自由曲面建模教材

1、一、自由曲面建模我们知道实际产品中有很多零件如汽车摩托车的外形、一些光滑的过渡等等。用普通实体建模方法无法建立的。这时就需要自由曲面特征建模Free Form Feature Modeling。他是UG的CAD模块的重要组成部分，目的是创建用前述的标准实体建模方法难以实现的形状。在UG中采用的是实体solid和片体sheet的混合建模方法。对于简单的特征采用标准的实体建模模块，对其中复杂的形状采用该模块。UG自由曲面建模通常是建立sheet，即厚度为零的自由曲面特征。可以采用片体转换为实体的方式（命令）如加厚thicken、对多个封闭的片体进行sew形成、或用片体trim实体来转换。从而建立较

2、复杂的零件（当然实体也可以采用抽取命令（EXTRACT）转换为片体和线框模型），以上五个命令在CURVE 和FORM FEATURE寻找。自由曲面特征命令在以下几个下拉菜单中有所涉及和影响：1、 自由曲面特征的构建：INSERT-Free Form Feature(有相关图标)2、 自由曲面特征的编辑：EDIT-Free Form Feature(有相关图标)3、 自由曲面特征的分析和显示：Analysis-face；图形区鼠标右键中display mode 中face analysis(有相关图标)Information-B-surfaceEdit-object display(有相关图标)

3、 4、 自由曲面特征的全局变量设置：preference-modeling自由曲面特征的几个概念：自由曲面特征：自由曲面可以这样理解，它是将平面弯曲成想象的任意形状。特征在此是指曲面可以修改或全相关、全参数化。为介绍方便，后成曲面。Smart sheet: 全相关、全参数化,这类曲面的特征为都是由曲线生成，曲面与曲线相关。建议在特征树中进行编辑。INSERT-Free Form Feature(有相关图标)中除了点生成的三种曲面外其他都是Smart sheet。非参数化的曲面：用自由曲面特征的编辑命令EDIT-Free Form Feature(有相关图标)和transform等命令生成的曲面

4、和点生成的曲面大多为非参数化的曲面，但是也可以用自由曲面特征的编辑命令来修改曲面的形状等。曲面的U,V向：作为平面有XY坐标，作为曲面，为了更好地表达曲面的形状，用行和列来表示，行row为U向，列column为V向，其组成的U,V方向的曲线可以称为等参数线或栅格曲线，可以在主菜单的予设置设置。preference-modeling（见下图）曲面的阶数degree: 单一样条曲线有阶数degree，曲面阶数就有U向和V向阶数之分。如果将U,V方向的等参数线抽取（用命令curve-extract-isoparameter）出的曲线即为。每个方向可以为1-24阶。通常采用3X3，即U向和V向阶数均为

5、3阶。所有曲面构建均是一种逼近方法。理论曲面与实际曲面之间的距离和角度偏差的最大值。当构建曲面的曲线在一个平面上时，构建曲面是一个平面还是曲面？曲面的可编辑性好一些，但曲面数据量变大（缺省为plane）。对于SWEPT和曲面特征，当截面是平面封闭曲线时，产生的body 是实体还是片体特征（缺省为solid）曲面UV的栅格（等参数曲面）显示的个数。只在线框显示下起作用。可建立实体solid和片体sheet。实体转换为片体和线框模型的方法为CURVE FEATURE下的一般是构建曲面的截面线不封闭。构建曲面要注意以下问题：smart sheettolerances:构建曲面是一种逼近方法，误差是不

6、可避免的。tolerances分为： distance tolerances和angle tolerances。是理论曲面与实际曲面的最大误差。通常仅仅限制distance tolerances是不够的，当你发现作成的曲面数据太大或时间过长，一般来说就是误差太小的缘故。有时你可能将angle tolerances设置的很大。设置方式在preferences-modeling中。一般来讲，需要指定两项误差的有：through curve/through curve/swept/ruled/bridge等，只须指定distance tolerances的有conic/extebsion/fille

7、t/offset/face blend/thicken等。U,V向：row为U向，column为V向patch: patch为组成sheet的基本部分，象样条的segment.有single和multiple。multiple patch并不意味着是多个面。degree:U,Vdegree之分。可以为1-24。closed: U,V向之分。This course covers these free form feature types found on the Free Form Feature toolbar. Through Points From Poles From Point Clo

8、ud Ruled Through Curves Through Curve Mesh Swept Section Body Extension Enlarge Offset Surface Bridge Global Shaping Trimmed Sheet Quilt Fillet Surface Midsurface This course also covers these Form Features. Bounded Plane (Insert Form FeatureBounded Plane) Thicken Sheet (Insert Form FeatureBounded P

9、lane) This course also covers these Feature Operations. Face Blend (Insert Feature OperationBounded Plane) Soft Blend (Insert Feature OperationBounded Plane) 为了创建自由曲面特征，必须首先预先给定一些几何结构如点、曲线、边、面等，根据给定的结构采用合适的曲面创建方法，来构建曲面。根据给定的条件，可以有以下四种方法：To create free form features, you must use or define constructi

10、on geometry (points, curves, edges of sheets or solids, faces of sheets or solids, or other objects) to develop the free form feature shapes. The following topics cover some but not all of the methods that you can use to create free form features. Creating Features from Points 根据给定的点及点组来创建（由点直接创建）If

11、 construction geometry includes only points, you may be able to use one of these three options to build the feature.如果先预先给定的几何条件只有点及点组，可以采用以下方法创建曲面。但根据实际使用，建议先将点构建曲线，在通过曲线构建曲面的方法来实现。 根据点云来创建From Point Cloud - 在用光学或其他扫描方法获得大量的点时使用if you have scattered points. 通过点Through Points -但点形成一种矩形阵列时，又要求创建的曲面必须

12、通过这些点时应用。 if defined points form a rectangular array. 极点控制的曲面From Poles -但点形成一种矩形阵列时，又要求创建的曲面必须在这些点组成的控制多边形面内时应用if defined points form a rectangular array. Creating Features from Section Strings 由曲线直接创建曲面If construction geometry contains strings of connected objects (curves, faces, and edges), you m

13、ay be able to use one of these two options to build the feature.已知条件为具有两到多条大致平行的截面曲线时，可以用下列两种方法： 直纹曲面Ruled - if the two strings are roughly parallel.当只有两大致平行的截面曲线 通过曲线Through Curves - if the three or more strings are roughly parallel. 为具有两条或多条大致平行的截面曲线时 If construction geometry contains one or more

14、strings (curves, faces, edges) that are roughly parallel to each other, and one or more section strings that are roughly perpendicular the the first set of curves, you may be able to use one of these three options to build the feature.当有纵横两组曲线，每一组内部曲线大致平行， 纵横两组曲线之间大致正交，可以采用以下方法。 扫描Swept - if at leas

15、t two sections strings in roughly perpendicular orientation. 通过曲线网格Through Curve Mesh - if at least four section strings exist with at least two strings in each direction. 纵横两组曲线在误差范围内相互有交点形成大致正交的网格。每组曲线至少有两个截面曲线。四周在误差范围内封闭。 边界曲面Bounded Plane - if coplanar strings form a closed loop.平面内的封闭曲线。 Creati

16、ng Features from Faces 在曲面的基础上创建If the construction geometry contains a sheet or face, you may be able to use one of these three options to build the feature. 在已有曲面上建立新的曲面 偏置Offset Surface - if you have a single face.对已有单一曲面进行等距或不等距偏置 Thicken Sheet - if you have a sheet body. 扩大Enlarge - if you have

17、 a face. 对已有单一曲面进行纵或（横）向的延伸后缩短 延伸Extension - if you have a face and edges, edge curves, or curves on the face. 对已有单一曲面上的边或曲线进行切向、法向或角度的延伸。 Creating Features from Faces, Tangency Strings, Limits, and More If the construction geometry contains faces, and optional spline strings, limiting points, and f

18、aces to which tangency needs to be maintained, and other geometry, you may be able to use one of these options to build the feature. Fillet Surface - if you have faces, tangency strings, and limits. Face Blend - if you have faces and tangency strings. Soft Blend - if you have faces, tangency strings

19、, and a spline. 桥接Bridge - if you have faces, and edges两个曲面建立一个光滑过渡的曲面. 截面体Section Body - if you have specialized free form construction options使用二次曲面技术构造特征，其与脊柱曲线正交的截面线均为准确的二次曲线（即曲面为曲率方向永远发生转折）. 修剪片体Trimmed Sheet - if you have one sheet and trim objects用修剪曲线作为边界将曲面的不需要的部分修剪掉. Creating Features from

20、 Other Geometry 缝合Quilt - if you have multiple faces, a driver sheet, or two sets of curves that form a rectangularly shaped closed loop, and need a single face.他将多个曲面重新进行缝合，得到一个新的具有单一参数的曲面。与sew不同，虽然他得到一个操作对象，但参与缝合的每一部分保持原有的曲面参数方向。 Midsurface - if a solid body exists, and you need a midsurface featu

21、re for use in finite element analysis. 曲面的构建方法：一、 基本曲面基本曲面是初等解析曲面，包括圆柱、圆锥、球和圆环曲面。他们用insert-form feature中的体素特征圆柱、圆锥、球和圆环先建立实体，在通过insert-form feature中的extract来实现。此处不在介绍。二、 运动轨迹曲面运动轨迹曲面是一些截面曲线沿一定规律在空间运动所形成的曲面，他们有拉伸、旋转、扫掠、园管等（如果截面曲线为平面封闭曲线时，产生的body 是实体还是片体特征（缺省为solid，见上图注释），他们的特点是需要截面曲线和导引曲线。1、 拉伸曲面inse

22、rt-form featureextrude一个截面曲线，导引曲线不用指定，采用一个方向和长度指定（此处不详尽介绍）。2、 旋转曲面insert-form feature -revolvel一个截面曲线，导引曲线不用指定，采用一个旋转方向和角度指定（此处不详尽介绍）3、 园管insert-form feature -tube不用指定截面曲线，采用两个不同半径的同心圆表示，需要指定一条导引曲线。形成的曲面的每一截面大小不变，方向与导引曲线正交（此处不详尽介绍）。4、 沿一条导引曲线扫掠insert-form feature -sweep along a guide 一个截面曲线，一条导引曲线，两

23、者大致正交。形成的曲面的每一截面大小不变，方向与导引曲线正交（此处不详尽介绍）。5、 扫掠insert-free form feature -swept 该命令是一个最通用的运动轨迹曲面，上述几个命令均为其特例。与上述不同的是可以选择1-150截面曲线，导引曲线可以选择13个。4swept: 形状为曲线轮廓沿引导路径的形成 截面轮廓section strings( U向): 每一条section strings可以不光滑，但必须连续。1-150条。当截面轮廓多于一条时，section strings之间的截面过渡有线形linear和立方形cubic。线形linear过渡在第一和第二sectio

24、n strings之间线形变化并产生一个face，而立方形cubic过渡在第一和第二section strings之间S形变化，所有section strings产生一个face。 引导路径guide strings:(V向，拉伸方向):每一条guide strings必须光滑而且连续。他们控制曲面V向的方位和形状。引导路径可以为1-3条。 引导路径guide strings:为1条：这是你必须指定当截面轮廓section strings沿引导路径guide strings移动时的比例(scaling)和方位(oriented)。 例如： 引导路径为1条管道曲面的中心线。引导路径在一个曲面上而

25、要求每一个方位与该曲面正交。或者曲面仅仅是截面轮廓section strings沿引导路径guide strings的一个简单平移等。 引导路径guide strings:为2条：每一个截面section同时与2条引导路径guide strings接触并收缩或扩张，可能指定比例，因为截面长度已经控制了，但截面高度方向是否与长度方向一起收缩或扩张，需要确定，有两个比例方法控制：lateral（高度上下不变）和uniform（高度上下、左右一起变化）。方位也由2条引导路径guide strings决定。引导路径guide strings:为3条：#截面轮廓section strings和引导路径g

26、uide strings一般不要求是平面曲线，但平面曲线更好。#截面轮廓section strings和引导路径guide strings一般不要求相交，但相交更好。#脊柱曲线spine strings：可以更进一步控制截面的方位，对要求形成曲面的每一个截面均与某一条曲线正交最有用，这条曲线定义为spine strings。对只有一条截面轮廓section strings的构建方法，他还控制了曲面的长度。一般要求：脊柱曲线spine strings的方向与引导路径guide strings基本一致，与截面轮廓section strings基本正交。#误差tolerance:输入的几何结构与最终

27、曲面间的最大距离。只有一条引导路径guide strings时选项最多：主要有：方位控制orientation control:为了确定曲面的中间截面形状，系统需要沿引导路径guide strings上的每一点建立中间的局部坐标系的一致方法。在引导路径guide strings上的某一点作为局部坐标系的原点，该点的切线方向作为一个轴，系统需要指定的方位控制orientation control决定了第二轴。自然，第三轴也就决定了。l Fixed：这种方法暗示不需要方位控制，当截面轮廓section strings沿引导路径guide strings移动过程中保持固定的方位。结果是简单的para

28、llel or translational（平移）sweepl Face normal :第二轴是引导路径guide strings上每一点的方向为选择的Face的法线方向。认为通常引导路径guide strings应在选择的Face上，l Vector Direction :第二轴在引导路径guide strings上每一点的方向为选择的Vector的方向。特别注意Vector的方向不能和引导路径guide strings上每一点的切线方向平行。（可以说也是another curve的一个特例，another curve为guide strings沿Vector Direction平移的另一

29、曲线。l another curve :第二轴的方向为：引导路径guide strings和another curve构建直纹曲面，引导路径guide strings上每一点的直纹线方向为第直纹曲面第二轴的方向。特别注意another curve不能和引导路径guide strings上相交。l A point：是another curve的一个特例，another curve收缩为一个point，建立的曲面为一个三角形曲面，通常用截面轮廓section strings的一个终点。l angular law :这项通常为要求为单一的平面截面轮廓section strings。系统以angula

30、r law法则来控制angular的旋转，引导路径guide strings的开始点和终点为angular law法则中的f(0)和f(1)值。如angular law法则的建立方法为law法则第二构建方法，在XcYc平面内，建立一条曲线,每一个点的X为（0，1）Y为法则值的大小。如一个（0，90）的线形变化，则建立（0，0），（1*c，90）的直线即可（c可以为任意值）。比例控制scaling control：用于制定截面轮廓section strings尺寸的大小比例。l Blending function：指定相对于引导路径guide strings开始点和终点的比例大小。l Const

31、ant：注意：比例是关于guide strings起点进行比例的。l another curve :引导路径guide strings和another curve构建直纹曲面，每一点的直纹线长度为比例大小。特别注意another curve不能和引导路径guide strings上相交。l A point：是another curve的一个特例，another curve收缩为一个point，建立的曲面为一个三角形曲面，通常用截面轮廓section strings的一个终点。与方位用同一个点。area law :这项通常为要求为封闭平面截面轮廓section strings。系统以area l

32、aw法则来控制截面的面积。常用于发动机的气道设计。6、三、 表皮蒙面曲面 表皮蒙面曲面是覆盖于曲线或点框架模型上的曲面。在点框架上蒙面的方法有through point From poles, from point cloud 三种。在曲线框架上蒙面的方法有直纹曲面、通过（单向）曲线曲面、（通过双向曲线）网格曲面、边界平面等（一） 由点蒙面曲面和样条曲线的构建方法基本一致。1、 through point2、 from poles：3、 from point cloud（二） 曲线框架上蒙面1、 through curve:l curve outline称为section string，每一个

33、section string可以是单段对象，也可以是多段曲线，可以是曲线，也可以是edge.#Section strings的选择方法： 每一个section string可以是单段对象，也可以是多段曲线，可以是曲线，也可以是edge.和face,和单选，chain，也可curve edge混合，但注意必须连续。注意：光标选择的位置决定了起点的位置和方向。对单段曲线或边来讲，光标选择的位置就是起点，方向指向线的尾端；对多段来讲，先选第一段，方式与前相同，后面的各段必须按顺序选择；对chain来讲，注意他有与chain的方法一致，即选择的光标位置是用于chain的，chain的结果自然决定了起点

34、位置（这点需特别注意）；对face来讲，光标选择的位置需要在起点附近选择，距光标最近的边为为开始边。l U向Degreerow为U向,即section string所在的截面，一般为3阶。但如果distance tolerances太小而且section string曲线的阶数较高，则U向阶数等于section string曲线的阶数。l V向Degree和Patch类型：需要输入，缺省为3 column为V向，正交于section string。他由patch的类型和输入的Degree值有关。single与section string的个数有关。multiple与输入的Degree值有关。l

35、 closed: U向是否封闭看section string是否封闭。V向是否封闭看设置。l 可以对曲面的第一和最后两个截面的周边进行tangent和curvature约束。l alignment：alignment用于指定各个截面串上的点如何对齐。我们知道目前只有U向截面串，但V向是如何连接的？可以肯定的是所以截面串上的起点连在一起，所有终点也连在一起，但中间如何连接有无尽的可能。我们就需要用alignment来决定。 parameter: at equal parameter intervals（单个截面串各段parameter长除以点数） arclength: at equal arcl

36、ength intervals（单个截面串各段总长除以点数） by points：毫无疑问每个截面串的起点肯定连在一起所有终点也连在一起，中间用点的方法来连接，每个截面串都需指定相同数量的点，并有标号显示，同样数字标号的点连在一起。 distance：实际上是指定一个矢量，用与矢量正交的平面作为截面截所有定义的曲线串，其交点就构成曲面的isoparametric curves。（非常象截面section命令，选择一组平行的平面截一组曲线，截点构成一条样条曲线，然后用网格曲面构建曲面）曲面的大小由最短的曲线决定，即需要截所有的曲线 angles：非常象截面section命令，选择一组绕一个轴旋转

37、的等角度间隔平面截一组曲线，同一截面的截点构成一条样条曲线，然后用网格曲面构建曲面 spine curve：spine curve的每一点截平面为该点法平面。注意spine curve不能与截面串section strings正交。2、 Curve Mesh方向大致正交方向的两组曲线串，一个方向为primary strings，而另外一个方向为cross strings构建的body。他们的特点是：l 曲面为3X3阶，primary strings方向为U向，cross strings方向为V向。l 第一和最后一个primary strings可以为pointl primary strings

38、可以是封闭的，如果再将第一和最后一个cross strings设置为同一个strings，最后会构建一个实体。l primary strings和cross strings不要求是光滑的曲线，有尖角也是允许的，但没有alignment选项，因此不会产生有尖角的曲面（而through curves可能会因为点对齐产生有尖角的曲面）l primary strings和cross strings不要求在每个网格点相交，但必须在tolerance内，并有那个方向优先的设置即emphasisl 可以对曲面的四个周边进行tangent和curvature约束。l 可以用脊柱spine进行控制，但注意脊柱s

39、pine要与primary strings大致正交。Construction OptionsYou can use one of three Construction Options when you create a Through Curve Mesh feature: Normal, Use Spline Points, and Simple. Normal - Lets you constrain the first and last primary and cross strings with either tangent or curvature continuous constr

40、aints. This is useful where you want to maintain surface continuity between the new surface and adjacent surface(s). Use Spline Points - Lets you create a body using the points and tangent values at the points for the input curves. For this option, the selected curves must be single B-curves with th

41、e same number of defining points. The curves are temporarily reparameterized through their defining points (retaining any user-defined tangent values). These temporary curves are then used to create the body. This can help create a simpler body with fewer patches. Simple - Lets you create the surfac

42、e without specifying constraints. It is for use when the curves you are selecting have different segments. If turned on, the system will find the most complex curve and use it as a template to change the other curves to match its segments. l3、 Bounded Planes是一个平面的sheet body，选择的sheet的边界 strings必须为共面、

43、封闭的循环，但大边界内可以包容有小封闭的循环。有点象用边界曲线修剪平面。4、 的发是的发是的四、 衍生曲面衍生曲面是在已有曲面上产生的新的曲面，通常这两个曲面相关。他包括：延伸曲面extension、扩大enlarge桥接曲面bridge偏置offset拼接quilt圆角fillet修剪trim等1、extension 在一个sheet或face上创建一个与之相关的曲面，通常有tangential/normal/angled/circular/law等(tangential/normal是angled的特例，tangential的角度为0，normal的角度为90)。基本步骤为：选择一个基本s

44、heet或face；选择一个存在的对象作为basic curve基本曲线；制定方向输入数值即可。l 所有方法生成的extension均为ruled。他的一条截面曲线为选择的basic curve基本曲线，直纹线方向即为指定的tangential /normal/angled/law的方向。另一条从基本曲线开始利用输入的offset值决定。如normal，其每一个直纹线均与面正交。l basic curve基本曲线:可以是曲面的边，也可以是曲面上的曲线，或者是曲面上的顶点。l 创建extension曲面可能会产生自相交（self-intersecting）2offset 系统对基础basic f

45、ace按照给定的距离创建一个恒定或变化variable的offset sheetbody.创建的理论为：basic face上的每一点沿其法向投影或offset给定的距离。l basic face可以是任何类型的facel 你只能对原始basic face进行offset，创建的offset sheet body不能作为basic face。l basic face和offset sheet相关，可以编辑l 可以transform、delete删除basic face和offset sheet之一，相应相关性消失。l offset值可正、可副，不能为0。l 可以同时offset多个face ,可以用窗选。l variable offset只能对basic face的四个顶点作用。7 Thicken同offset，但同时在basic face和offset sheet之间建立一个实体。3、QUILT可以将几个surfaces合并成一个B-surface，这个B-surface由位于