（材料加工工程专业论文）注塑模拟分析中中面模型自动生成方法研究.pdf

摘要 r6 3 9 0 5 7 目前，市场上的注塑模拟分析软件大多数是基于g h s ( g e n e r a l i z e d h e l e _ s h a w ) 流动模型所发展的中面( m m p l a n e ) 模型或薄壳( s h e l l ) 模型，属于2 5 d 分析。对r 宁注塑制品总量9 0 左右的薄壁件产品，2 5 d 数值分析的结果已经具 有相当高的准确性，配合应用实际经验，再结套专家系统，25 d 模拟分析在一 定时期内仍将是注塑模拟分析技术市场的主流。 在中面模型流动分析技术中，c a d 阶段产品模型( 实体模型) 与c a e 阶段分 析模型( 即中面模型) 不统一，必须二次建模。用一种高效率的方法构建中面模 型对注塑模拟中面流动技术的应用具有霞大实际意义。 本文立足于当前商业c a d 与注塑c a e 软件的实际，对由实体表面模型自动 生成中面模型进行了研究。提出了由实体模型自动生成中面模型的算法，并利用 v i a l c 山+ 6 0 和o p e n g l 工具，编写了一个m i d p l a n e 程序模块来实现算法。主 要工作如下： ( 1 ) 对商业c a d 软件生成的实体模型进行了分析，研究了由实体模型获得 几何信息的方法。具体通过s t l 文件实现了m i d p l a n e 模块与商业c a d 软件的 衔接。 ( 2 ) 在对注塑制品中商模型分析的基础上研究了离实体模型几何信息生 成中面模型的算法，并编程实现。采用该算法可直接利用c a d 软件生成的注塑 件实俸模型进行流动摸拟分析，轫步实现了c a d 软件与注颦模c a e 软件的无缝 拼接。 ( 3 ) 分析了w i n d o v , , s 环境下的图形处理编程方法，建立了可进行图形变换、 真实感图形显示的m i d p l a n e 模块框架。 ( 4 ) 对m i d p l a n e 模块进行了界面设计，以方便用户操作，完成中面模型生 成。 关键词：注塑模拟实体模型中面模型障铸划分图形变换o p e n g l as t u d ya b o u tt h ew a yo fa u t o m a t icg e n e r a tin g m i d - p i a n em o d e l inp i a s t i cc a ea n a i y s i s p r e s e n t l y , m o s to f t h ep l a s t i cc a e a n a l y s i si s2 5 dm o l d i n ga n a l y s i s ，w h i c h i s b a s e do nm i d p l a n em o d e lo rs h e l lm o d e ld e r i v e df r o mg h s ( g e n e r a l i z e dh e l e - s h a w ) f l o w t h e2 5 dm o l d i n ga n a l y s i s ，w h i c hr e d u c e st h en u m b e ro fv a r i a b l e sd u r i n g a n a l y s i sp r o c e s s ，u s em a t u r em e t h o d o fn u m e r i c a la n a l y s i sa n dd e v e l o ph i g he f f i c i e n t c a es o f t w a r e f o rt h i nw a l lp a r t so c c u p i e dt h e9 0 o u t p u to fm o l d e dp r o d u c t ，t h e r e s u l to f2 5 dm o l d i n ga n a l y s i si sv e r ye x a c t t h e2 5 dm o l d i n ga n a l y s i sa s s i s t e db y p r a c t i c ee x p e r i e n c ea n de x p e r ts y s t e mw i l ls t i l l d o m a i nt e c h n o l o g ym a r k e to f p l a s t i c c a e a n a l y s i s t h em o d e lo f p a r ti nc a d s o f t w a r ei ss o l i dm o l d e dw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h e m o l du s e di np l a s t i cc a e a n a l y s i s b a s e do n m i d - p l a n e m o d e l u s e r sh a v et oc o n s t r u c t m i d - p l a n em o d e lb e f o r ec a ea n a l y s i s i ti ss i g n i f i c a n tt of i n da ne f f i e i e n tw a yt o c o n s t r u c ta m i d - p l a n e m o d e li ni n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o n o nb a s i so f t h e i n v e s t i g a t i o no f t h e s i t u a t i o no f c a da n d p l a s t i cc a es o r w a r e ，a w a y o f g e n e r a t i n gm i d - p l a n ea u t o m a t i c a l l yf r o mas o l i dm o d e li sb r o u g h to u ti nt h i s p a p e r am i d l ) l a n em o d d ei sp r o g r a m m e du s i n gv i s u a l c + + 6 0a n do p e n g l t h e f o l l o w i n gw o r k h a v e b e e nf i n i s h e d ： ( 1 ) t h es o l i dm o d e lp r o d u c e db yc a ds o f t w a r ei ss t u d i e d t h ep r o g r a m e x c h a n g e d a t ab e t w e e n m i d p l a n em o d u l ea n dc a d s o r w a r e b y s t lf i l e ( 2 ) t h em i d p l a n em o d e lo f r e a lc o m p o n e n t i sa n a l y z e d t h e w a yo f g e n e r a t i n ga m i d p l a n ea u t o m a t i c a l l yf r o mas o l i dm o l di sb r o u g h to u ti nt h i sp a p e r t h ep r o g r a m i sd e v e l o p e da tt h es a l n ct i m e ( 3 ) t h em e t h o do fd e v e l o p i n gg r a p l l i cp r o g r a mi nw i n d o w se n v i r o n m e n ti s s t u d i e d t h ep r o g r a mo f g r a p l l i ct r a n s f o r ma n dt h i r dd i m e n s i o ng r a p h i cd i s p l a y i n gi s d e v e l o p e d t h ec a d a n d p l a s t i cc a e s o f t w a r eh a v eb e e nu n i t e d b y t h i sw a y ( 4 ) t h ei n t e r f a c eo fm i d p l a n ei sd e s i g n e d ，s ot h a tu s e rc a nf i n i s ht h eo p t i o no f g e t t i n gm i d - p l a n em o d e lc o n v e n i e n t l y k e yw o r d s ：蝎e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o n , s o l i dm o d e l ，m i d - p l a n em o d e l ， m e s h g e n e r a t e ，g r a p h i ct r a n s f o r m ，o p e n g l - i i 郑州大学顾士学位论文 1 1 注塑模拟技术综述 第一章绪论 随着社会的发展，塑料制品在各行各业、社会各个方面应用越来越广泛， 呵对塑料制品的质量要求也越来越高。注塑成型能一次成型形状复杂，尺寸精 度要求较高的塑料制品，适合高效率、大批量的生产，发展成为热塑性塑料最 主要的成型加工方法。而注塑模在塑料模具中用量最大，涉及面广，约占整个 塑料成型模具的6 0 t l 以上。 传统注塑模的设计与制造主要依靠模具设计师的经验和制模工人的技艺 模具往往要经过反复试模和修改才能正式投入生产。这不仅使新产品开发面世 周期延长，生产成本提高，而且难以保证产品质量，特别是在设计大型、精密 注射模具或采用新型塑利原料和新的成形工艺时，经验就无能为力了。 注射模c a e 技术的出现，解决了这一难题。运用注塑模c a e 软件可在模具 制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际试模，突破 了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚，为设计人员修改设计提供了科学 的依据。 注射模c a e 技术就是利用聚合物流变学、传热学的基本理论，建立塑料熔 体在模具型腔内的流动、传热的物理数学模型，运用数值计算理论构造其求解 方法利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中 熔体的动态充填、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数( 压力、温度、速 度等) 。 2 1 从而预测模具设计和成形条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷， 为判断模具殴计好坏和成形条件是否合理提供科学的依据。 具体讲，注塑c a e 系统可以对浇口位置及尺寸、流道尺寸、冷却管道尺寸、 冷却管道布置及联接方式等进行定量分析，预测设计中可能出现的熔接痕、充 填不足、凹痕、焦斑、翘曲及残余应力过大等缺陷。帮助设计人员，修改产品 结构设计和模具设计。帮助注塑工艺人员确定最佳的注射篮力、注射时间、保 压压力、保压时间、冷却时间、锁模力、模具温度等工艺参数，成型出最佳的 塑料制品来。 c a e 技术的应用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和模具 报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高产品质量，缩短产品上市的 准备周期、降低不良率。【q 目前在注塑加工领域，注塑模拟分析已经取得巨大 塑塑丕堂塑主兰堡堡兰 的成效，协助注塑成型业者获得相当完整的解谀方案。 1 1 1 注塑模c a e 技术的发展概况 注塑或型过程的模拟始于2 0 世纪6 0 年代，英国、美国、加拿大等国许多学 者做了大量的工作，开展了一系列有关塑料熔体在模具型腔内流动与冷却的基 础研究在合理简化的基础上，完成了注塑过程一维流动与冷却分析程序。7 0 年代完成了二维流动与冷却分析程序。8 0 年代开展了三维流动与冷却分析，并 把研究扩展到保压分析，分子纤维取向，以及翘曲与变形预测等领域。1 4 1 进入 9 0 年代后各国先后开展了流动，保压、冷却、应力分析等注塑工艺全过程的集 成化研究。这些卓有成效的研究成果，为开发实用型的注塑模工艺过程分析软 件奠定了基础。 近十年来，注塑模c a e 技术迅速发展，已进入实用阶段。目前国际市场流 行的商品化注塑模c a e 软件主要有： ( 1 ) 美国前a d v a n c e dc a et e c h n o l o g y 公司的c m o l d 软件，该软件无论是 数学模型、程序编制，还是用户界面、软件接口都具有很高的水平。c - m o l d 软 件分为三个层次，第一层p r o c e s ss o l u d o m 用于初始阶段的设计，如；优选塑料 材料、选择标准模架、预铡锁模力、减少注塑压力、平衡流道系统、优化成型 时间、预定成型工艺参数、布置冷却管道、诊断注塑缺陷等。第二层p r o d u c t i v i t y s o l u t i o n s 为三维流动模拟软件c f l o w 和三维冷却分析软件c c o o l ，实现平衡流 动，预测熔接线及气穴位置，评价浇口位置及流道尺寸，获得最佳冷却效果。 第三层p e r f o r m a n c es o l u t i o n ，基于第二层的流动、保压、冷却的分析结果，进 行纤维定向分析、塑料制品的压力和翘曲分析，利用这些结果，可以优化材料 选择、工艺参数设置、制品及模具设计，以获得最好的制品质量，最低的生产 成本，最佳的生产效率。口1 ( 2 ) 澳大利亚m o l d - f l o w 公司是最早开展注塑模流动分析研究的公司之一。 m o l d f l o w 软件主要包括m f f l o w ( 流动、保压分析) 、m e c o o l ( 冷却分析) 及 m e w a r p ( 翘曲分析和应力分析) 等。目前，m o l d f l o w 公司( 2 0 0 0 年兼并a c n c h 公司) 的m a o 软件已经成为世界范围内应用最为广泛的注塑模c a e 软件。 ( 3 ) 德国i k v 研究所开发的c a d - m o u l d 软件。该软件主要包括模具方案构思 与设计、流动模拟、冷却分析和模具强度、剐度分析等。能系统的进行淀塑模 的流动分析、热力学分析、及结构设计。 ( 4 ) 美国s d r c 公司的i d e a s 系统。包括塑料注塑流动、冷却和翘曲分析程 序。其中p o l y c o o i 软件对模具采用三维“有限边界元法”分析，对制品采用 郑州大学硕士学位论文 分层的处理方法，考虑到制品、模具、冷却三者间的热交换，以此计算制品及 模具的温度分布。 ( 5 ) 意大利p l a s t i c s & c o m p u t e r 公司的t m c o n c e p t 软件，其主要包括5 个程 序包：t m c m s ( 材料选择) 、t m c m c o ( 模具加工与成本优化) 、t m c f a ( 流动 分析) 、t m c c s e ( 型腔尺寸设计) 、t m c m t a ( 成型热分析) 。 其它还有美国g r a t f e k 公司的s i m u f l o w ，加拿大m c g i l l 大学的m c 弛蝴系 统，美国a e c 公司的m o l dc o o l 软件，美国a e c 公司的m o l dc o o l 软件等众多模 拟分析软件。【6 9 j 我国注塑成型模拟研究起步较晚，始于2 0 世纪8 0 年代，在消化、研究国外 技术的基础上，在国家“八五”科技攻关项目的支持下，我国在注塑模拟数学 模型、算法、前后置处理以及试验验证、实际运用各个方面都取得了长足的发 展【1 。1 。目前，国内比较成熟的c a e 软件主要有郑州大学模具中心的z m o l d 软件 和华中理工大学的h s c 系统。 郑州大学模具研究中心从1 9 8 7 年开始研制塑料成型过程模拟及模具优化设 计系统z - m o l d ，该系统是目前国内处于领先水平的注塑模c a e 分析系统。 z m o l d 系统包括初始设计( z d e s i g n ) 、建模器( z m o l d e r ) 、流动分析( z f l o w ) 、 保压分析( z p a c k ) 、冷却分析( z c 0 0 1 ) 和后处理显示( z v i s u a l i z e ) 等模块。z m o l d 已经可以较准确地预测：任意时刻熔体的压力、温度、剪切速率和剪切应力分 布；熔接线和气穴的位置：注塑所需的注射压力和锁模力等【1 1 】。z m o l d 运用在 实际生产中已经取得了一定的经济效益。 华中理工大学也是国内较早研究注塑模具c a d c a e 系统的单位。华中开发 的h s c 软件可有效她完成注塑模具三维图形输入及处理、注塑流动和冷却模拟、 模具强度和刚度校核等功能。该系统还建立了注塑模缺陷诊断专家系统 k b d d e s 。采用不精确推理及确定性理论，按人类专家处理问题的思维方式来 协调各专家对问题假设的不确定性，并运用正反向混合推理的控制策略，对常 见的注塑件缺陷及注射过程中的故障进行诊断，得出结论并给出避免缺陷或故 障的方法及建议。【l 习h s c 系列软件已在国内某些企业得到应用，而且己商品化 出售。 此外，上海交大、大连理工、华南理工、南昌大学、浙江大学、北京化工、 等多所大学和科研院所，也都在注塑模c a e 领域进行了广泛的研究，在像注塑 制品保压过程【1 3 】、残余应力【1 41 5 1 1 6 1 、熔接线【。7 l1 引、纤维取向 1 9 、2 0 1 、气辅成型 1 2 1 共注成型2 2 、反应注射、挤出吹塑田增多个方面取得了许多卓越成果。 随着c a d c a e 技术的不断发展，可以预计，注塑模c a e 技术必然会为我国的塑 料模具工业带来新的生机和客观的经济效益。 1 1 2 塑料模c a e 技术的发展趋势 当前，国内外注塑成型模拟研究的热点是气体辅助注射成型模拟和真三维 的精密注射成型数值模拟，及联机分析成型过程的控制系统。将实际注射成型 与计算机模拟结果进行实时比较，然后利用专家系统自动调整成型工艺参数， 以实现注射机的优化控制。 经过三十多年的发展，注塑模c a e 技术已经从理论研究走到了实际应用。 c a e 系统成功的结构分析极大地完善了c a d c a m 系统，其运用范围己渗透到 注塑模设计和制造的各个环节。但是从目前运用的实际效果来看，注塑模c a e 商品化软件的功能和精度还有一定的缺陷，今后的研究和发展趋势表现在如下 几个方面： 2 5 , 2 6 , 2 7 ( 1 ) 注塑成型全过程模拟的完善及模拟精度的研究。注塑成型模拟的c a e 包括：流动、保压、应力应变及翘曲等模块。由于各模块在开发、研制的初期 均是基于各自独立的数学模型，而且这些模型在一定程度上进行了简化，没有 考虑或忽略了其它过程的影响因素。数学模型准确性和数值算法精确性的完善， 将进一步提高注塑c a e 软件的实用性。另外，用三维有限元分析模型取代目前 二维有限元与有限差分的耦合算法，来分析流动过程的压力场和温度场，也是 日后注塑成型c a e 算法研究的发展趋势。注塑成型过程是一个连续重复的过 程，将各独立的模块进行耦合计算分析，可以提高分析软件的模拟精度，扩大 适用范围。 ( 2 ) 注塑成型新工艺及其模拟研究。随着注塑成型设备和成型工艺的不断发 展，出现了气体辅助注塑成型的新工艺。该工艺将注塑成型与结构发泡成型结 合在一起，所需注射压力小，制品成型后翘曲变形小，表面质量好，成型周期 短。由于气道加强筋增强了制品的刚度和精度，同时又节省了熔料，既保证了 制品的质量，又降低了生产成本。因此，这项工艺在e l 本、欧美已被广泛用于 汽车和家电行业的塑料件生产1 2 8 】。气体辅助注射成型比普通注射成型多了气体 注射阶段气体推动塑料熔体充满模具型腔，因此成型过程较复杂，制品设计 原则与普通注塑制品又有差异，该新工艺对c a e 技术要求较高。目前，国外研 究得较为成熟的是美国c o r n e d 大学的c i m p 研究组，他们的c g a s m o l d 软件提 供模拟气体辅助注射成型工艺的填充过程 2 9 , 3 0 1 。m o l d f l o w 公司开发的气体辅助 注塑成型过程模拟系统，对气体在注塑成型中的穿透过程进行了模拟，对气体 可能吹穿的流动前沿位置进行了预测，而且可以分析确定熔体的壁厚和薄壁区 域气道的直径。当气体过压时，对熔体的溢出过程也进行了模拟。 ( 3 ) 注塑模c a d c a e c a m 系统的集成化：c a e 软件可以模拟在不同工艺 郑州大学硕士学位论文 条件下的注塑情形，预测出成型制品的质量参数，从而对塑件的各种性能进行 全面分析，指导实际生产。但目前的c a e 商品化软件与c a d c a m 软件之间的 数据传递主要依靠文件的转换，这容易造成数据的丢失和错误。因而在设计和 制造过程中有必要采取单一的模型，建 r c a d c a e c a m 系统的统一数据库， 加强三者间的联系。 ( 4 ) 人工智能的应用研究：利用人工智能技术开发的注塑模设计和制造全 过程的专家系统，实现最优化的设计制造以及模具在最佳状态下工作，为非专 家人员提供工作的最佳环境。 ( 5 ) 并行技术的应用研究：与传统的串行设计过程相比，并行技术将建立 一个通用的数据库，把集成设计技术和制造技术有效地体现出来，从而提高整 个c a d c a e c a m 系统的水平。 ( 7 ) 网络技术的应用研究：注塑模c a d c a e c a m 系统的软件升级和使用 维护均需要大量的人力和财力，因此采用网络远程服务将是最经济、最快捷， 也是最先进的手段。 1 2 中面模型生成研究的背景和意义 注塑成型模拟分析技术，通过模拟塑料熔体流经流道、浇口充满模具型腔 并冷却成型的整个过程，来计算模具型腔的压力场、温度场、速度场、剪切应 变速率场和剪切应力场的分布，并将分析结果以图表、等值线图和真实感图的 方式直观地反映在计算机的屏幕上。通过流动模拟，预测注射所需的压力和锁 模力，发现可能出现的注射不足、烧焦、熔接痕和气穴等缺陷，从而指导实际 生产，优化模具设计和注射成型工艺参数。三十余年来注塑成型流动模拟技术 不断发展，先后出现了中面流、双面流、实体流三种流动分析模型。 1 2 1 中面模型研究的背景 中面流技术的应用始于2 0 世纪8 0 年代。所谓中面是理想话的位于实体上 下表面之间能够代表制品几何形状结构的平面( 如图i - 1 ) 。中面流技术基于塑 料熔体的粘度大，制品的厚度往往远小于其它两个方向( 流动方向) 的尺寸，将 熔体的充模流动视为扩展层流，忽略熔体的厚度方向速度分量，并假定熔体中 的压力不沿厚度方向变化，将三维流动问题分解为流动方向的二维问题和厚度 方向的一维问题( 也称2 5 d 分析) 。流动方向的各待求量，如压力与温度等， 用二维有限元法求解，而厚度方向的各待求量和时间变量等，用一维有限差分 塑型查兰堡主堂垡丝壅 一 法求解。在求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行，相互依赖。1 图1 - 1 中面定义 f i g l im i d - p l a n ed e f i n i t i o n 中面流技术是应用时间最长、范围最广，应用最成熟的注塑模拟分析理论， 对薄壁件制品的分析，中面流技术已经取得了近乎完美的分析结果。但是，基 于中面流技术的注塑成型流动软件在应用中遇到很大的问题，具体表现为：c a d 阶段使用的产品模型( 实体模型) 和c a e 阶段使用的分析模型( 中面模型) 不 统一，使二次建模不可避免，必须再次构造中面模型。而注塑成型流动模拟软 件造型功能往往较差，制品的结构形状又千变万化，根据产品模型构造中面往 往需要花费大量的时间。 图l - 2 基于中面模型的模拟过程 f i g1 - 2m i d - p l a n em o l d i n g ( a ) 3 维实体、表面模型( b ) 中面模型网格划分( c ) 模拟结果显示 ( a ) 3 ds o l i d ( b ) m i d - p l a n em e s h i n g ( c ) m o l d i n g r e s u l 在2 0 世纪9 0 年代，一种基于实体，表面技术模型的注塑流动模拟方法双面 流技术产生了。所谓双面流是指将制品在厚度方向上分成两部分，有限元网格 在制品的上下表面处产生，而不是在中间位置。相应的，与基于中面的有限差 分法是在中面两侧进行不同，厚度方向上的有限差分仅在表面内侧进行。在流 动过程中上下两表面的塑料熔体同时并且协调的流动。 双面流技术所应用的原理与方法与中面流本质上是相同的，所不同的是双 郑州大学硕士学位论文 面流将沿中面流动的单股熔体演变为沿上下表面协调流动的双股流。双面流可 以利用三维实体表面模型，避免了二次建模。但是，从c a e 角度看，它仍无 法解决中面模型无法解决的问题，此外，它还会带来计算方法上的一些困难i l “。 由于上下表面处的网格无法一一对应，而且网格形状、方位与大小也不可能完 全对称，上下对应表面的熔体流动前沿存在差别。制品复杂时这种上下表面差 别将很难控制在工程允许范围内。此外，熔体仅沿着上下表面流动，在厚度方 向上未作任何处理，模拟结果缺乏真实感。 图1 - 3 基于双面模型的模拟过程 f i g1 3d o u b l e - p l a n em o l d i n g ( a ) 3 维实体、表面模型( b ) 双面模型网格划分( c ) 模拟结果显示 ( a ) 3 ds o l i d ( b ) d o u b l e - p l a n em e s h i n g ( c ) m o l d i n gr e s u l t 采用实体模型和三维有限元网格的三维流动模拟无疑是最理想状况。它一 方面能够更全面的描述充填过程的流动现象，另一方面可以更方便的实现与 c a d 技术的拼接。实体流技术采用三维有限元方法或三维有限差分方法来代替 中面流技术中的二维有限元( 流动方向) 与一维有限差分( 厚度方向) 的耦合算法。 三维流动模拟是当今塑料注射成型领域中的研究热点。目前基于实体流技术的 注塑流动模拟软件的主要问题在于计算量非常大、计算的稳定性问题和网格品 质造成数值收敛性的问题。 塑料制品的c a e 分析是将制品设计与模具设计紧密结合在一起的协同设 计，追求的是高质量、低成本和短周期。实体流冗长的运行时间与虚拟制造的 宗旨大相径庭。如何缩短实体流技术的运行时间是当前注塑成型计算机模拟领 域的研究热点。 1 2 2 中面模型生成研究的意义 目前市场上注塑模流动分析软件大多数是根据g h s ( g e n e r a l i z e d h e l e - s h a _ w ) 流动模型【3 2 】所发展的中面( m i d - p l a i l e ) 模型或薄壳( s h e l l ) 模型的2 5 d 模流分析，以缩减求解过程的变蜃数目，并且应用成熟稳定的数值方法，发展 出高效率的c a e 软件。考虑到9 0 的塑料成品都是薄壁件制品，2 5 d 模流分 析的结果具有相当高的准确性，配合以应用实际经验，再结合专家系统，2 5 d 塑塑盔堂堡主兰垡堡兰 一 模流分析仍将主导模流分析的技术市场。( 所谓薄壳模型要求塑件的尺寸与厚度 比在l0 以上，因此着重在塑料的平面流动，而忽略塑料在塑件厚度方向的流动， 简化计算模型。) 在工程分析中使用最多的还是中面模型分析，这与中面流技 术的简明、计算量小、久经考验、即算即得的优点是分不开的。 因此基于中面模型的注塑模流动模拟软件的完善具有巨大实际意义。对实 体c a d 模型进行中面模型抽取、再造、和网格划分，实现基于中面的c a d c a e 无缝拼接，将能显著的提高软件分析的效率、准确性及扩大适用范围。本文正 是在这方面进行了分析和探索，提出了具体的解决算法。 1 3 论文主要工作 一般的c a e 软件之架构可以区分为三大部分：前处理器r e p r o c e s s o r ) 、求 解器( s o l v e r ) 和后处理器( p o s t - p r o c e s s o r ) 。前处理器的任务是建立几何模型、切割 网格元素与节点、设定元素类型与材料系数、设定边界条件等。求解器读取前 处理器的结果，根据输入条件，运用数值方法求解答案。后处理器将求解后大 量的数据有规则地处理成人机接口图形，制作动画以方便使用者分析判读答案。 本文的工作就是c a e 前处理器模型网格构建部分的内容。 本文立足于当前工程注塑模流动分析软件的实际，详细阐述了在w i n d o w s 环境下可视化的编程方法，开发了基于实体表面模型的中面模型提取、再造和 网格划分的计算机算法，利用v i s u a l c + + 6 0 和o p e n g l 工具，编写了一个 m i l a n e 程序模块来实现算法。具体包括以下内容： ( 1 ) 对商业c a d 软件( u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 、a u t o c a d ) 生成的实体 模型进行了分析，研究了由实体模型获得几何信息的方法。通过s t l 文件实现 了m i d p l a n e 模块与商业c a d 软件数据交换。 ( 2 ) 在对计算机中形体表示方法分析的基础上，建立了节点类、三角形类、 曲面类、实体类的模块基本数据结构。 ( 3 ) 在对注塑制品中面模型分析的基础上，研究了由实体模型几何信息生 成中面模型的算法，并编程实现。 ( 4 ) 分析了可视化的面向对象程序编程方法。对m i d p l a n e 模块进行了界 面设计，包括窗口设计、菜单设计、对话框设计等，以使用户能够方便的完成 各种操作。 ( 5 ) 分析了w i n d o w s 环境下的图形处理编程方法，建立了可进行图形变 换、真实感图形显示的m i d p l a n e 模块框架。 郑州大学硕士学位论文 第二章m i d p l a n e 程序主体设计 本文的主要目的是研究如何基于实体模型信息自动生成中面模型。编写了 m i d p l a n e 模块，作为中面模型生成算法的载体。为获得实体模型信息，设计了 基于s t l 等文件格式的数据接口，来和流行的c a d 商业软件衔接。要对模型 进行观察分析，不可避免的要进行图形绘制、变换、显示等一系列图形处理工 作。所以，m i d r , l a n e 框架编程，主要就是w i n d o w s 环境下的图形编程，为模型 提供一个可视化的观察环境。m i d p l a n e 模块大致分为软件接口、网格划分、中 面生成、图形处理显示几部分。本章主要介绍w i n d o w s 环境下m i d p l a n e 程序框 架的建立以及m i d p l a n e 模块界面设计。 2 1w i n d o w s 图形编程 2 1 1w i n d o w s 编程基础 进行w i n d o w s 编程，就必须了解w i n d o w s 的运行机制。w i n d o w s 运行机 制主要围绕三个概念：窗口、事件和消息。在w i n d o w s 操作系统中，应用程序主 要是以窗口的形式存在。消息传递是w i n d o w s 操作系统和应用程序、不同的应 用程序间互相交流的主要形式。在w i n d o w s 环境中，对诸如鼠标、键盘等的控 制通过消息来完成。因此w i n d o w s 也被称为“基于事件的，消息驱动的操作系 统”【2 ”。 窗口既是一个可视界面，也是应用程序的控制消息发送接收端。窗口不仅 提供了可视化的应用程序的命令，也是w i n d o w s 消息产生和响应的地方。通常 情况下，窗口的非客户区由w i n d o w s 维护，客户区由应用程序进行管理和操作。 w i n d o w s 下窗口有许多类型：对话框、属性页、工具栏、菜单栏，甚至命令按 钮、文本框、选项按钮等控件也是窗口。 在w i n d o w s 中，每个应用程序都是基于事件和消息的。消息的产生和发送 以队列的形式进行。应用程序包含一个主事件循环，该循环持续反复检测是否 有用户事件发生。每检测到一个用户事件，程序就对之做出响应。这些事件包 括移动鼠标指针、按键、单击或双击按钮等。当w i n d o w s 接收到这些事件后， 会产生一些消息a 应用程序接到这些消息后，按每一个消息的专门用途，产生 一系列执行动作。这些执行动作称为响应。响应包括重画窗1 3 、改变窗口大小、 关闭窗口、打开一个位图、调用一个动态库等。w i n d o w s 可以处理3 种不同类 郑州犬学硕士学位论文 型消息：标准w i n d o w s 消息、控件消息和命令消息。 目前，流行的w i n d o w s 程序开发工具有v b 、d e l p h i 、v c 三种，v i s u a l c + + 凭借其优越的品质、强大的功能，已经成为众多w i n d o w s 程序开发者的首选。 2 i 2v i s u a lc + + 简介 v i s u a lc + + 是微软公司推出的功能强大的可视化应用程序开发工具。它以可 视化技术为基础，以c + + 语言为蓝本，以众多的集成工具为骨架，是计算机界 公认的最优秀的应用开发工具之一。 v i s u a lc + + 提供了简洁实用的开发环境，集成的工具集能够让用户商效率地 开发应用程序。v i s u a lc + + 不但可以自动生成程序框架，灵活方便的进行类管理、 代码编写和可视化的资源编辑界面设计，而且v i s u a lc + + 具有强大的调试功能， 为大型复杂软件的开发提供了有效的排错手段。1 v i s u a lc + + 功能强大，可以完成各类的应用程序开发，从底层软件直到上层 直接面向用户的软件。可以开发数据库、网络、多媒体以及图像图形学等多个 领域的程序。因此，它现已成为开发w i n 3 2 程序的主要开发工具。 利用v i s u a lc + + 编程有两种方式：( 1 ) 直接调用底层w i n 3 2a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用程序编程接口) 提供的函数。( 2 ) 基于m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s ，微软基础类库) 编程。m f c 将所有图形用户界面元素都以类的 形式进行了封装，并且提供映射机制，将w i n d o w s 对这些图形界面元素所发生 的消息映射到类的虚拟成员函数。m f c 简化了w i n d o w s 编程任务，用户不需要 记忆大量的a p i 函数，也不需要再自己编写消息控制函数，使编程工作轻松多了。 2 1 3w i n d o w s 图形程序编程 进行图形程序编程就是针对w i n d o w s 的图形设备接口和设备环境进行操 作，通过调用相关函数库中的函数，来完成绘制工作。 图形设备接口( g r a p h i c s d e v i c ei n t e r f a c e ，简称g d i ) 是一组驻留在w i n d o w s 核心的一个d l l 中的函数，这些函数提供了画图函数的调用和设备驱动程序之 间的链接，而驱动程序则与硬件通信。w i n d o w s 操作系统通过该接口实现对图 形的颜色、线条粗细等属性的控制，系统与用户或绘图程序之间的信息交换， 并控制在输出设备上显示图形文字。它最显著的特征是设备无关性。 设备环境( d e v i c e c o n t e x t ，简称d c ) 本身是个g d i ( 图形设备接口对象1 。 是一个用来确定任何设备g d i 输出位置、形象属性的集合。它确定在应用窗口 郑州大学硕士学位论文 中绘制图形的方式、绘图的模式和映射模式。具体通过设备描述表，一个数据 结构来定义。w i n d o w s 应用程序用它来定义图形对象及其属性，并实现应用程 序、设备驱动程序和输出设备( 打印机、显示器) 之间的通讯。 在w i n d o w s 操作平台下，使用v c + + 绘图，也是通过g d i ( 图形设备接口) 调用相应的函数在设备环境中来实现的。具体过程大致分为两步：首先创建一 个g d i ( 图形设备接口) 绘图对象，并加入d c ( 设备环境) 中，然后调用c d c 类( 设备环境类) 中的绘图函数在这个d c 下完成绘图工作。这一过程类似于现 实生活中纸和笔的关系，d c 就是纸，而像刷子、画笔这样的g d i 对象就是笔。 从w i n d o w s 内部运行机制来分析，d c 可以理解为状态保持器，它保存当前系统 的状态( 如画笔颜色、调色板类型) 。当用户在d c 上进行绘制工作时，系统就 利用这些状态值进行图形绘制。如果用户希望改变当前状态值，那么可以通过 s e l e c t o b j e c t 这样的w i n 3 2 i 函数来将指定的状态或者对象选入d c 即可。 m i c r o s o f t 基本类( m f c ) 为设备环境提供了各种包装，可以简化与基本g d i 对象的交互操作。c d c 类( 标准设备环境类) 提供了各种各样的绘画、坐标映射、 剪辑等函数，以实现图形显示。其它所有的专用设各环境类是以该类为基础， 并对其功能进行扩展。 2 2o p e n g l 简介p 4 o p e n g l ( 开放式图形库) 是图形硬件的软件接口。o p e n g l 是在s g i ( s i l i c o n g r a p h i c si n c ) 等多家世界公司的倡导下，以s g i 的三维图形库为基础制定的一 个通用开放式三维图形标准。它独立于窗口系统、操作系统，灵活方便地实现 了二维和三维的高级图形技术。o p e n g l l 书大量功能强大的图形函数组成，它集 成了所有曲面造型、图形变换、光照、材质、纹理、像素操作、融合、反选择、 雾化等复杂的计算机图形学算法。开发人员可以利用这些函数对整个三维图形 轻松进行渲染，从而达到数字化现实生活景象的目的。 由于o p e n g l 稳定性好、可移植性强，目前已成为跨平台最广泛的三维图形 引擎，也是目前应用最广泛的图形标准。 作为图形硬件的软件接口，o p e n g l 最主要的工作就是将二维或三维物体描 绘至帧缓存。这些物体由一系列的描绘物体几何性质的顶点( v e r t e x ) 或描述 图像的像素( p i x e l ) 组成。o p e n g l 执行一系列的操作把这些数据最终转化成像 素数据并在帧缓存中形成最后的结果( 图2 1 给出了o p e n g l l 臼i 作流程) 。以 下是关于o p e n o l 绘图工作的一些具体介绍。 几何 数据 象素 格式 耶州大学硕士学位论文 2 2 1o p e n g l 绘制原理 图2 - 1o p e n g l _ ：e 佧流程 z i 9 2 - 1o p e n g l w o r k p r o c e s s ( 1 ) 过程性而非描述性o p e n g l 提供对二维和三维图形基本操作的直接控 铡，这包括对诸如变换矩阵、光照方程系鼗、反走样方法和像素更薪操作符等 参数的指定。但是，它不提供对复杂几何对象的描述或建模的手段。因此， o p e n o l 命令是指定怎样产生一个特定的结果，而不是说明结果确定的样子，即 o p e n g l 是过程性而非描述性的。 ( 2 ) 执行模式o p e n g l 命令的解释模式是客户服务器模式的。应用程序( 客户) 发布命令，帝令被服务器( o p e n g l ) 解释和处理，服务器可以运行在与客户相同 或不同的计算机上。基于这一点，o p e n g l 是网络透明的。服务器可维护多个 o p e n g l 正文，每个都是封装的o p e n g l 客户可联到这些正文中的任何一个。 分配帧缓存资源的窗口系统最终控制o p e n g l 命令在帧缓存上作用的效果。 窑| = ： 系统决定任何给定时刻驰o p e n g l 可以访问帧缓存的哪些邦分，并通戋 o p e n g l 这些部分是怎样组织的。因此，配置帧缓存或初始化o p e n g l 的工作不 是d j o p e n g l 命令来完成的，而是由窗【：l 系统来完成的。帧缓存的初始化是结合 窑口系统在o p e n g l 外完成的。窗口系统为o p e n o l 绘制分配窗口时实现了 o p e n g l 的初始化。 ( 3 ) 圈元撵作与指令o p e n g l 能够绘制的匿l 元包括点、线、多边形，o p e n o l 可以在这几种图元模式之间选择，而且一种图元模式的设定不影响其它圈元模 式。模式的选择、匿元| ! l 勺定义以及其它o p e n g l 搡律帮是邋过调用响应函数柬实 现的。 翻元被定义为一缎顶点。顶点是构成多边形积线的基本元素。与顶点蝴关 联的数据包括其坐标、颜色、法向量、纹理坐标簿，在通常情况下o p e n g l 以相 同的方法独立地、顺序地处理每个顶点及其关联数据。o p e n g l 命令总是按接收 郑州大学硕士学位论文 到的顺序进行处理。也就是说先定义的图元画完后才会执行随后的命令，状态 查询命令返回在它调用之前所有发布给o p e n g l 的命令完全执行后的相应数据a ( 4 ) 绘制方式o p e n g l 的绘制过程多种多样，内容十