CAE几何建模学习课程

1、典型的CAE分析流程几何建模几何建模确定几何确定几何模型参数模型参数建立几何建立几何模型模型输出几何输出几何模型文件模型文件网格剖分网格剖分导入导入几何模型文件确定网格剖分区域确定网格剖分区域设置网格数量或网设置网格数量或网格尺寸格尺寸检查网格质量检查网格质量修改网格修改网格输出网格文件输出网格文件分析设置分析设置导入导入网格文件设定载荷工况设定载荷工况和边界条件和边界条件建立材料和属性建立材料和属性参数参数选择求解器选择求解器设定解算方法设定解算方法设定监控参数设定监控参数设置仿真参数设置仿真参数前处理分析解算后处理读取仿真结读取仿真结果文件果文件结果可视化结果可视化分析分析第1页/共63页

2、第一页，编辑于星期五：十三点 十四分。主要内容： 2.1 基本几何元素 2.2 几种典型建模方法 2.3 Solidworks简介 2.4上机实践第2页/共63页第二页，编辑于星期五：十三点 十四分。形体定义输入；对形体进行平移、比例、旋转等几何变换的控制；对形体进行局部的或整体的修改；显示、输出形体的各种视图、控制形体表面的光色效应，使之更具有真实感；对物体进行物理特性分析等应用处理。通常几何造型应具有的功能：第3页/共63页第三页，编辑于星期五：十三点 十四分。2.1 基本几何元素(1）点（Vertex）点是零维几何元素，也是几何造型中最基本的元素。用计算机存储、管理、输出形体的实质就是对

3、点集及其连接关系的处理。 u 点的种类包括端点、交点、切点、孤立点等。第4页/共63页第四页，编辑于星期五：十三点 十四分。 控制点：也称为特征点，用于调整和控制曲线或曲面的位置和形状，但不要求曲线或曲面必须经过控制点。 型值点：用来确定曲线或曲面的位置和形状，并且要求曲线或曲面必须经过型值点。 插值点：为了提高曲线或曲面的输出精度，或为了便于修改曲线或曲面的形状，在型值点或控制点中间插入的一系列辅助点。u在曲线和曲面的造型中还用到三种重要的点，控制点、型值点、插值点。OABC（O）（A、B）（C）第5页/共63页第五页，编辑于星期五：十三点 十四分。(2）线/边（Edge） 1维几何元素，是

4、两个邻面或多个邻面的交界。边又可以分为直线边、曲线边，其中直线边可以通过起点和终点定界，曲线边由一系列型值点或控制点来定义。第6页/共63页第六页，编辑于星期五：十三点 十四分。3）环（Loop）环是由有序、有向边（直线或曲线段）组成的面上封闭边界，环中各条边不能自相交，相邻两条边共享一个端点。第7页/共63页第七页，编辑于星期五：十三点 十四分。3 3）环（环（LoopLoop）环分内外环，确定面的最大外边界的环称为外环，确定面中内孔或者凸台边界的环称为内环。环也具有方向性方向性，它的外环边按照逆时针方向排列，内环各边按照顺时针方向排列。环的方向性第8页/共63页第八页，编辑于星期五：十三点

5、 十四分。4）面（Face）面是二维几何元素，是形体上一个有限、非零的区域，由一个外环和若干个内环界定。u 面具有方向性，外环棱边，右手法则u 一个面可以没有内环，但必须有且只能有一个外环。第9页/共63页第九页，编辑于星期五：十三点 十四分。5）体（Object）体是由封闭表面围成的三维几何空间。通常把具有维数一致的边界所定义的形体称为正则形体，反之则称为非正则形体。第10页/共63页第十页，编辑于星期五：十三点 十四分。几何元素正则形体非正则形体点至少和三个面（或边）邻接可以与多个面（或边）邻接，也可以是聚集体、聚集面、聚集边或孤立点线（边）只有两个邻面可以由一个邻面、多个邻面或没有邻面面

6、形体表面的一部分可以是形体表面的一部分，也可以与形体分离第11页/共63页第十一页，编辑于星期五：十三点 十四分。 几何形体在计算机内需要由几何信息和拓扑信息共同定义 任何形体都可以由这五种基本几何元素按照一定的格式进行存储和表达（1）基本几何元素第12页/共63页第十二页，编辑于星期五：十三点 十四分。2.2 典型的几何建模方法u 按照对几何信息和拓扑信息的描述及存贮方法的不同，可以大致分为：1. 线框建模2. 曲面建模3. 实体建模4. 特征建模5. 参数化建模第13页/共63页第十三页，编辑于星期五：十三点 十四分。 线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图。 线

7、框建模生成的实体模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。在计算机内部生成三维映像，还可实现视图变换及空间尺寸的协调。 最早应用于实际，并且现在仍应用较广的一种三维几何模型。1.线框建模第14页/共63页第十四页，编辑于星期五：十三点 十四分。1.线框建模顶点表顶点表棱线表棱线表线框建模的线框建模的数据结构数据结构是是表结构表结构，在计算机内部存贮，在计算机内部存贮的是物体的的是物体的顶点顶点和和棱线棱线信息。信息。 立方体的线框模型立方体的线框模型第15页/共63页第十五页，编辑于星期五：十三点 十四分。1.线框建模优点：所需信息最少，数据运算简单，容易处理，所占

8、的存储空间也比较小 ；绘图显示速度快； 需要的内存少，对硬件要求不高，处理时间短。缺点：信息不够充分，容易产生表示物体几何形状的多义性；要表现由圆柱、球面等曲面构成的立体较困难，要采用辅助线来表示；描述的结构体无法进行消隐、干涉检查、物性计算。第16页/共63页第十六页，编辑于星期五：十三点 十四分。1.线框建模信息不够充分，容易产生表示物体几何形状的多义性信息不够充分，容易产生表示物体几何形状的多义性第17页/共63页第十七页，编辑于星期五：十三点 十四分。1.线框建模球面球面第18页/共63页第十八页，编辑于星期五：十三点 十四分。表面建模是将物体分解成组成物体的表面、边线和顶点，用顶点、

9、边线和表面的有限集合来表示和建立物体的计算机内部模型。描述方式大致描述方式大致分为：分为： 以线框模型为基础的面模型以线框模型为基础的面模型以曲线、曲面为基础的面以曲线、曲面为基础的面模型模型2.表面建模第19页/共63页第十九页，编辑于星期五：十三点 十四分。顶点表顶点表棱线表棱线表立方体的线框模型立方体的线框模型以线框模型为基础的面模型以线框模型为基础的面模型第20页/共63页第二十页，编辑于星期五：十三点 十四分。除给出边线及顶点的信息之外除给出边线及顶点的信息之外，增加一张面表，构成，增加一张面表，构成线框模型。线框模型。1、2、3、48、9、4、128、7、6、56、11、2、107

10、、12、3、119、5、10、1 以线框模型为基础的面模型以线框模型为基础的面模型第21页/共63页第二十一页，编辑于星期五：十三点 十四分。p直纹面（Ruled Surface） 以曲线、曲面为基础的面模型造型方法可分为：以曲线、曲面为基础的面模型造型方法可分为： 以直线为母线以直线为母线 如圆柱面、圆锥面如圆柱面、圆锥面第22页/共63页第二十二页，编辑于星期五：十三点 十四分。 以曲线、曲面为基础的面模型造型方法可分为：以曲线、曲面为基础的面模型造型方法可分为：线性拉伸面线性拉伸面（母曲，轨直）（母曲，轨直）旋转面旋转面（母曲，轴线）（母曲，轴线） 母线为曲线母线为曲线p 扫描曲面（Sw

11、ept Surface）扫成面（母曲，轨曲）扫成面（母曲，轨曲）第23页/共63页第二十三页，编辑于星期五：十三点 十四分。 以曲线、曲面为基础的面模型造型方法可分为：以曲线、曲面为基础的面模型造型方法可分为：p复杂曲面（Complex Surface） 先确定曲面上特定的离散点（型值点）的坐标位置，通过拟合使曲面通过或逼近给定的型值点，得到相应的曲面。局面的参数方程不同，就可以得到不同类型及特性的曲面。常见的复杂曲面有孔斯曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面等。第24页/共63页第二十四页，编辑于星期五：十三点 十四分。p 不能描述零件内部的信息，不能表示设计对象的表面积、体积、重心、转动惯量等几何

12、特性 ；p 表面模型在形体表示上仍缺乏完整性。可计算面积可计算面积可以作为板、壳单元进可以作为板、壳单元进行有限元网格划分行有限元网格划分优点：优点：缺点：缺点：p 在提供三维实体信息的完整性、严密性方面，表面造型比线框造型前进了一大步 ；p 能够比较完整地定义三维立体的表面 ；p 表面造型可以为CAD/CAE/CAM中的其他场合提供数据 。2.2.表面建模第25页/共63页第二十五页，编辑于星期五：十三点 十四分。实体建模是定义一些基本体素，通过基本体素的集合运算或变形操作生成复杂形体的一种建模技术，其特点在于三维立体的表面与其实体同时生成。常见的实体造型方法： 体素构造法 扫描法 边界表示

13、法3.实体建模第26页/共63页第二十六页，编辑于星期五：十三点 十四分。 体素法（Constructive Solid Geometry, CSG）实体模型的构造常常采用在计算机内存储一些基本体素（如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体等），通过集合运算（布尔运算）生成复杂形体。实体建模主要包括两部分，即体素的定义及描述和体素的运算（并、交、差）。第27页/共63页第二十七页，编辑于星期五：十三点 十四分。p 体素p 基本体素 体素是现实生活中真实的体素是现实生活中真实的三维实体。用一些确定的三维实体。用一些确定的尺寸参数控制其最终形状尺寸参数控制其最终形状的单元实体。的单元实体。p

14、 常见的基本体素有长常见的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等。圆环、锥台等。第28页/共63页第二十八页，编辑于星期五：十三点 十四分。p 集合运算几何建模中的集合运算几何建模中的集合运算类似于类似于集合论中的集合论中的交交（IntersectionIntersection）、并并（UnionUnion）、差差（DifferenceDifference）等运算，是用来把简单形体（体等运算，是用来把简单形体（体素）组合成复杂形体的工具。素）组合成复杂形体的工具。形体形体边界和内部点的集合边界和内部点的集合也应是有边界和内部子集的闭合点集，并应保持初始形状也应是有

15、边界和内部子集的闭合点集，并应保持初始形状的维数。的维数。集合运算集合运算第29页/共63页第二十九页，编辑于星期五：十三点 十四分。ABababp 集合运算第30页/共63页第三十页，编辑于星期五：十三点 十四分。集合论下的集合论下的求交运算求交运算ABAB正则集合正则集合下的下的求交运算求交运算悬边悬边C=ABC=A*Bp 集合运算第31页/共63页第三十一页，编辑于星期五：十三点 十四分。常规的集合运算并、交、差用符号常规的集合运算并、交、差用符号 、-表示。表示。在常规的集合运算下，可能会产生非正则集。所以通在常规的集合运算下，可能会产生非正则集。所以通常的集合运算不适合于几何造型，需

16、要定义新的集合常的集合运算不适合于几何造型，需要定义新的集合算子，使得正则集在新的算子下保持算子，使得正则集在新的算子下保持封闭性封闭性和和维数维数一致性一致性，我们称这种算子为，我们称这种算子为正则集合算子正则集合算子，用符号，用符号* 、*、-*表示。表示。p 集合运算第32页/共63页第三十二页，编辑于星期五：十三点 十四分。交、并交、并交集： 形体C包含所有A、B共同的点。并集： 形体C包含A与B的所有点。C=A*B=B*AC=A*B=B*Ap 集合运算第33页/共63页第三十三页，编辑于星期五：十三点 十四分。差集： 形体C包含从A中减去A和B 共同点后的其余点。差差C=A-B（但=

17、B-A）p 集合运算第34页/共63页第三十四页，编辑于星期五：十三点 十四分。（a a）定义基本体素）定义基本体素基本体素基本体素运算体素运算体素（b b）运算顺序）运算顺序12+3-4p 集合运算第35页/共63页第三十五页，编辑于星期五：十三点 十四分。12+3-4交交2 21 13 34 4并并差差p 集合运算第36页/共63页第三十六页，编辑于星期五：十三点 十四分。CSG树树树叶为树叶为基本体素基本体素，结，结点为点为集合运算集合运算，最上，最上面的结点对应着被建模面的结点对应着被建模的物体。的物体。第37页/共63页第三十七页，编辑于星期五：十三点 十四分。如图所示，同一个物体完

18、全可以通过定义不同的基本体素，如图所示，同一个物体完全可以通过定义不同的基本体素，经过不同的集合运算加以构造。经过不同的集合运算加以构造。第38页/共63页第三十八页，编辑于星期五：十三点 十四分。扫描法u对于表面形状较复杂、难以通过定义基本体素加以描述的物体，可通过定义基体，利用基本的扫描操作实现物体建模，这种构造实体的方法称为扫描法。u扫描法可分为平面扫描和整体扫描两种。第39页/共63页第三十九页，编辑于星期五：十三点 十四分。平面扫描平面扫描二维轮廓作二维轮廓作为扫描基体为扫描基体第40页/共63页第四十页，编辑于星期五：十三点 十四分。整体扫描整体扫描三维实体作三维实体作为扫描基体为

19、扫描基体第41页/共63页第四十一页，编辑于星期五：十三点 十四分。边界表示法u边界表示法 (Boundary Reprsentation, B-Rep) )将实体定义为由封闭的边界表面围成的有限空间。u边界表示法强调实体外表的细节，包含描述三维实体所必需的几何信息和拓扑信息。 实体的大小、尺寸、形状及位置实体的顶点、边与表面之间的连接关系第42页/共63页第四十二页，编辑于星期五：十三点 十四分。3.实体建模u能够完整描述物体的所有几何信息，可确定物体的物性参数；u可根据实体模型生成该实体的多向视图和剖面图；u实现对可见边的判断，具有消隐功能。第43页/共63页第四十三页，编辑于星期五：十三

20、点 十四分。4. 特征建模p广义的特征可以理解为产品开发过程中各种信息的载体，如零件的几何信息、拓扑信息、形位公差、材料、装配、热处理、表面粗糙度。p狭义的特征可以理解为具有一定拓扑形状的一组实体体素所构成的特定形体。第44页/共63页第四十四页，编辑于星期五：十三点 十四分。4. 特征建模 形状特征（Form Feature） 装配特征（Assembly Feature） 精度特征（Precision Feature） 材料特征（Material Feature） 性能分析特征（Analysis Feature） 补充特征（Additional Feature）描述具有一定工程意义的几何形状

21、信息表达零部件的装配关系描述产品几何形状、尺寸的许可变动量及其误差描述材料的类型、性能及热处理等信息也称为技术特征，用于表达零件在性能分析时所使用的信息也称为管理特征，用于表达一些与上述特征无关的产品特征第45页/共63页第四十五页，编辑于星期五：十三点 十四分。5.参数化建模p其核心是参数和约束间的关系，当参数变化的时候，根据原有的关系就可以得到新的几何模型。p基于约束的实体建模技术，具有以下特点：p基于特征p全数据相关p尺寸驱动设计修改第46页/共63页第四十六页，编辑于星期五：十三点 十四分。2.3 工具软件Solidworks简单介绍SolidWorks 机械设计自动化软件是一个基于特征的参数化实体建模设计工具，它具有图形用户界面易于掌握的优点，可以创建完全关联的三维实体模型，带有或不带有约束，可以利用自动的或用户定义的关联来捕捉设计意图。第47页/共63页第四十七页，编辑于星期五：十三点 十四分。基于特征第48页/共63页第四十八页，编辑于星期五：十三点 十四分。设计树特征在设计树列表中的一一对应关系第49页/共63页第四十九页，编辑于星期五：十三点 十四分。参数化第50页/共63页第五十页，编辑于星期五：十三点 十四分。实体模型第51页/共63页第五十一页，编辑于星期五：十三点 十四分