形界面对仿真结构及观察数据 3 电子科技大学硕士学位论文 结果作前、后期处理。e m a 3 dc y l 用于解圆柱坐标下的三维麦氏方程，对金属 物体、有耗电介质、细导线、组合板自动生成差分网格。m h a m e s s 用于求解多导 体t e m 传输方程，主要适用于多导体、多层支线、多匹配层导线模型等。它允许 用户将结构分块定义，并提供与s p i c e 相连接的界面以便对导体进行更为复杂的 限定。 由艾姆克科技有限公司开发了一系列a p s i m 软件。主要用于解决p c b 设计中 的电磁兼容性( e m c ) 问题、信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ) i 葛- 题。a p s i mf d t d 是一 个采用时域有限差分的三维全波段电磁仿真器，在e m i 及高频应用中非常理想。 有许多问题特别适合于用a p s i mf d t d 处理：一条具有自耦合的时钟分布的走线； 在p c b 板上含有3 维结构，如i c 的引线与一条线、过孔或是地平面间的相互作用。 在高频时，3 维结构中如过孔、导线、i c 的封装中的返回电流。a p s i mf d t d 能像 对导磁率一样对绝缘率的变化进行仿真，这样就能对磁性材料和绝缘材料进行准 确地仿真。三维全波非线性s i 和e m i 仿真软件由f d t d ，p g e d i t o r ，f d t d s p i c e ， f d t d s p a r 等工具组成，适合于工作频率在1 g h z 以上的线性和非线性系统的信 号完整性、电源完整性以及电磁兼容性的分析和仿真。能非常精确地给出三维的 电磁场空间分布图，信号线的波形图，电源信号的波形图等。 e m sp l u s 公司提供基于f d t d 算法的全波段仿真软件e z f d t d 。主要应用 于屏蔽分析，填充性能分析，空腔、屏蔽谐振腔，散射层分析，接地分析，平板 辐射，铁氧体滤波器分析，天线应用，测试点分析( o a t s ，g t e m ，无回声腔等) 。 有友好用户界面，w i n d o w s9 5 9 8 n t 平台都能支持。 d s l 3 d 是一种用于三维电磁场领域的程序，在时域解麦氏方程，网格没有规 则的结构，而是由四面体、六面体、三棱柱、棱锥所组成。模型的灵活性允许我 们有效地解决很多三维问题，包括十分复杂的几何结构。它将离散表面积分化为 f d t d 方法，采用共形技术仿真电磁场，能实现对特殊边界的良好模拟。被广泛应 用于不同仿真领域，如：计算机互连、加速元件、复杂的波导结构。 l c 2 9 是由美国c r a yr e s e a r c h 、n o r t h w e s t e r nu n i v e r s i t yo fc o l o r a d o 、l o s a l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y 、s g i 共同开发的软件。它是分析设计高速互连系统 电磁特性和电磁兼容的工具，由c + + 和f o r t r a n 语句组成，在o s f m o t i f 的 u x i x 平台机上运行，主要功能有：分析工具将模拟结果处理成常用物理参数量， 如阻抗、电容、电感、s 参数等；可画出辐射功率幅度、相位、实虚部；设置各种 类型的探测器( 点、线、平面、表面探针) ，可从不同视角观察电磁场数据或进行 过渡模式响应分析。 4 第一章引言 a p l a c 7 5 0 由芬兰赫尔辛基技术大学电路理论实验室、诺基亚移动电话公司 联合开发。它是一个面向对象的系统仿真和设计软件，可进行从d c 到微波波段的 系统建模，包括模拟数字通信系统的仿真设计、求解三维电磁场问题的f d t d 模 拟器；可以将这些系统级模块进行组合，也可以只设计系统的某些部分。a p l a c 由编辑器和模拟器组成，其主要输出参数有电磁场历史曲线、辐射方向图和功率、 s 参数、s a p , 结果等；在结构方面，除了常见的s p i c e 电子学元件模型以外，还包 含大量已经定义的微波元件模型( 微带、带状线、具衬底的微带) ，系统模型还包 括r f 设计中的锁相环、离散时间模型等。 q u i c kw a v e3 d 由波兰华沙大学在欧盟支持下开发。其特点是：可在多种平台 上工作，是面向对象c + + 语言编程；可将线路划分为子线路进行并行计算，含加 速处理模块；擅长处理不均匀、非线性、有耗、各向异性材料和不规则形状物体； 可应用于耦合器、滤波器和匹配线路的s 参数、天线的辐射特性、谐振器的特征 频率和特征模等。 1 1 2 嵇各软件优缺点比较及分析 每1一 从技术层面上看，各软件在内部技术和外部结构上都有各自的处理方法，由 此也可以看出它们的优点和局限性。下面列表举出各自的特点，见表1 1 。j 根据各软件的功能和适用范围，我们可以大致将它们分为以下几个级别： 基本级：均匀划分网格，能实现一般的三维电磁场仿真，输出指定点的时、 频域电磁场分布，如e m u f d t d 、e z f d t d ； 中级：采用多种激励源、局域细网格；能实现一般的三维电磁场仿真，输出 指定点的时、频域电磁场分布，s 参数，远场方向图：对结果进行可视化处理。如 f d t d s o l v e r 、m h a m e s se m a 3 d 、a p s i mf d t d ； 高级：采用多种激励源、局域细网格或三角形网格；具有几何建模系统，能 实现一般的三维电磁场仿真，输出指定点的时、频域电磁场分布，s 参数，远场方 向图；生成可执行文件，用方便直观的界面对多数结果进行图形可视化处理。如 x f d t d 。 5 电子科技大学硕士学位论文 表1 1 目前流行的时域有限差分法仿真软件外部特征比较 软件名称工作平台界面后处理方式 e m u f d t du n i x x m o t i f 窗口，图形曲线 图形化用户界面 q f d t d 9 0 w i n d o w s 无数据文件 u n i x x f d t d l i n u x 图形化用户界面，三结果图形可视化，支持 维几何建模电磁场动画 二、三维c a d 文件 e m a 3 d w i n d o w sc a d f i xg u i 图形可动画 二、三维c a d 文件c a d f i x 进行后处理 e z f d t dw i n d o w s 图形化用户界面图形可动画 f d t d s o l v e rw i n d o w s基于v b 的g u i 生成可执行作图文件 e m p i r e w i n d o w s直观的g u i ， 生成数据文件 u n i xa u t o c a d 作图 生成图形 l c 2 9u n i x图形化用户界面 生成数据文件、显示图 可调用s p i c e 模型形或动画输出 a p l a c7 5 0w i n d o w s 9 5 n t类似于s p i c e 的建 u n i x模方式，可调用元件 模型、系统模型 1 2 本文工作的特点及意义 由前两节介绍的f d t d 的特点及相关软件的特性，我们可以看出，相对于另 外的算法如有限元法( f e m ) 、矩量法( m o m ) ，f d t d 有很大的优越性。因此， 基于f d t d 方法进行电磁场通用仿真软件的设计，具有较好的通用性和很强的实 用性，能为各领域电磁场工程的应用提供设计平台。 从上面可以看出目前开发出的基于f d t d 电磁场软件虽然有自己的优点，但 也存在相当多不足之处。如e m u f d t d 不能在个人微机上实现，只能输出场值分 布；只采用均匀网格，不能实现特殊不规则边界的良好模拟。q f d t d 9 0 由于只采 6 第一章引言 用m u r 二阶吸收边界，不适用于高色散的宽带特性如金属波导结构；出于对计算 机内存需求的考虑，不能实现对各向异性和磁性材料的仿真等。除此之外，上述 f d t d 软件还有一个共同的不足之处：软件界面的都不是很友好，用户必须要拥有 相应的电磁场专业知识才能很好的使用上述软件。而且，除了极少数软件以外， 都没有高效、成熟的几何建模系统和高效的后处理显示系统，大多都通过导入外 来c a d 文件的方式以及生成数据文件导出的方式来解决这两个问题。导致用户需 要额外购买和学习如a u t o c a d 之类的c a d 制图、建模软件来绘制相应的结构。 一方面提高了操作的复杂性，软件的易用性严重下降；另一方面仿真软件的开发 应用要受到其它软件限制，还增加了用户学习使用的时间。导致软件的扩展性大 大被削弱，不被用户接受。 电磁场仿真软件除了高效的分析算法、强大的数据后处理功能以外，软件的 易用性也是一个非常重要的因素。现在，无论是著名的c a d 建模软件如 a u t o c a d 、三维动画设计软件如3 d sm a x ，还是上述三维电磁场仿真仿真软件 等需要三维建模功能的软件，无一例外地使用了可视化技术。电磁仿真软件在可 视化技术的帮助下，用户的建模操作、参数设置、仿真过程、数据后处理的整个 过程都交互可见：在建模和参数设置中，用户对模型的修改能实时地反映在当前 的模型上，这种直观的建模方式大大加快了对复杂模型的建模速度：在数据后处 理中，直观的动态的图形曲线和电磁场图，对仿真工程的物理特征分析有非常明 显的帮助。 计算电磁学实验室开发一个拥有完整的三维实体几何建模c a d 并具有可视化 界面的良好交互系统的电磁仿真系统软件，可以为以后的科研工作提供方便的工 具。虽然目前软件模块是为基于f d t d 核心算法设计的，但是本软件模块面向对 象设计概念所带来的通用性和扩展性，可以使得它在增加或改动少量代码的情况 下轻松地与其它核心算法模块相结合，这为实验室新算法研究提供了一个方便的 平台，同时为以后仿真软件的商业化铺平了障碍，所以本课题对通用电磁仿真软 件的开发具有非常重要的作用，具有很高的实用价值。 目前本实验室现有版本软件的前处理和后处理系统存在一些严重不足之处： 如结构输入繁琐，采用a u t o c a d 作为几何建模系统，采用文件方式传递电磁和几 何参数信息；界面不直观方便，利用a u t o c a d 的脚本v b a 环境下运行，界面单 调交互能力弱；软件的后处理需借助如额外绘图软件实现结果的图形化显示，使 得软件的使用有很大局限性。 本文的目标是改进现有版本软件的前处理、后处理系统，增强其功能。主要 7 电子科技大学硕士学位论文 包括设计和实现一个包含二维、三维实体几何建模能力，模型、数据可视化能力 两者结合的几何核心模块，以及一个拥有友好、易用的交互系统的软件界面模块。 同时完成软件模块的开发文档、使用手册和软件模块测试报告等。 软件模块支持的系统：w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 x p 和w i n d o w sn t4 0 。同时需要 o p e n g l l 4 以上支持。 8 第二章电磁场c a d 系统理论和相关技术 第二章电磁场c a d 系统理论和相关技术 2 1c a d c a e c a m 系统简介 计算机辅助设计( c a d ) 是指在开发过程中使用计算机系统来辅助产品创建、 修改、分析和优化的相关技术【7 j 。这样，任何包含了计算机图形学和在设计过程中 使工程设计变得容易的技术，都可以归类为c a d 技术。换言之，c a d 系统包括 了从创建几何形体的几何建模工具到分析、优化应用程序的所有工具【8 j 。目前可以 使用的典型工具包括公差分析、质量计算、有限元建模和分析结果的可视化工具。 c a d 系统最基本的功能是定义模型的几何形状，这里所说的几何形状可以是机械 零件、建筑结构、电子电路、电磁场高频结构和建筑平面布局等等。几何形状是 产品周期中后续各项工作的基础，计算机辅助绘图软件和几何建模软件典型地应 用于这个阶段的工作当中，这也是为什么这些系统被称为c a d 软件的主要原因， 同时这也是c a d 最大的优势之一。使用c a d 软件来绘图或者是建模能节省从重 定义几何形状所需要的大量时间，也能减少因此而造成的出错概率。因此我们说 计算机辅助绘图和几何建模系统是c a d 中最为重要的组成部分。 计算机辅助制造( c a m ) 是将计算机系统直接或间接地运用于计划、管理和 控制生产作业的相关技术。这类技术普遍应用于数字控制领域，其主要功能是用 可编程的指令来控制机床。目前利用该系统使用c a d 数据库中的几何数据、加上 操作人员提供的相关信息就可以生成大量的数控指令来自动地制造出相应的产 品。c a m 的研究集中于最小化操作人员的交互工作上。 计算机辅助工程( c a e ) 是指使用计算机系统来分析c a d 几何模型，允许设 计者模拟并研究产品的行为，以便进行改进和优化产品设计的过程。c a e 系统目 前有许多可用于分析工作的c a e 工具可以选择，例如：运动学程序可以用来确定 机械结构当中的部件的运动轨迹和速度，大位移动力学分析程序可以用来分析如 汽车这样复杂的装配体中的载荷和位移问题，逻辑时域和验证软件可用来分析电 子电路的运行问题。在电磁场领域，我们使用各种电磁场仿真系统来分析和研究 各种结构和微波电路表现出来的各种电磁特性( s 参数、q 值、模式、方向图等) 。 最广泛利用的计算机辅助分析方法是有限元方法p j ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， f e m ) 。这种方法可以用来确定应力、变形、热传递、电磁场分布、流体流动等连 续域问题。目前在电磁场领域广泛应用的分析方法还有矩量法( m o m ) 、有限时域 9 电子科技大学硕士学位论文 差分法( f d t d ) 、有限积分法( f i t ) 等等。 使用前述的分析方法( 如：c a e ) 来进行分析研究，要处理的一大问题就是： 这些分析方法都需要一个恰当的抽象模型，而不是产品的精确几何模型，抽象模 型是通过消除几何模型中的一些不必要的细节或通过减少维数得到的。因此为了 应用这些方法，我们需要从几何模型当中，交互地或是自动地生成一个抽象的模 型。一旦抽象模型生成，将用抽象模型通过的网格生成系统生成相应的单元网格， 如：有限元的4 面体单元网格、时域有限差分法的立方体单元网格等【l l 】【1 2 】。这 种能够构建抽象模型、生成网格为分析算法提供计算参数的工具称之为预处理器 或者是前处理器。在相应的算法进行计算分析后，计算机收集、分析数据结果， 并对它们进行可视化显示，这一处理过程一般称之为后处理。数据的有效的可视 化，对设计者分析设计会带来很大的帮助【1 3 】【1 4 】【1 5 】。 另外在分析过程中一般会嵌入优化设计工具。这些优化工具配合分析算法可 以自动地确定符合用户需要构建的几何形体的最佳形状，从而将操作员的交互工 作量降到最低。 由此可见，一个c a d 软件系统一般由以下几个部分组成：人机交互系统( 软 件界面系统) 、计算机辅助绘图几何建模系统、计算机辅助分析前处理器、计算机 辅助分析系统、计算机辅助分析后处理器。 2 2 界面设计 运用于界面设计有8 条规则，称为“黄金规则 ，它们适用于大多数的交互系 统设计。这些规则来源于经验并经过2 0 多年的改进，但对于特定的设计领域需要 验证和调整，而且作为一个有用的指导，它已经能够很好地被设计者所接受【1 6 1 。 1 、尽可能保持一致性 在类似的操作环境当中应该提供一致的操作序列；术语应该在提示、菜单和 帮助中保持一致：颜色、布局、大小写和字体等应该始终一致；异常情况，如删 除命令要设有确认提示：密码要设有重复输入而且要限制其数量。 2 、符合普遍可用性 认识到不同用户的需求，并为可塑性而设计，促进内容的转换。新手和专家 的区别、年龄范围、残疾情况以及技术的多样性都可以丰富设计需求的内容，从 而指导设计。添加适合新用户的特性( 比如注解) ，以及适合专家的特性，可以丰 富界面设计并可以改善可以感知的系统质量。 1 0 第二章电磁场c a d 系统理论和相关技术 3 、提供信息的反馈 对每个用户操作都用对应的系统信息反馈。对于常用的或是比较次要的操作， 反馈信息可以很简短；对于不常用而重要的操作，反馈信息就应该丰富。对象的 可视化实现可以方便清晰地表示出这种变换。 4 、设计说明对话框以生成结束信息 冗长的操作序列应该分成几组，包括开始、中间和结束三个阶段。一组操作 结束后应有反馈信息。这样可以使操作者产生完成任务的满足感和轻松感，而且 可以让用户放弃临时的计划和想法，并告诉用户系统已经准备好接受下一组操作。 5 、预防错误 应当尽可能地设计不让用户犯严重错误的系统。比如，将不适当的菜单选项 以灰色显示，禁止用户在数值输入域输入字符等。如果用户犯了错误，界面应当 能检测到错误，并提供简单的、有建设性的和具体的指导来帮助用户修正错误。 6 、允许轻松的反向操作 操作应该尽可能地允许反向。这样可以鼓励用户尝试不熟悉的选项和操作， 加快甩户学习的速度。反向操作的单元可以是单独的操作、单个数据输入任务或 者是一组完整的操作。 7 、支持内部控制点 有经验的操作者会非常希望能控制界面，并希望界面对他们的输入进行及时 的反馈。而如果用户碰到奇怪的界面行为、进行冗长的数据输入、很难或者无法 得到所需要的信息时，他们就会感到焦虑和不满。 8 、减少短时间记忆 由于人凭借短时间记忆进行信息处理存在局限性，所以要求系统信息显示简 单，多页信息显示统一以及窗口移动频率低。另外要在一个地方提供对使用频繁 信息的直接访问，以降低用户需要记忆的信息量。 2 3 几何建模系统 几何建模系统是指，作为设计者的用户在三维的空间中操作三维形体的系统。 利用这个系统来进行设计的过程是指设计者通过对基本几何模型施行各种操作 ( 变形，添加或者切除一部分) 逐步达到最终想要的形体的过程。 为了满足工程精确设计的需要，在一般的设计过程中我们需要使用工程制图 知识，在图纸上或者是采用计算机辅助绘图的方式完成设计。但是在大多数情况 电子科技大学硕士学位论文 下，通过这种方式从实物模型提取必要的信息来制造一个精确的复制品是十分困 难的。而几何建模系统就解决了上述过程中遇到的问题。这些系统提供了一种可 以无拘束地创建和操作物理模型的虚拟环境。设计者在使用建模系统来细化形状 的过程中，可以对模型进行变形、添加、切除之类的操作。如同小朋友使用捏泥 一般来对虚拟模型进行操纵。在三维可视化系统的帮助下这些虚拟模型看起来和 实际的物理模型一致，而且还带有精确的数学描述，不必测量就可以得到精确的 几何信息，这对以后的产品生产带来了极大的方便。几何建模系统按照发展历史 可以分为以下几类：线框建模系统、表面建模系统、实体建模系统以及非流形建 模系统。 2 3 1 线框建模系统 线框建模系统使用特征线和端点来表示形体，并用这些边框图来表示三维图 形，通过修改点和线来改变图形的形状。也就是说，线框建模系统的虚拟模型仅 仅是形状的边框，对应的数学描述的曲线方程、点坐标列表以及点线的连接信息。 通过连接信息来识别哪些点是哪些曲线的端点，哪些曲线是相连的。 线框建模系统开发于几何建模系统初期。这种建模系统仅仅需要点线就可以 表示形体，系统开发比较简单，但是线框构成的模型具有二义性，此外模型中没 有描述形体内外边界的信息。缺乏这些信息模型不能用于计算质量、计算加工路 径和划分网格。 2 3 2 表面建模系统 表面建模系统是上述线框建模系统的发展，除了有上述建模系统的特征点、 线的信息以外，还包括了形体的表面信息。因此在操作这些表面模型时，其拥有 的曲面、曲线方程和点坐标将被同步更新。若将表面隐藏，利用表面建模系统产 生的可视化模型看起来将和线框模型完全一致。这种建模系统的数学描述还可能 包括一些表面连接信息( 表面拥有的曲线，表面相邻的表面，以及和表面的一条 曲线相交的另一个表面) ，这些信息在一些具体的分析应用中会非常的有用。如果 没有这些信息，应用程序在使用某些功能的时候就必须通过曲线、顶点等信息来 推导出需要的连接信息。 使用表面模型来创建拥有复杂表面的模型主要有两个目的：模型可视化时用 来评估模型的美观程度；数学描述可以用于生成加工产品表面的数控走刀轨迹。 1 2 第二章电磁场c a d 系统理论和相关技术 2 3 3 实体建模系统 实体建模系统是用来创建具有封闭空间的形体，即实体【1 7 】。不同于线框建模 系统和表面建模系统，在实体建模系统中，只允许创建构造封闭空间的线和面。 使用这种建模系统建立的实体，其拥有的数学描述除了有上述表面建模系统可以 提供的信息以外，还包含了区分实体内部、外部和表面的信息。 2 3 3 1 实体建模的方法。 由于实体模型的数学描述要求大量的数据输入，实体建模系统如果要求用户 直接输入模型的顶点信息和相关的链接信息数据的话，对于用户来说将是是非常 复杂而繁琐的任务。这种直接输入的建模过程也和现实生活中建立实际物理模型 的过程不同。为了解决这个问题，实体建模系统一般提供一些简单方便而直观的 建模方法，使得用户可以像在现实世界中处理物理模型一样去处理这些虚拟模型， 而不必考虑太多数学上细节。为此大多数建模系统都提供了一些诸如基本体素创 建二布尔运算、拉伸、扫描、旋转和倒角等建模功能。用户通过一些简单的操作 来建立形体，而形体的数学描述由系统自动生成和填写。下面是一些常用的建模 方法： 1 体素建模方法( p r i m i t i v ec r e a t i o nf u n c t i o n s ) 这种方法通过调用一个已经储存在程序中的体素，创建出和体素形状相类似、 具体尺寸由用户定义的实体。这些体素通常都是一些现实世界中比较常见的基本 加工原料的形状，如长方体、圆柱、圆锥、圆台等。 2 布尔运算方式【1 8 】【1 9 】【2 0 】( b o o l e a no p e r a t i o n s ) 通过体素来生成所需要的实体方法固然非常简单方便，但是由于建模的不可 预知性，任何建模系统不能也不可能储存了所有需要的体素。这时采用组合简单 的体素的建模方法就可以大大增加可以创建的形体的数量。在实体建模当中，运 用布尔运算组合简单体素来产生更复杂的形体是一种很重要也很普遍的方法。而 且一般系统的布尔运算的对象不仅仅是体素，也可以是任何体素通过布尔运算生 成的实体。 大多数实体建模系统支持的布尔运算是指实体之间交、并、差运算。同时， 实体建模系统一般还允许平面对象和实体之间做受限制的布尔运算，如：面和实 体的布尔减运算、面和实体的布尔交运算等。布尔运算有一个很重要的封闭性条 件就是避免生成的对象不是实体的情况出现。这种情况下，通常系统将会认为这 1 3 电子科技大学硕士学位论文 是一种非法的状态而不生成任何结果。下面将要介绍的非流形实体建模系统可以 处理这种情况。 3 扫描【2 l 】( s w e e p i n g ) 扫描是通过拉伸或者是旋转一个封闭的平面区域来生成一个实体的建模方 法。将平面区域拉伸时称之为拉伸扫描；将一个平面区域旋转时称之为旋转扫描。 若平面图形不是封闭的，扫描的结果会生成一个表面而不是一个实体。 4 蒙皮( s k i n n i n g ) 通过创建可以覆盖预定横截面的表面而形成的封闭的空间或实体的方法被称 为蒙皮建模。如果模型两端没有相应的表面来封闭整个图形，那么生成的就是一 个表面。 5 倒圆( r o u n d i n g 或b l e n d i n g ) 倒圆是用修改模型的方法。它可以是一条有棱角的边或是一个顶点被一个圆 滑的曲面所替代。 6 拉伸( l i f t i n g ) 拉伸方法是向一个特定的方向上拉伸实体的一部分的方法。该方法的主要目 的是对模型进行小范围的局部修改。这个方法需要注意的问题是自干涉问题。通 过拉伸体的布尔运算的方法是可以解决这个问题的。 7 特征建模1 2 2 1 ( f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ) 基于特征的建模方法能够使设计者使用熟悉的形状单元来建立实体。其中， 所建立的实体不仅包含了基础形状的实体信息，还包含了形状单元的信息，如在 中央打个特定的孔。这种信息一般都与某些特定的加工方法对应。这样的单元信 息表达了该系统所能建立的模型的能力，从而使得加工过程基本自动化。 8 参数化建模 在参数化系统当中，设计者通过使用各个元素的几何约束和尺寸约束数据来 建立一个实体模型。几何约束是表示各个元素之间的关系，例如，两个平面平行， 两个半径相等。设计者以数学方程式的形式来给出这些关系，这样参数化建模就 可以通过求解方程式来建立一个所需要的模型。这个建模方法需要注意的方面是 几何约束之间的关系。如果约束之间出现问题的话，建模就会出现问题。 2 3 3 2 实体模型的数据结构 上面介绍了实体建模系统中的一些常用的建模方法，当一个实体用这些方法 建立了以后，它的所有数学描述信息就会保存在计算机里的一种数据结构里。根 1 4 第二章电磁场c a d 系统理论和相关技术 据储存的对象进行分类，我们可以将描述实体的数据结构分成三类。第一类，将 体素的布尔运算保存在一个树形结构中，这个过程被称为构造实体几何 ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，c s g ) ，而这颗树被称为c s g 树；第二类，数据结 构储存实体模型的边界信息( 顶点，边，面，体以及他们之间的连接信息) ，这种 方法被称为边界表示法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，b r e