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虚拟产品设计VirtualProductDesign 1 目录 虚拟产品设计的产生背景虚拟产品设计的发展历程虚拟产品设计的定义虚拟产品开发的特点结构 硬件 软件组成虚拟产品设计的框架实现方法 1 几何建模 2 工具性软件 3 具体实现过程功能和应用发展前景 2 虚拟产品设计的产生背景 产生背景 为适应迅速变化的市场需求 提高市场的竞争力 现代的制造企业必须解决TQCSE难题 而虚拟产品设计基本不消耗资源及能量 是产品的设计 开发在计算机上的本质实现 它有高度集成 快速成型 分布合作等特征 而这些特征可以很好的解决TQCSE问题 3 虚拟产品设计的发展轨迹 20世纪60年代 虚拟现实思想的提出及初步发展 头盔显示器 20世纪80年代 美国 取得瞩目的研究成果 至此引起人们对虚拟现实技术的关注 数据手套 20世纪90年代 取得突飞猛进的发展 且将技术成果集成于使用的应用系统中 4 虚拟产品设计定义 虚拟产品设计技术是虚拟现实技术在制造中的应用或实现 虚拟产品设计是一种新的设计技术 是现实设计环境和制造环境的计算机内部映射 是虚拟制造重要内容 虚拟制造是以仿真技术 虚拟现实技术等为支撑 对设计 加工 装配 维经过统一建模形成虚拟的环境 虚拟的过程 虚拟的产品 5 虚拟产品开发的特点 虚拟产品设计继承了虚拟现实技术的所有特点 3I Immersion Interaction Imagination 继承了传统CAD设计的优点 便于利用原有成果 具备仿真技术的可视化特点 便于改进和修正原有设计 支持协同工作和异地设计 利于资源共享和优势互补 从而缩短产品开发周期 便于利用和补充各种先进技术 保持技术上的领先优势 6 结构 硬件组成输入输出设备 基于CRT和LCD的头盔显示器 HMD 普通计算机显示器 投影系统 可视化眼镜 数据手套 数据背心 蹋滚 摇杆 触垫 触觉球 麦克风 合成器 耳机和音响系统 信息采集存储设备 高速计算系统 网络结构 星状 总线 环状 异种机网络 通讯硬件等 7 软件组成语言类 C OpenGL VRML建模软件类 AutoCAD SolidWorks Pro Engineer I DEAS CATIA应用软件类 指用户按自己的要求选择或开发的自用软件 通用的商用工具软件包 帮助用户建立虚拟环境的通用和基本的软件 8 虚拟产品设计的框架 虚拟产品设计过程主要围绕以下三个核心功能展开 设计什么样的产品 WHAT 产品各方面特性的研究 HOW 产品设计结果评价 即回答为何这样设计 WHY 每一个新产品设计的结束 都是同时解决了 设计什么 如何设计 和 为何这样设计的结果如图1所示 9 虚拟产品设计的四个主要层次 模型层 ModelsLevel 仿真层 SimulationLevel 集成优化层 IntegrationandOptimizationLevel 结果评估决策层 ResultsEvaluationandDecisionLevel 10 由三核心四层次组成的虚拟产品设计的环境框架 11 模型层 主要解决产品建模和过程建模通过产品模型的仿真分析 设计人员可以获得对产品行为的认识 评价产品行为 并为建模提供反馈 通过对产品开发过程的仿真 确定采取何种设计活动运作方式 调用设计过程动态运作的仿真结果实现对设计过程的监督和控制 12 仿真层 主要解决系统 产品 在特定环境下的响应 求得响应并不是仿真的最终目的 理想的情况是获得设计空间和响应空间映射关系 从而把握设计本质 预测所关心的产品特性 优化设计结果 13 集成优化层 一方面是为了获得对整个产品整体的认识 更重要的是实现系统层次上的优化 将多个仿真得到的产品各种不同行为 具体体现为各种不同形式的性能指标 作为目标函数 对满足一定约束条件的多个可能的设计组合进行优化决策 找到系统性能的最优 14 结果评估决策层 该层应该对仿真结果的可靠性进行评估 在考虑不确定性困素的情况下做出设计决策也是基于仿真的虚拟产品设计环境应该考虑的问题之一 15 虚拟产品设计的实现方法 几何建模 工具性软件 概述 虚拟产品开发的的显著特点是利用存储在计算机内部的数字化模型 虚拟产品来代替实物模型进行仿真 分析 从而提高产品在时间 成本 服务和环境等多目标的决策水平 达到全局化和一次性开发功能的目的 建模的概念 对象的描绘过程称为建模 对象的造型也简称为建模 16 2020 1 7 17 几何建模 1 概念 指用计算机机及图形工具描述几何物体的形状 设计几何形体 模拟物体动态处理过程的一门综合技术 它可将物体的形状及属性存储在计算机中 形成物体的几何模型 2 几何模型的分类 线框模型表面模型实体模型构造实体几何法 CSG 边界表示法 B rep 18 3 三维实体的建模技术实体的表示方法 CAD系统中 实体指的是在空间具有有限体积的物体 它既有几何特性 如面积 形状和中心等 又有物理特性 如质量 重心等 a 构造实体几何法 CSG b 边界表示法 B rep c 扫描法 19 a 构造实体几何法 CSG 该方法是指将一简单的实体 也称为基本体素 进行一定的集合运算构成所需设计的复杂物体 这种方法实现实体建模的过程就是集合运算的过程 此过程可以形象地用二叉树 CSG表示 CSG定义了物体的构成体素和构造方式 20 图 根结点表示集合运算的最终结果 树的非终端结点表示操作 如移动 正交 并 差运算 叶子结点表示参与运算的基本体素或是一个变换叶子 21 边界表示法 B rep 该方法是通过描述物体的表面边界来表示物体的 一个物体的边界把物体分为物体的内部和外部 同时边界也构成了物体与周围环境之间的面 边界表示包含了两类主要信息 几何信息 物体几何元素的尺寸信息 指体的大小 位置 形状等 拓扑信息 几何元素之间的连接关系 构成物体的 骨架 边界表示法是以体 面 边的拓扑连接确定物体的形状 如下图所示 22 图 B rep描述法强调实体的外表细节 详细记录构成实体的几何信息和拓扑信息 可以直接取得实体的各个组成面 面的边界及各个顶点的定义数据 23 c 扫描法 该方法是将一个点 一段直线或曲线 一个平面沿空间一路径运动而生成一个二维或三维体 此方法是对某方向具有固定形状剖面的产品进行建模的实用而有效的方法 分类 旋转扫描 平面扫描法 24 工具性软件 传统的三维建模软件 AutoCAD ACIS Pro Engineer 3DS MechanicalDesk Top Solidworks 专门的虚拟现实建模软件 Multigen Vega WorldToolKit的Modeler 25 具体实现过程1 用3D建模软件ACIS描述实体 主要是应用边界表示法B rep几何建模技术 也可以用Pro E和Catia来造型 2 用ACIS对实体进行面片和细化 如图5所示 如果是用Pro E和Catia造型的实体 可以先用ACIS的转换功能 将Pro E和Catia图形文件为中性STEP文件 3 用三位可视化开发平台OpenInventor 是世界上广泛使用的对象导向绘图软件开发借口API 生成由完成场景对象的各种行为描述文件 4 基于Renderizer渲染软件对文件进行渲染 就可以得到沉浸式的影像和虚拟的环境 如图6所示 26 图5细化和面片过程的数据流 27 图6 28 虚拟产品设计的功能和应用 主要功能 虚拟产品设计的全过程包括设计计划的提出 方案的构思 详细设计 方案评价 效果表现以及最终投产制造等 都在计算机上进行模拟仿真 这样可以创造出实用 经济 美观的产品 设计中不但要考虑功能和性能的要求 而且要考虑它的可制造性及审美要求 在这种设计与工艺同步考虑的情况下不仅很多隐含的工艺问题能够及时暴露出来 避免了设计返工 而且通过对不同方案的设计取舍 根据加工费用进行优化 能显著地降低成本 增加产品的竞争力 使产品开发的时间 成本和质量收敛于期望值内 29 主要的应用 首先在飞机和汽车等领域获得成功的应用 目前 应用效果较明显的有以下各个方面 产品的外形设计产品的布局设计产品的运动和动力学仿真加工工程仿真产品装配仿真虚