第二章產品數字化建模ⅡProductDigitalModeling2023/12/272第二章產品數字化建模產品模型的描述與表示數字樣機產品建模的根本方法產品模型的顯示產品模型數據的交換內容簡介

產品數字化模型－產品信息的載體，包含了產品功能信息、性能信息、結構信息、零件幾何信息、裝配信息、工藝和加工信息等。數字化產品模型中，產品生命周期中不同階段的人員都可以獲得所需的內容。

本章主要介紹了如下方面內容：2023/12/273產品形成過程—昨天-今天-明天產品規劃概念設計生產準備詳細設計昨天過程序列產品規劃概念設計詳細設計生產準備PDM數字模型過程管理明天過程流產品規劃概念設計詳細設計生產準備PDM今天過程鏈第一節

產品模型的描述與表示

2023/12/274產品的設計結果表達在兩個方面，一方面是產品的幾何信息，它存儲在IDM系統中的數據集中；另一方面是產品的非幾何信息，包括產品結構樹和工藝信息，它存儲于APL系統中。這兩局部信息密切相關、不可分割，其相關性是通過產品圖號或零件號來實現的，由統一的系統來管理。產品數字化模型幾何信息非幾何信息IDMAPL圖號、零件號2023/12/275采用一個單一的零件模型貫穿始終是不可能的

設計過程的零件模型為主模型

產品模型是一組有相互關系、反映不同階段操作的模型組。2023/12/276分析仿真概念設計結構設計幾何設計產品設計產品設計的根本過程一、產品設計階段的模型描述與表示2023/12/277產品裝配模型概念設計階段的模型零件幾何模型產品仿真模型產品設計模型產品設計階段模型2023/12/2781、概念設計階段的模型在產品概念設計階段，主要從功能需求分析出發，初步提出產品的設計方案，此時并不涉及產品的精確形狀和幾何參數設計。概念設計模型包括產品的方案構圖、創新設計等。從數字化角度看，概念設計是在一定的設計標準下，以方案報告、草圖等形式完成設計的。這個階段產生的方案視不同的產品對象而不同。Guidelines2023/12/2792、零件幾何模型幾何模型是產品詳細設計的核心，是將概要設計進行詳細化的關鍵內容，是所有后續工作的根底，也是最適合計算機表示的產品模型。幾何模型用二維或三維模型表示。在集成化CAD系統中，二維模型可以從三維模型投影得到，以便與三維模型保持一致性。除此之外，幾何模型的非幾何信息以屬性表示。屬性信息的定義以文本說明，并具有一定的結構。零件幾何模型是詳細設計階段生產的信息模型，是其他各階段設計的信息載體，通常作為主模型。所謂主模型是指以該模型為唯一數據源，其他模型以它為根底，派生出其他各種模型。派生的過程實現了模型的演變。2023/12/27103、產品仿真模型功能與性能仿真是利用計算機的計算能力，采用數值計算的方法模擬產品的功能或者性能，一般不能直接在詳細設計階段產生的零件幾何模型上進行，必須進行一定的轉換或者處理，建立符合仿真分析的模型。例如，有限元分析必須對CAD實體模型進行前置處理，將其進行簡化，網格劃分，再賦予材料和施加載荷，然后才能進行求解計算，結果那么通過后置處理顯示。產品仿真模型表達了仿真分析階段的信息，對產品性能進行校驗，階段成果包括圖形、表格、數據、文本說明等各種形式。仿真分析的充分利用，可以減少實際物理試驗的次數，從而大大降低研制本錢。仿真技術廣泛應用在產品設計、制造階段，如設計階段的各種有限元分析、運動機構分析等仿真系統，在制造階段的鑄造澆注仿真、鍛造磨具仿真、數控加工過程仿真、裝配仿真等。2023/12/2711Meshing幾何實體模型有限元模型在關鍵點處約束實體模型沿線均布的壓力在關鍵點加集中力在節點處約束FEA模型沿單元邊界均布的壓力在節點加集中力2023/12/27124、產品裝配模型

裝配模型需要表示產品的結構關系、裝配的物料清單、裝配的約束關系、面向實際裝配的順序和路徑規劃等。

(1)裝配結構樹：裝配結構模型反映產品總體結構，初始設計可以不涉及具體的幾何信息，而僅僅表示產品的功能結構、層次結構以及設計的關鍵參數。

裝配體子裝配體2子裝配體1子裝配體3零件1零件2零件3零件4零件5零件6零件7裝配結構樹2023/12/2713〔2〕屬性信息表：屬性信息用來表示產品的非幾何信息。例如，產品名稱、規格、零件材料、加工方法、重量、模型設計者等。〔3〕裝配約束模型：裝配約束模型包括裝配特征描述、裝配關系描述、裝配操作描述以及裝配約束參數?！?〕裝配規劃模型：裝配規劃模型用于裝配順序規劃和路徑規劃，前者給出一個實際可行的零件裝配順序，后者給出零件裝配的可行路徑，并對裝配設計進行分析和評價。2023/12/2714數控加工模型工藝信息模型工裝模型產品制造階段模型產品制造階段模型二、產品制造階段的模型描述與表示2023/12/27151、工藝信息模型工藝信息模型為CAPP提供根本信息，涉及工藝過程、數據繁雜、種類多，不同企業的工藝信息模型差異大，具有不同的模型結構和內容。根據零件加工要求和尺寸、粗糙度、公差、基準、加工方法等信息，建立工藝信息模型。這些根本模型信息構成了編制工藝規劃的根底數據。工藝設計的數據來源于詳細設計階段產生的幾何模型、裝配模型，在此根底上，還需要設備資源、工裝資源等來實現工序的編制。2、工裝模型工裝設計包括刀具、夾具、模具、量具的設計以及產品零件在制造過程中的不斷演化產生的中間狀態模型。在工裝設計過程中，依據零件在加工過程中的變化，需要建立相應的模型之間的關系。工裝模型包含了兩大局部：工裝設備模型：刀具、夾具、模具、量具的設計和制造模型。產品過程模型：零件在制造過程演變的模型。包括幾何形狀和其他相關的工藝信息。2023/12/2716工藝信息模型-加工工藝流程刀路2023/12/27173、數控加工模型數控加工模型是指數控加工涉及的模型和產生的相應NC程序。

一個復雜零件的數控加工程序生成，

按照加工方法，有數控車、數控銑等加工；

按照工藝要求，有粗加工、精加工、清根等各種操作；

其中程序內部蘊含了工藝信息和加工方法，如粗糙度、公差選擇、加工方式、加工路線、刀具等。程序最后計算得出加工刀具軌跡，并經過后置處理產生機床代碼。這些信息構成了加工模型。

復雜產品的上述各種信息模型是非常龐大的，相關關系也非常復雜，通常在PDM平臺上進行統一管理。2023/12/2718第二節

數字樣機

數字樣機〔DigitalMockUp，DMU〕的概念目前還沒有統一的定義，它是相對于物理樣機在計算機上表達的產品數字化模型。在計算機上與樣機相關的產品數字化模型的名稱有數字樣機、電子樣機、虛擬樣機等，這些都是直接利用了模型的表達形式〔電子化、數字化、虛擬模型〕而得出的。一、物理樣機與數字樣機用物質材料制作的產品模型一般稱為物理模型〔或物理樣機與實物樣機〕。2023/12/2719管路設計強度分析結構分析數字預裝配CAM裝配過程仿真裝配過程仿真2023/12/2720

一個完整的產品虛擬樣機應包含如下幾個內容：

所有零部件的三維CAD模型及各級裝配體。三維模型應參數化、適合于變形設計、適合于部件模塊化。與三維CAD模型相關聯的二維工程圖。三維裝配體適合運動結構分析、有限元分析、優化設計分析。形成基于三維CAD的PDM結構體系。從虛擬樣機制作過程中摸索出定制產品的開發模式及所遵循的規律。虛擬樣機的制作過程就是基于三維CAD的產品開發體系建立的過程。三維整機的檢測與試驗。二、數字樣機的主要內容2023/12/2721

初期應以三維CAD（例如CATIA、UG等）為設計平臺，建立典型產品的全參數化三維實體模型，進行干涉和碰撞檢查、裝配規劃等。包括由三維模型轉化建立完全關聯的二維工程圖；建立描述產品的物理數據，如基本屬性、明細表信息等，為PDM管理提供基礎數據。

三、建立產品數字樣機的過程2023/12/2722

中期：建立基于三維模型的產品分析、加工及管理過程，進行產品的運動和動力學分析，了解運動構件工作時的運動協調關系、運動范圍、可能的運動干涉、產品動力學性能、強度和剛度等；實現虛擬加工，對加工工藝進行模擬，以檢驗產品設計的合理性、可加工性，加工方法、機床和工藝參數的選用，以及加工過程中可能出現的加工缺陷，為CAM提供數據模型。并且通過PDM系統實現產品開發過程管理，在一個設計周期內跟蹤所有設計事務和數據的活動，并為設計進程的自動管理提供必要的支持。

2023/12/2723

遠期：通過虛擬樣機顯示產品的外觀、內部結構、裝配和維修過程、使用方法、工作過程、工作性能等。有關人員可以瀏覽產品的圖形與非圖形數據，充分發揮三維模型的作用。如利用具有真實效果的產品結果顯示和效果配置功能的效果圖，可來探測、確定各類用戶對產品規格、性能、外觀等的需求，實現用戶驅動、用戶定制；在互聯網上發布需要的配套零部件，獲得供應商的電子數據，進行電子模裝，驗證產品的正確性。2023/12/2724四、虛擬現實〔VR〕技術虛擬現實〔VirtualReality，VR〕技術，融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，從而大大推進了計算機技術的開展。虛擬現實系統就是要利用各種先進的硬件技術及軟件工具，設計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統生成的虛擬世界。2023/12/2725多感知性(Multi-Sensory)——所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。浸沒感(Immersion)——指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。交互性(Interactivity)——指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反響的自然程度(包括實時性)。設想性(Imagination)——強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意設想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。虛擬現實技術的主要特征2023/12/2726虛擬現實系統示意圖2023/12/2727五、虛擬現實應用舉例——虛擬維修性分析系統框架

2023/12/2728虛擬維修性分析系統原理2023/12/2729沉浸式虛擬現實演示系統

2023/12/2730簡單的虛維修實例演示

--負重輪，平衡肘的拆卸

序號工作內容數量工具1選定負重輪

2端蓋螺母拆卸（虛擬人拆卸一個，其余示意）6套筒，扳手3卸下端蓋1

4卸下內部花螺母1

5拆下負重輪置于地面1

6擰下支撐套上的螺栓

7卸下平衡肘

8懸掛拉臂

2023/12/2731

圖2虛擬人的性別、身高、體重參數

首先建立虛擬維修環境如圖1所示：其中采用的虛擬人的性別、身高、體重等如圖2所示：

圖1虛擬維修環境2023/12/2732根據拆卸方案，采用的維修工具為套筒、扳手，它們的體積，質量，密度分別如圖3、圖4所示：

圖3套筒參數圖4扳手參數2023/12/27331、可視性分析：當虛擬人的目光集中在圖5位置時，得到虛擬人的在當前維修姿勢下可視范圍如圖6所示，可見，維修局部全在可視范圍內：圖5視點圖圖6可視范圍

2023/12/27342、可達性分析：虛擬人的在當前維修姿勢下，右手拿維修工具，此時右手的可達范圍如圖7所示，可見，右臂可以到達負重輪中維修需要接觸的各個局部，但是，當要拆卸平衡肘時，虛擬人已經夠不到懸掛拉臂的部位，如圖8所示，因此，維修人員需要在卸下負重輪后，向前移動，才能進行平衡肘的拆卸工作：圖7右手可達范圍圖8右手可達范圍2023/12/27353、受力和力矩分析：在承受外載荷的情況下，人體各關節的受力〔力矩〕情況，對判斷能否完成維修任務至關重要。圖9、圖10為人體在該種姿態下，右臂的受力和力矩情況。圖9虛擬人當前狀態圖10受力和力矩

2023/12/27364、疲勞分析：在一定的工作時間內，給出任務循環的次數，完成任務的時間以及間歇時間，分析人體是否有足夠的時間恢復疲勞，在該次任務完成過程中，結果如圖11所示，在規定時間內維修人員能夠恢復疲勞：

圖11分析結果

2023/12/2737隨著計算機技術的開展，目前已經可以用計算機建立全機的外形數學模型，用來精確地定義飛機的幾何形狀，在此階段可以省去制作一些標準樣件。這是建立飛機產品三維數字模型的第一步。今后可使飛機產品〔包括制造工裝〕全部進行三維數字化幾何建模，加上產品結構〔產品結構樹〕的建模，構成真正的電子產品樣件，可以方便地進行數字化預裝配，為虛擬制造構筑良好的環境。數字樣機在飛機方面的應用2023/12/27382023/12/2739第三節產品建模的根本方法一、參數化特征建模1、幾何模型類型鼠標實體造型圖車床刀架線框造型圖鼠標曲面模型圖二維設計線框建模曲面模型實體建模2023/12/27401〕線框模型立方體的線框模型圖

立方體棱邊和頂點的關系

2023/12/2741線框模型的頂點表頂點坐標值V1V2……V7V810……0111……0000……11線框模型的棱線表棱線頂點號e1e2e3……e10e11e12123……341234……7852023/12/2742線框建模的優點

所需信息最少，數據運算簡單，所占存貯空間較小，硬件的要求不高，容易掌握，處理時間短。線框建模的局限性幾何意義的二義性。結構體的空間定義缺乏嚴密性拓撲關系缺乏有效性描述的結構體無法進行消隱、干預檢查、物性計算2023/12/27432〕外表模型外表建模的過程2023/12/2744外表建模舉例說明面號面上線號線數I[4]、[3]、[2]、[1]4II[8]、[12]、[4]、[9]4III[8]、[7]、[6]、[5]4IV[6]、[11]、[2]、10]4V[7]、[11]、[3]、12]4VI[5]、[9]、[1]、[10]4立方體的面表2023/12/2745外表建模的特點

〔1〕表達了零件外表和邊界定義的數據信息，有助于對零件進行渲染等處理，有助于系統直接提取有關面的信息生成數控加工指令。

〔2〕在物體性能計算方面，外表建模中面信息的存在有助于對物性方面與面積有關的特征計算，同時對于封閉的零件來說，采用掃描等方法也可實現對零件進行與體積等物理性能有關的特征計算?！?〕外表建模方式生成的零部件及產品可分割成板、殼單元形式的有限元網格?！?〕曲面建模事實上是以蒙面的方式構造零件形體，因此容易在零件建模中漏掉某個甚至某些面的處理，這就是常說的“丟面〞。同時依靠蒙面的方法把零件的各個面貼上去，往往會在兩個面相交處出現缺陷，如重疊或間隙，不能保證零件的建模精度。

所以外表建模不具備零件的實體特征,不能進行物理特性計算。2023/12/27463〕實體模型〔1〕定義

實體建模是定義一些根本體素，通過根本體素的集合運算或變形操作生成復雜形體的一種建模技術，其特點在于三維立體的外表與其實體同時生成。

由于實體建模能夠定義三維物體的內部結構形狀，因此能完整地描述物體的所有幾何信息和拓撲信息，包括物體的體、面、邊和頂點的信息。〔2〕實體建模的優點

1.可以提供實體完整的信息；

2.可以實現對可見邊的判斷，具有消隱的功能；

3.能順利實現剖切、有限元網格劃分、直到NC刀具軌跡的生成。〔3〕

實體建模的方法

按照物體生成的方法不同可分為體素法掃描法2023/12/2747〔4〕實體模型的表示方法

與外表建模不同，三維實體建模在計算機內部存貯的信息不是簡單的邊線或頂點的信息，而是準確、完整、統一地記錄了生成物體的各個方面的數據?！?〕常見的實體建模表示方法邊界表示法構造立體幾何法混合表示法空間單元表示法2023/12/2748〔1〕特征建模定義特征建模是一種建立在實體建模的根底上，利用特征的概念面向整個產品設計和生產制造過程進行設計的建模方法，它不僅包含與生產有關的信息，而且還能描述這些信息之間的關系?！?〕特征的圖例2、特征建模2023/12/2749〔3〕特征建模中特征分類形狀特征材料特征裝配特征精度特征Ａ、尺寸公差特征Ｂ、形狀公差特征Ｃ、位置公差特征Ｄ、外表粗糙度特征2023/12/2750〔4〕特征建模系統2023/12/27513、特征建模舉例所謂“基于特征〞是指，在Pro/E中，用戶是通過按順序定義假設干特征來創立零件模型的，這些特征包括拉伸〔Protrusion〕、掃描〔Sweep〕、孔〔Hole〕、圓角〔Round〕等。下面圖片所示的零件即由3個特征構成，它們分別是旋轉特征、圓角特征和孔特征。2023/12/2752根據零件的根本形狀繪制截面圖2023/12/2753利用旋轉特征創立零件主體2023/12/2754為零件的選定邊緣增加圓角特征2023/12/2755通過陣列孔特征為零件增加孔2023/12/27564、參數化設計

1985年，德國的DornierGmbH公司與CADAM公司成功開發了CADAM系統。其中，IPD軟件系統是最初的二維參數化CAM系統，它的應用使設計效率大為提高；而后將參數化真正應用于生產實際的那么是美國PTC公司的Pro/E軟件。Pro/E是第一款引入參數化設計的模型設計軟件。參數化設計一般是指設計對象的結構形狀根本不變，而用一組參數來約定尺寸關系。參數與設計對象的控制尺寸有顯式對應關系，設計結果的修改受尺寸驅動，因此參數的求解較簡單。參數化設計的主要特點如下：〔ⅰ〕基于特征。〔ⅱ〕全尺寸約束?！并！吵叽珧寗訉崿F設計修改?！并ぁ橙珨祿嚓P。2023/12/2757最初的截面形狀與尺寸此時創立的零件2023/12/2758修改截面形狀與尺寸2023/12/2759零件的形狀被自動修改2023/12/27605、變量化設計變量化技術是在參數化技術的根底上作了進一步改進后提出的設計思想，它保存了參數化技術基于特征、全數據相關和尺寸驅動的優點，但在約束定義上做了根本改變，變量化技術將參數化技術中所需定義的尺寸參數進一步區分為形狀約束和尺寸約束，在設計的初始階段，允許欠尺寸約束項。參數化和變量化造型方法都是使用約束來定義和修改模型，所不同的是參數化造型使用“全約束〞方法構造模型，而變量化造型使用“欠約束〞方法構造模型。2023/12/2761二、數字化定義數字化定義是對產品模型進行詳細定義，甚至包括數字化流程的定義。不同階段的模型定義內容不同，所提供的功能和定義工具亦不同。在詳細設計階段的定義工具比較容易用計算機實現，而有些定義必須用標準和標準的形式確定。2023/12/2762產品數字化定義流程圖2023/12/2763三、裝配建?！?〕自底向上設計〔Bottom-up〕該方法是模仿產品的實際生產過程的裝配方法，即先制造零件，后進行裝配。自底向上設計1〕裝配建模方法2023/12/27642．自頂向下設計〔Top-down〕該方法是模仿產品的開發過程，先定義產品的功能要求與整體外形，再逐層劃分組成產品的部件，并勾畫出這些部件的大致結構與尺寸，直到最下層的零件。

自頂向下設計過程

2023/12/27652〕裝配模式1．多組件裝配〔Multi-Pares〕多組件裝配將參與裝配零件的所有數據復制到裝配中，裝配模型中的零件與被復制的零件沒有關聯性。同時，由于裝配模型要復制所有零件的數據，需占用較大的內存空間，當組件較多時，會影響裝配速度。2．虛擬裝配〔VirtualAssembly〕虛擬裝配是利用零部件之間的引用和鏈接關系形成的裝配。具有如下優點：〔1〕由于是鏈接零件而不是復制零件到裝配，裝配時需要的內存空間小；〔2〕裝配中不需要編輯的下層零件可簡化顯示，提高了顯示速度；〔3〕當組成裝配的零件修改時，裝配會自動更新。2023/12/27663〕裝配結構關系表達在裝配造型過程中，各個零部件之間的關系通過裝配結構關系進行反映。裝配體中的層次和約束等結構關系可以用裝配樹來表達。裝配樹2023/12/2767第四節

產品模型的顯示一、圖形顯示在數字化產品中的作用圖形顯示技術是數字化產品開發的重要方法，它將產品以不同的形式顯示呈現給用戶。1、產品可視化根據工程需要，產品模型的可視化可以采用不同的顯示方法，這些方法都是利用