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哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 c a d c a e 集成中多分辨率建模技术的研究 摘要 删c a e 相关集成技术的发展，促进了集成化设计与生产浪潮，使得 产品开发与评价过程发生了变化。在集成化造型和分析技术中，特征造型及 数据共享是两个最为关键的技术。现有多分辨率造型方法一般都是基于网格 模型，根据最终模型的几何形状信息对模型简化，得到的简化模型往往与设 计、分析需求不一致，导致无法满足c a d c a e 集成化中特征模型重用与数 据共享的要求。 针对以上问题，本文采用基于特征模型的多分辨率表示方法，实现 c a d g 嗵集成系统的新方法。该方法利用模型的复杂度与操作特征集的相 关性，通过选择不同的特征集做集合运算，得到不同细节层次的特征模型。 考虑到设计特征间存在着相互依赖关系，不能任意独立抑制某个特征，本文 引入基于细胞元的语义特征表示模型。从分析特征依赖关系的产生原因入手， 通过把产品模型中的每一个特征，由一个或者一个以上的细胞组合成为一个 拓扑对象实现任意特征的单独抑制，从而可以创建任意细节层次的特征模型， 实现模型的重用。同时，为了实现建模数据与分析数据的共享，文中还提出 了一个基于共享特征数据库的方法，通过建立和查询存储在公共特征库中的 多分辨率特征表与l o d l o a 模型链表，实现自定义细节层次c a d 模型和自 定义抽象层次c a e 模型的并行快速同步提取和修改。 通过对新的特征造型方法和数据共享方法的分析，提出了基于多分辨率 建模技术的c a d c a e 集成框架，并将该框架的思想在h u s t - c a i d ( 哈尔滨 理工大学计算机辅助工业造型设计系统) 上进行初步的实现。实际应用表明， 该集成框架，能快速求得基于不同细节层次和抽象层次的简化模型，实现了 模型的重用与数据的共享，提高了实体模型设计与分析的效率。 关键词语义特征；多分辨率造型；细胞元；数据共享 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 r e s e a r c ho i lm u l t i - - r e s o l u t i o nm o d e l i n gi n c a d c a ei n t e g r a t e dt e c h n o l o g y a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r ，t h ed e v e l o p m e n to fc a d c a ei n t e g r a t i o na n dc o m p u t e r a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n i q u e sh a sg r e a t l yc h a n g e dt h ew a y so ft h ep r o d u c t d e s i g na n dm a n u f a c t u r e f e a t u r e b a s e dm o d e l i n ga n dd a t as h a r i n ga r ct h ek e y t e c h n i q u e s i n i n t e g r a t e dm o d e l i n ga n da n a l y s i s g e n e r a l l y , m u l t i - r e s o l u t i o n m o d e l i n gm e t h o d sa leb a s e do n 鲥dm o d e l a c c o r d i n gt ot h ef i n a lg e o m e t r y i n f o r m a t i o n ，t h em o d e l i s s i m p l i f i e d h o w e v e r t h e s i m p l i f i e d m o d e li s i n c o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g na n da n a l y s i sr e q u i r e m e n t s ，w h i c hr e s u l t si nf a i l u r et o m o d e lr e u s ea n dd a t as h a r i n g an e wc a d c a ei n t e g r a t e d a p p r o a c hi sp r o p o s e db y af e a t u r eb a s e d m u l t i r e s o l u t i o nm o d e l i n gs y s t e mt os o l v ea b o v ep r o b l e m s b a s e do nt h em o d e l c o m p l e x i t ya n dt h er e l a t i o nb e t w e e nf e a t u r es e t s ，t h es y s t e ma c q u i r e st h ef e a t u r e m o d e li nd i f f e r e n tl e v e l so fd e t a i l b yc h o o s i n gd i f f e r e n tf e a t u r es e t sa n ds e t s c o m p u t a t i o n t a k i n gt h ei n t e r - d e p e n d e n tr e l a t i o n s h i pa m o n gt h ed e s i g nf e a t u r e s i n t oa c c o u n t ，f e a t u r e ss h o u l dn o tb ea r b i t r a r yi n d e p e n d e n t l yi n h i b i t e d t h e s e m a n t i cf e a t u r em o d e l i n gt e c h n i q u eb a s e do nc e l l u l a rm o d e li sp r o p o s e dt os o l v e t h e s e p r o b l e m s a c c o r d i n g t o a n a l y z i n g t h er e a s o no ff e a t u r e d e p e n d e n c e g e n e r a t i o n ，t h et o p o l o g i c a lo b j c o t so fp r o d u c tm o d e li sc o n s t i t u t e db yo n eo rm o r e c e l l s ，t h e nt h ef e a t u r e sc a nb ea r b i t r a r yi n h i b i t e di nt e r mo fr e q u i r e m e n t ，w h i c h w i l lb ei nf a v o ro fr e u s i n gt h em o d e l t h ed i s s e r t a t i o na l s o s u p p o r t sf e a t u r e s h a r i n gd a t a b a s et oc r e a t ea n da n a l y z et h ed a t a b o t ht h ec a d m o d e la td i f f e r e n t l e v e l sa n dt h ec a em o d e la tv a r i o u sl e v e l so fa b s t r a c t i o na r ei m m e d i a t e l y e x t r a c t e dt h r o u g has e l e c t i o np r o c e s sb ym a n i p u l a t i n gm u l t i r e s o l u t i o nm o d e l t a b l e sa n dl o d l o al i s t si nt h ed a t a b a s e t h ef u r t h e r s t u d yh a s b e e na p p l i e dt o h u s t - c a i d ( c o m p u t e ra i d e d i n d u s t r yd e s i g ns y s t e md e v e l o p e db y h a r b i n u n i v e r s i t y o fs c i e n c ea n d 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t e c h n o l o g y ) t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i ss t u d yo nt h em o d e l i n gt e c h n i q u e h a sg r e a ts i g n i f i c a n c et og u i d et h ei m p l e m e n to ft h ec o n c r e t em o d e l i n gs y s t e m k e y w o r d s s e m a n t i cf e a t u r e ，m u l t i - r e s o l u t i o n ，c e l l u l a rm o d e l ，d a t as h a r i n g i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文c a d c a e 集成中多分辨率建模 技术的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：毖琴吼m 7 年弓月阳日 f 7 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 c 仰c a e 集成中多分辨率建模技术的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打) 名：鞠绎 导师签名：扫乞镌 日期”罗年三月如日 日期2 。7 年乡月 w 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1国内外相关研究现状 1 1 1特征造型 传统的c a d 几何造型方法，如线框造型、曲面造型、实体造型等，都是用 点、线、面等几何元素经过并、交、差等集合运算构造维数一致的正则形体和 维数不一致不一致的非正则形体。传统的设计方法由于只能提供几何与拓扑信 息，没有c a e 、c a p p 、c a m 、c a t 等应用需要的高层次信息，很难满足数字 化产品全周期各环节对产品模型的要求。为了解决传统造型方法中产品信息模 型定义的不完备性和低层次的抽象性问题，特征造型技术应运而生，并己成为 当今c a d 系统的主要造型方法。 特征造型的引入，一方面为设计人员提供了高层的符合设计人员设计思维 的人一机交互语言，摆脱了传统的基于几何拓扑的低层次交互设计方祛，从而 使设计人员集中精力处理较高层的设计问题，使得设计更加迅速、方便，而且 设计质量也得以保证。另一方面，由于特征是一个高层次的设计概念，兼有形 状和功能两种属性，它的内部包含了大量设计人员的设计意图，这些设计意图 对于设计的维护以及后续的分析、综合等过程有着重要的意义，对于提高c a d 系统的自动化程度以及解决c a d 与c a e 、c a p p 、c a m 在数据交换过程中存 在的不连续性也有较大的帮助。 目前的各种特征造型系统都是参数化的，基于历史的。一般用边界表示法 b r c p 和c s g 作为主要的模型表示方法佟1 。在这样的系统中，系统需跟踪每步 模型操作，如：新创建的特征类型，参数值等。每个新特征都需要依据现存的 边界模型进行定位，而最终的造型取决于边界模型中特征创建的顺序，这种依 存关系直接影响造型结果，甚至在某些情况下，改变特征操作顺序时结果模型 与设计者的意图相背。而且，当进行特征操作时需要重新执行造型的全过程， 模型中的特征数量越多，模型重构所耗费的时间就越大。 在特征造型系统中，如果以特征为模型的基本单位，当特征和特征相交的 时候，相交部分特征的语义h 1 可能会发生冲突，原有的特征的语义也将遭到一定 程度的破坏。细胞元的概念来处理这方面的难题。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 新型的语义特征造型呤一1 ，特征的定义和模型的维护完全分离，所有的特征， 包括几何参数和有效性条件，都由约束声明。这种造型方法的主要优点是被指 定的这些约束是自由的，通过这种方法，可以编辑和维护模型。在基于语义特 征造型系统中整个造型过程根据特征和它们的实体( 例如面和参数) 以及两者之 间的约束统一实现。所以用户的所有造型行为实际上都是基于特征的，相同应 用于造型系统集中的所有图形和文本输出。另外，语义特征造型中另一个特点 是所有特征的语义在整个造型过程中对所有的特征操作来说都不改变。语义特 征造型的这两个特点仅仅意味着在语义特征造型中的两层结构，明显的把造型 实体和在构造几何模型中的实体区分开来。前者执行了所有模型操作的实体保 存在第一层上，它包括了所有的特征和约束实例，通过依赖关系相互关联。第 二层包括了在细胞元模型中产品的构造几何表示，它的实体内部保存仅需要反 射在第一层上执行的模型操作的结果。 整个语义特征造型体系结构是三层结构( 如图1 - 1 所示) 口1 ：底层是数据模型， 即设计者全面设计特征实体，并且把所有的特征信息及相互之间的联系保存在 数据模型中，这个数据模型用特征依赖图表示；中间层是细胞元几何模型，它 能够全面地完整地把特征显示出来，但不是面向用户的，属于过渡性几何模型； 最上层是视图模型，视图是根据用户需要，如面向生产，面向加工，面向分析 等，从细胞元几何模型映射出来的模型，面向终端用户，最接近真实效果。能 有效地克服基于历程树造型系统的缺陷，它能使模型的修改不再依赖于模型的 历程顺序，重构时间短，语义一致性能得到保证。 图1 - 1 语义特征造型的体系结构图 f i g 1 - 1f e a t u r em o d e l i n gs y s t e ms t r u c t u r e 基于细胞元的语义特征造型系统是从几何模型元素这层次上研究特征模 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 型的，通过f d g 使其特征修改不依赖于历程树。语义特征造型系统不仅能提供 定义良好的特征语义的详细描述。而且在造型过程中能有效地维护特征的语义。 由于基于细胞元的几何模型是在特征依赖图的基础上形成的，因此它能够把产 品模型的所有特征按照一定的顺序显示出来，每一个特征由一个或者多个细胞 组合而成，在细胞元模型中细胞元没有重叠的情况发生，所以只需使用并操作， 使得重构的过程没有顺序的要求，与历程无关。 1 1 2多分辨率造型技术 在很多情况下，我们并不需要对物体的每个细节都刻画得很详细。不同的 用户对场景的复杂程度，或同一场景不同部分的复杂程度的要求不一样。例如， 在科学计算可视化中，应根据用户的需要，对其特别感兴趣且要仔细观察的部分 采用精化的网格表示，而对物体的其它部分采用粗糙网格表示陋1 。为解决上述问 题，作为传统c a d 造型系统的延伸，图形学研究人员提出了多分辨率造型的概 念嗍。多分辨率造型是一种支持对同一个场景中的不同物体或同一物体的不同部 分，使用具有不同细节的描述方法的数据结构。为物体提供多分辨率模型描述是 控制场景复杂度、加速图形绘制和提高交互性的一种非常有效的方法。多分辨 率造型在复杂3 d 场景快速绘制、飞行模拟器、3 d 空间的一般曲面造型、地理 信息系统、3 d 动画、交互式可视化和虚拟现实等领域得到广泛的应用。 纵观多分辨率建模技术十几年的发展过程n ，多分辨率建模的发展历史分 为三个阶段：初步发展阶段、停滞阶段和再度繁荣阶段。其大致的发展过程如 图1 2 所示。 从8 0 年代中期到9 0 年代初期为初步发展阶段。这一时期的主要成果是提 出了多分辨率建模的概念，并主要在传统仿真领域进行了一些探索性的研究工 作。从9 0 年代初到9 0 年代中期为停滞阶段。1 9 9 2 年5 月以“多分辨率建模 为主题的国际会议“c o n f e r e n c eo nv a r i a b l e r e s o l u t i o nm o d e l i n g 在美国华盛顿 召开。这次会议可以看作是对多分辨率建模工作的一次总结。但是由于当时的 需求不是很突出，之后多分辨率建模的研究出现中断，进入了萧条阶段，只有 少数学者坚持从事这方面的研究。从9 0 年代中期到现在为再度发展繁荣阶段。 进入9 0 年代中期，随着大规模分布交互仿真的蓬勃发展，对多分辨率建模的需 求日益迫切，多分辨率建模又一次成为众多学者研究的热点。这一时期的研究 主要集中在分布式仿真领域。这一时期的研究者主要针对多分辨率建模问题进 行了研究，同时不同多分辨率模型这问的一致性问题也成为研究的热点。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 发 展 过 程 1 9 9 01 9 9 21 9 9 5 时i 司 图1 - 2 多分辨率建模技术的发展历程 f i g 1 - 2m u l t i r e s o l u t i o nm o d e l i n gt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t 在9 0 年代后期，多分辨率造型方法是为了满足应用需求而产生的，特别是 随着工业及c a d 相关技术的发展，模型的复杂度越来越高。随着模型复杂度的 提高，给模型的设计、分析、传输等应用领域带来种种困难。如在协同设计环 境中，往往需要在不同客户端之间传输模型数据，由于产品模型的复杂化和网 络带宽及速度的限制，要实现复杂模型的实时交互及渲染，往往比较困难。这 就需要能将模型以多层次方式表示，并根据用户需求提供相应层次的简化模型， 以减少传输模型数据量，和保证协同设计的实时性。为保障协同设计正确的实 施及防止设计者越权行为，在协同设计环境中，还需要有相应的安全访问控制 机制支持，它也要求将模型以多层次方式表示，并根据用户的不同权限提供相 应层次的简化模型。在数字化产品生命周期中，模型在各个不同阶段具有不同 的用途，其中在工程分析和c a m 等下游阶段中含有完全细节特征的详细设计模 型是不需要，同时过多的细节不但增加了计算复杂度和模型分析时间，同时会 严重干扰分析过程，影响分析结果。这也需要能将模型以多层次方式表示，然 后根据具体的工程意图、分析方法、精度要求、系统性能等因素提取相应层次 的简化模型。此外，产品模型是设计方法、知识的载体，是厂家和设计者的心 血结晶，因此如何保护产品模型的知识产权是一个重要问题，如果将模型以多 层次方式表示，根据客户需求及其购买程度提供相应层次的简化模型，可达到 知识产权保护的目的。由此可见，多分辨率造型是一项非常有实用价值的造型 技术，特别是对于高复杂度模型的相关应用领域。 。多分辨率造型的产生和发展与细节层次( l e v e lo fd e t a i l ，l o d ) 技术1 密不可 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 分。l o d 模型是指对同一个场景或场景中的同一物体，使用具有不同细节的描 述方法，得到的一组模型。绘制时根据物体在屏幕上所占区域大小及用户视点 等因素，为各物体选择不同的l o d 模型，从而减少需要显示的多边形数目。虽 然l o d 描述充分考虑了人们对图像的视觉效果，为控制场景复杂度和提高图形 绘制速度提供了非常有效的方法，但是由于l o d 描述只能存储若干个不同细节 层次的模型，因此在实时绘制时，应从这有限个模型中选取与用户要求的效果 差别最小的那个模型来绘制。而在实际的交互式图形绘制过程中，用户的要求 是实时的、变化的，有限的多细节层次模型很难满足用户的需求。其次，在l o d 描述中，对不同的细节层次的模型，分别存储其信息，而这些不同的细节层次 模型之间包含了很多冗余信息，大大地浪费了存储空间。另外，当从一个l o d 描述向相邻的另一个l o d 描述过渡2 1 时，会出现不连续的跳变现象。 目前提出的多分辨率造型的生成算法主要有两种：一种是基于小波的多分 辨率分析n 纠5 1 ，小波技术为多分辨率分析提供了简单、一致的方法来处理复杂网 格在存储、传输、编辑以及绘制中的问题1 ；另一种方法是基于网格简化或者网 格细分操作的多分辨率造型n 引，基于网格简化或网格细分的多分辨率型系统一 般采用层次或者序列结构组织网格简化或细分中生成的数据以网格简化为例， 层次结构将每次简化操作新生成的图元作为父结点，将被删除的图元作为子结 点，从而将数据组织成一棵层状的树结构：序列结构将所有的数据按顺序组织 起来，排在后面的记录是从前面的记录中简化而来的。 1 1 3有限元分析技术 有限元素法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) n 钔是求解复杂的工程问题的一种 近似的数值分析方法，可用来对实际结构或设计模型进行分析，是优化设计及 专家系统中常用的分析工具，它的基本概念是将一个形状复杂的连续介质的求 解区域分解离散为有限个形状简单的子区域单元，作为原区域的等效域，从而 将求解连续体的场变量( 应力、应变、温度等) 问题简化为求解有限个单元结点上 的场变量值，从而将求解真实连续场变量的微分方程组简化为求解代数方程组， 得到近似的数值解。它的数学逻辑严谨，物理概念清晰，易于理解和掌握，应 用范围广泛，能够灵活地处理和求解各种复杂问题，特别是它采用矩阵形式表 达基本公式，便于运用计算机编程实现，这些优点赋予有限元法强大的生命力。 有限元法作为一种高度有效的结构分析方法，在机械工程、土木工程及其 它工程设计方面己得到广泛的应用，适用于固体力学、流体力学、传热学和电 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 磁学等各个领域，已成为计算机辅助设计的一个重要组成部分。 在有限元分析中，与计算机的信息交换是一个重要问题。对于大型的工程 问题，输入数据繁多，输出数据更是惊人。据统计，在有限元分析的工作量中， 至少有5 0 用于准备和输入数据，有时甚至多达8 0 ；有3 0 4 0 的时间用于整 理计算结果，真正用于分析计算的时间仅为1 0 - 1 5 。因此有限元分析中的前后 置处理引起了广泛的注意，成为当前有限元分析应用研究中的重要课题。如果 说有限元分析的理论研究方面多集中于变分原理、形函数、单元形态和求解方 法上，则在应用研究中常常把注意力集中在数据管理和计算机的信息交换方面。 1 1 4几何造型与有限元分析集成框架 为了更有效地实现c a d c a e 的集成化，有研究者提出利用人工智能和专 家系统相结合的方法集成c a d 几何造型系统和有限元分析技术。系统集成框架 如图1 3 所示，主要包括五个部分住1 1 ： 1 几何造型设计者根据产品具体要求和需要，利用已有的产品数据库中 的数据，进行产品几何造型。在产品几何造型过程中，设计者要全面周到的考 虑设计对象，尽可能地将后续各种计算和应用( 如有限元分析、加工等) 所要用到 几何信息和拓扑信息输入系统。 2 有限元分析的前置处理也可称之为有限元分析建模。功能是将几何造 型中产生的几何信息和拓扑关系等数据进行加工，自动剖分成有限元网格，然 后输入有限元分析需要的其它数据，生成有限元分析模型。具体而言，就是通 过专家系统访问建模知识库，利用其中存储的规则进行判断和推理，并访问已 有的产品数据库，利用其中的数据信息进行分析和计算，最终形成适宜于有限 元分析的模型。 3 有限元分析目前，有限元分析求解算法已经比较完善和成熟，出现了 非常多高效的有限元分析计算商用化软件，在此不再论述。 4 分析结果的解释与评价在解释评价知识库的指导下，对分析结果进行 解释，对本次设计进行评价。该部分决定是否对本次设计进行修改，如果不需 要进行修改，则系统将各种数据存入产品数据库，完成本次设计任务；如果需 要修改，则任务转入下一模块。 5 指导再设计由上面几步产生的结果数据，再根据优化知识库中的规则 和知识，对初始设计进行修改，同时对于多种修改方案进行优化选择。 4 、5 两部分可以合称为有限元分析的后置处理。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 建模知识解释评价知识库优化设计知识 厅工智能八 挈统竺 1r1r1r1r1r 一几何造型系统n 前置处理h 有限元分析h 后置处理n 指导再设计l i 上上上上上 l 产品数据库 图1 - 3 几何造型与有限兀集成分析系统 f i g 1 - 3g e o m e t r i cm o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ti n t e g r a t i o na n a l y s i ss y s t e m 从集成的总体框架来看，几何造型和有限元分析的集成系统主要由两方面 的工作要做：前置处理和后置处理。系统中存在三个知识库和一个产品数据库， 其中建模知识库与前置处理相联系，指导从几何造型到有限元分析模型的转换； 解释和评价知识库和优化设计知识库与后置处理发生作用，指导从分析结果到 产品的优化设计。通过知识库中的规则，这三个数据库分别对前置处理、后置 处理进行驱动，而产品数据库与集成系统的整个过程相联系，为各个功能模块 提供所需的各种信息。在知识库和产品数据库的支持下，作为后台核心的人工 智能和专家系统控制整个过程的运行，与设计者和分析者共同完成“设计一分 析一再设计 的任务。 系统集成的关键在于有限元分析的前、后置处理。 前置处理系统2 2 1 实现从几何造型系统的几何模型到有限元分析模型的自动 转换，从c a d 造型系统中生成的几何和拓扑信息并不能直接用于有限元分析计 算，必须经过几何模型的抽象化，删除某些细节，降维处理，实体对称性简化， 加入约束信息，加入载荷信息，网格划分等步骤，最后才能产生抽象的分析模 型。在转换的过程中，应充分利用几何造型设计所提供的高层语义信息和低层 几何信息，借助于人工智能技术和专家系统，实现从设计特征到有限元分析特 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 征的转化。 有限元分析的后置处理主要采用图形的方式将分析所得到的结果显现在设 计者面前，为设计者提供直观、明了的效果。有限元后置处理主要包括以下两 部分： 1 结果的分析与评价有限元方法产生大量的数据，如何解释和分析这些 数据是有限元后置处理中的重要部分。数据太多使得解释起来非常困难，并且 在以往的手工情况下往往导致解释的无效。因此如何从庞杂的信息中识别重要 的信息显得尤为重要。 为了解释和评价有限元分析产生的结果，系统应该具各以下功能： ( 1 ) 从大量的输出数据中过滤出重要的信息。 ( 2 ) 根据过滤出的有效的信息，对初始的设计进行评价，以决定是否需要对 初始设计进行修改。 2 指导再设计对有限元分析结果解释和评价之后，如果确定初始设计需 要修改，就可以根据优化知识库中提供的规则，对初始设计进行修改。对工程 设计的修改包括几何形状的修改和非几何形状的修改。例如，通过分析，发现 某圆角处产生应力集中而不符合设计的要求，就要对其进行修改，可以通过对 圆角的参数进行修改以避免这个问题。 对初始设计的修改包括： ( 1 ) 删除几何特征； ( 2 ) 添加几何特征： ( 3 ) 修改几何特征的参数( 包括定形和定位参数) ； ( 4 ) 改变材料特性； ( 5 ) 修改技术特性； ( 6 ) 修改载荷和边界条件( 包括数值和作用范围) 。 对设计进行修改后，再对其按前置处理、有限元分析和后置处理的顺序对 其进行处理，直到在后置处理中，经过结果的分析和评价，认为设计已经完全 符合要求为止。这样就达到了优化设计的目的，实现了设计的完全自动化。 在c a d 与有限元分析技术的集成中，目前存在的主要困难是：一是如何实 现从几何模型到有限元分析模型的自动转换；二是如何从有限元分析的结果出 发评价和修改设计。在以往的工作中，必须花费大量的时间和精力去建立分析 模型。产生一个分析模型总是要经过几何模型简化、网格划分、载荷和约束的 定义、材料定义等步骤。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 5c a d c a e 集成中几何模型转换技术 关于c a d c a e 之间的数据转换乜3 1 问题，国内外都有很多研究。在国外，有 s p a t i a l 公司专门针对3 d 应用程序所提供的数据接口组件3 di n t e r o p ，还有i t i 公司提供的c a df i x 软件。这些组件或软件除了可以进行模型转换外，还提供 了模型修复和简化等功能。在国内，中科院软件研究所王威信等人提出以s t l 为接口进行叫c a e 之间的模型转换位引；南昌大学谢世坤等人提出以有限元模 型作为中间转换文件乜射；清华大学李晓宁等人对删c a e 模型转换的修复问题 进行了研究瞌引。这些研究大都是针对某一类具体模型开发的专门接口程序，应 用面较窄。 要分析c a d 到c a e 模型转换失败的原因幢钉，就必须先了解c a d 和c a e 实体模型的格式和转换过程。在当今流行的删c a e c a m 软件中，几何建模 部分的内核引擎一般都是p a r a s o l i d 或者a c i s ，二者都是基于边界表示法( b r e p ) 设计的，并且在设计中遵循了几何和拓扑信息相分离的思想。但是二者在拓扑 标识和几何元素定义方面并不完全一致，这种差别导致在不同内核造型系统之 间模型转换时，需要进行一定的拓扑映射和元素逼近；另一方面，造型精度不 同的系统之间进行模型转换时，也会出现拓扑关系逼近和几何元素重构，这些 都成为模型转换失败的潜在原因。 见图1 4 ，表示了p a r a s o l i d 的拓扑结构和几何数据；见图1 5 ，表示了a c i s 的拓扑结构和几何数据。 在p a r a s o l i d 和a c i s 的几何数据中，均定义了三种基本类型：点( p o i n t ) 、曲 线( c u r v e ) 、曲面( s u r f a c e ) 。其中点只有一种类型，曲线和曲面都派生出了很多 子类型。在派生的类别中，二者并不是一一对应的：在p a r a s o l i d 中，派生了如 过渡曲面( b l e n d i n gs u r f a c e ) 、偏移曲面( o f f s e ts u r f a c e ) 和旋转曲面( r e v o l v i n g s u r f a c e ) 等曲面类型，而在a c i s 中，除了基本的解析曲面和样条曲面之外，就 只有网格曲面一种派生类别。这样在二者之间进行转换时需要对曲面进行逼近 处理，如果转换精度不够，就有可能在逼近中产生缝隙或碎面。 除了几何元素方面的区别外，二者的拓扑结构也是有区别的。p a r a s o l i d 不 存在b o d y 的拓扑实体，a c i s 的b o d y 只能由一个或多个s o l i d 来对应。在a c i s 中，定义了块( l u m p ) 和有向边( c o e d g e ) 两种拓扑结构，其中块表示空间一个有边 界的连通的区域，是完全连接的点的集合，该集合可以是一维、二维、三维或 者不同维度的组合，这样具有悬面或中空的实体都可以看作是块；有向边用来 记录边在环中出现的情况，允许一条边在一个、两个或更多面中出现。这样， 哈尔滨理一 大学工学硕士学位论文 流形体和非流形体就可以共同存在于a c i s 模型中，这一点在p a r a s o l i d 中是不 允许的。 流形体和非流形体在拓扑标识上和运算法则心8 1 上是不同。例如，由于非流 形体不满足传统的欧拉算子，二者的布尔运算算法就不同。如果将一个非流形 p a r a s o 瑚 几何数 p o i n t c u r v e l i n e a r c & e l l i p s e s p l i n e p l a n e c o n e & c y l i n e r s p h e r e t 0 m s b s u r f a c e r e v o l v e e x t r u d e 图1 4p a r a s o l i d 拓扑结构和几何数据 f i g 1 - 4p a r a s o l i dt o p o l o g ya n dg e o m e t r yd a t a 体导入到一个只支持流形体造型的系统中，就会导致拓扑表示的混乱，从而引 起不可预知的错误。 此外，当今流行的c a d 和c a e 软件除采用上述两大造型引擎之外，还有 采用g r a n i t eo n e 、o p e n c a s c a d e 等造型内核，这些内核在设计上与上述内核 有很多区别，这样，在不同内核软件之间传递模型数据时，就有可能导致信息 丢失或拓扑映射错误。 无论是在基于p a r a s o l i d 还是a c i s 的c a d a 址软件中，造型精度都是非常重 要的，因为c a d 技术是利用计算机图形学技术、计算机几何技术等来模拟现实 中的物体形状，除了显示时的近似，如用小的直线段近似表示曲线外，其中还 存在着大量的内部几何计算近似逼近，如曲面求交、布尔运算等。给定的造型 精度越高，系统内部的几何计算越精确，确立模型几何和拓扑元素相一致的范 围也越严格；反之亦然。 各系统造型精度的不同是导致模型转换失败的原因，曲线位置不连续1 是 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a c i s l 何数据 p o i n t c u r v e s t s p h m e s r e c o n e l 广p 1 眦 图1 - 5a c i s 拓扑结构和几何数据 f i g 1 - 5a c i st o p o l o g ya n dg e o m e t r yd a t a 另一个原因( 如图1 6 所示) 。在低精度的造型系统中被认为相连接的线段可能到 高精度的系统中被解释为分离的线段，从而导致曲线位置不连续引起的错误。 从严格或者精确的造型角度分析，元素之间的拓扑关系1 应该是准确而无 异议的，构成边的顶点应该严格落在边上，同样，构成面的边也应该严格落在 面上。然而，对于容差造型系统，拓扑关系有时候是近似的，而且这种近似程 度直接受造型精度的影响，如图1 7 所示，图1 7a ) 表示精确的拓扑关系，图1 7b ) 表示一种近似的情况。这样，当精度不同的系统之间互相转换模型时，这种近 似的拓扑关系有可能会被解释成不同的情况，从而导致拓扑连接关系改变，甚 至丢失。 图1 石曲线位置不连续 f i g 1 - 6d i s c o n t i n u o u sc u ep o s i t i o n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 点严格落在边上 a ) 精确的拓扑关系 a ) p r e c i s et o p o l o g i c a lr e l a t i o n s ，j 、 压酬上 、1 。，7 ”近似的拓扑关系 图1 7 容差造型时的拓扑近似 f i g 1 - 7t o p o l o g y a p p m x i m a f i o no ft o l e r a n c em o d e l i n g 1 2课题来源与立论目的和意义 1 2 1课题来源 本课题全称为“删c a e 集成中多分辨率建模技术的研究 ，来源于国家 自然基金资助的项目基于细胞元表示的语义特征造型研究及应用( 项目编号 6 0 1 7 3 0 5 5 ) 和哈尔滨理工大学c a d 研究所国家“九五 攻关项目c a i d 的一部分。 本课题是在“基于细胞元表示的语义特征模型”的基础上进一步提出，根据基 于细胞元表示的语义特征模型的特征与叫q 墟集成化发展的需要，提出了基 于特征造型技术的c a d 与c a e 集成化方法的研究，旨在完善q d c a e 集成化研 究，提高产品的造型效率，提高产品设计质量、降低设计成本、缩短产品研发 周期。 1 2 2立论的目的和意义 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 ) ，技术主要用来加快设计速 度，缩短设计周期，改进产品的造型和工程绘图质量，减轻设计人员负担，为 数字加工奠定基础。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 ) ，由有 限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，f e a ) ，优化设计和计算机仿真组成。主要是 指用计算机分析工程或产品性能与安全可靠性，模拟其未来的工作状态和运行 行为，及早发现设计缺陷，对产品进行优化设计，并证实未来工程、产品功能 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 和性能的可用性与可靠性。其核心理论是基于现代计算力学的有限单元分析技 术。 c a d 软件在创建零部件实体模型方面具有强大的功能，凭借c a d 软件的开 放性结构，通过工程数据库进行参数化实体建模，可以方便快捷地创建系列化 的模型，用户可以通过修改几何参数方便地修改实体模型，但是对于生成的实 体模型不能够及时的发现设计缺陷，对产品进行优化设计。c a e 软件大都提供 了建模功能，但其建模效率远远低于c a d 。在c a e 优化设计中需要对分析模型 不断地进行优化、修改、分析、再优化、修改，及对系列化零部件的分析，其 建模工作量之大简直不可想象。再从优化设计的角度严格来说，任何一个工程 或产品的设计都不可能一步到位，总要通过“设计一评价一再设计( 修改) 的反 复迭代的过程，最终才能获得最优的设计。设计人员迫切需要一种对所做的设 计进行精确评价和分析的工具，而不再仅仅依靠以往积累的经验和知识去估计。 因此，实现c a d 与c a e 的集成化研究是势在必行的。 鉴于以上原因，现代产品设计模式强烈要求c a d 与有限元分析( f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，h 认) 紧密结合，即实现c a d 与f e a 的无缝集成，使f e a 从传 统的设计验证地位提高到指导和决策的地位，进一步提高产品设计质量、降低 设计成本、缩短产品研发周期。c a d 与f e a 的无缝集成也是q 气d a 垣集成乃至 c i m s 的重要组成部分，而特征造型技术是实现软件集成的必然选择。 目前a 缸慨的无缝集成还远未实现，有许多重大的问题还没有得到实质 性的解决，严重阻碍了c ad ，c a e c a p p c a m 软件集成的发展。基于特征的有限 元自动建模与c a d 与c a e 中特征模型的转换技术是实现c a d f e a 无缝集成的 两个重要方面。本文主要针对以上两方面进行研究，提出了c a d 与f e a 的双向 集成模型，并对该模型进行了研究，提出更有效的建模方法和模型转换方法， 并且用特征技术和人工智能相结合的方法去集成c a d 特征建模与有限元分析技 术。 本课题就是在对现存的技术进行分析和研究的基础上立题的，具有一定的 理论意义和实用价值。 1 3课题主要研究内容 本课题将从理论和系统设计开发两个方面对特征造型和有限元分析技术集 成的关键问题进行深入的研究，同时把人工智能技术结合起来统一进行研究。 具体工作如下： 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 首先提出了用语义特征技术建模的方法去集成c a d 特征建模与有限元分析 技术，同时将基于多分辨率的建模技术应用于c a d 的实体模型建模和c a e 的分 析模型建模过程中，生成同一模型不同细节层次的实体模型和分析模型，将得 到的特征数据与分析数据存储于公共特征库，结合人工智能专家系统实现被分 析数据的精简与数据共享。有效的避免数据传输中产生严重的误差。 其次，将细胞元表示方法应用于语义特征建模中，用以改变多分辨率建模 中对建模顺序的过渡依赖。 最后，提出删c a e 集成架构，并将该架构应用于h u s t - c a i d 造型系统中， 并进行了初步验证。 1 4论文结构 全文共分五章，具体结构安排如下： 第1 章，阐述了本文的研究背景和意义，从特征造型、多分辨率造型技术、 有限元分析技术及几何模型转换技术几个方面综述相关研究领域的国内外发展 现状；介绍了本文的主要工作，并给出全文的整体结构。 第2 章，分析了现有多分辨率建模方法的不足，提出了一种新型的三维c a d 特征模型的多分辨率表示方法，该方法采用基于细胞元表示的语义特征模型法， 解决多分辨率建模中对建模顺序依赖和模型重用问题。 第3 章，结合第二章提出的建模方法，分析了三维c a d 特征模型的创建过程， 提出l o d 层次模型的生成方法，并且给出了l o d 的简化算法 第4 章，将前两章的方法应用到c a d c a e 集成框架中，提出了一个基于共 享特征数据库的方法，通过建立和查询存储在公共特征库中的多分辨率特征表 与l o d l o a 模型链表，实现自定义层次模型的并行快速同步提取和修改。实现 建模数据与分析数据的共享。 第5 章，将该框架的思想在h u s t - c a i d ( 哈尔滨理工大学计算机辅助工业