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關鍵詞:精確建模;斜齒輪;參數化;掃掠

引言

齒輪傳動是機械傳動中應用最廣泛的一種傳動方式,由于漸開線的特點,漸開線齒輪又是齒輪傳動最常用的齒輪類型。近年來隨著CAD/CAE/CAM/CAPP技術的迅速發展,為了便于利用計算機仿真軟件對齒輪傳動進行運動、振動噪音、輪齒修型等分析,齒輪的精確參數化建模已經成為一個必要過程,而齒輪的建模精度又對計算結果起到決定性的作用。漸開線直齒圓柱齒輪由于螺旋角為零,因此精確建模已經沒有問題,而漸開線斜齒輪由于齒面為空間漸開線螺旋面,且其端面齒形與法面齒形不同,三維精確參數化建模過程比較困難。在目前所能查找的論文中提出了很多斜齒輪精確參數化建模的方法,但仔細研究發現里面所提到的很多方法根本就無法實現斜齒輪的精確參數化建模,為此先從理論上對斜齒輪參數化精確建模進行討論。

一、參數化建模中齒數與模型分析

在斜齒輪的精確建模中有一部分文獻沒有考慮到齒數對建模的影響[1][3][4][5][6][7][8]。沒有考慮齒根圓與基圓之間的大小關系,根據斜齒輪的齒根圓與基圓公式有:

df=d-2?mn(h*an+c*n)(1)

db=d?cosat(2)

df=db=d-2?mn(h*an+c*n)-d?cosat(3)

由公式(3)可以得到

=z?--2.5(4)

如果斜齒輪的齒根圓 與基圓 相等,則公式(4)右邊等于零。

z?--2.5(5)

對應標準齒輪有an=200,這樣斜齒輪的齒根圓與基圓之間的大小關系就是螺旋角β、齒數z和法面模數mn的函數。當齒根圓與基圓相等時,那么斜齒輪的齒數z與斜齒輪的螺旋角β就成一函數關系,在此把這個函數關系用z=f(β)來表示,這說明斜齒輪的齒根圓與基圓相等的分界線是變化的,而不是恒定的。

齒輪精確建模時,當齒根圓小于基圓的時候,齒根圓與基圓之間是沒有漸開線的,這部分曲線是刀具的齒頂加工出來的過渡曲線;當齒根圓大于基圓時,齒廓曲線全部為漸開線。所以斜齒輪精確建模一定要分這兩種情況來討論,為了方便在此用表格來給出兩者的數據關系。

二、螺旋角與斜齒輪模型的關系分析

現有很多論文中斜齒輪的精確參數化建模都是先利用漸開線表達式生成漸開線一條齒廓曲線,把這個端面曲線沿螺旋線進行沿引導線“掃掠”或“曲面已掃掠”命令來生成一個斜齒輪的輪齒,然后利用環形陣列生成斜齒輪的精確模型[1][2][3][4][5][6][7][8]。

(一)螺旋角的關系推導

斜齒輪的螺旋角是指分度圓上螺旋線的切線與軸線之間所夾的角度。由下推出[10]:

tanβ=(6)

L-螺旋線的導程;

π?d-斜齒輪分度圓上的直徑;

可以看出螺旋角是齒輪分度圓的一個函數,在同一齒輪中,任意圓周di上的螺旋角為:

tanβi=(7)

通過公式(7)可以看出,在不同的圓周上螺旋角是不同的。

(二)沿引導線掃掠策略

掃掠體的數學模型是,先進行路徑規劃,即將掃掠路徑進行離散,求解出t時刻通過掃掠路徑曲線上節點si的坐標,然后確定在每個節點上的投影面(法平面)方程,然后將物體向投影面(法平面)投影,當時間間隔足夠小時,在滿足一定的精度情況下,把時刻t和t+t時刻之間生成的掃掠體看成是由這些投影曲線組成的面域繞轉動極軸轉動生成的實體。

為了簡化求解過程, 掃掠路徑通常寫成式的參數形式:

那么要想對一個物體進行掃掠必須給出掃掠路徑和掃掠物體,在斜齒輪精確建模中,掃掠路徑是空間螺旋線,掃掠物體為漸開線的齒廓,這樣掃掠出來的齒形隨可以參數化,但在齒形上的每一點的法線都為掃掠路徑的切矢量,如果在創建時,給定的掃掠路徑是分度圓上的螺旋線(在軟件中這個命令是單參數的),則得到的輪齒是任意一點的螺旋角都等于分度圓上的螺旋角,通過公式(7)可以看出這是不正確的。三維模型圖參考圖1.4。

(三)沿多條引導線已掃掠策略

一條螺旋線不可能得到正確的輪齒,如果采用多條螺旋線做掃掠路徑只能使用軟件中的“曲面已掃掠”命令來實現,當掃掠路徑比較多的時候可以得到比較精確的輪齒模型,但這個命令是不支持參數化的,也得不到參數化模型。

下面用一個實例進行驗證:

圖四是將端面的一個齒廓面沿引導線掃掠生成的輪齒形狀,此螺旋角為β=200,可以看出輪齒的形狀發生了嚴重的扭曲,且隨著螺旋角的度數增大,扭曲現象就越明顯。

圖五是將端面的一個齒廓面利用曲面里面的已掃掠生成的輪齒形狀,可以看出當使用一條螺旋線的時候,輪齒發生了扭曲,不可能產生精確地輪齒。當增多引導引導線串時,扭曲程度降低,另外通過圖三與圖二的對比可以看出兩個操作都產生了扭曲,但扭曲程度是不一樣的。

通過上述論證,要想得到參數化的精確模型,必須使用掃掠命令來實現,可以對此命令進行二次開發,給定分度圓上的螺旋角,然后設定漸開線上上段的個點螺旋角的值是線性遞增的,下半段式線性遞減的,使遞增和遞減的值分別等于齒頂圓上螺旋角和齒根圓上的螺旋角,這樣既可以參數化又可得到精確的模型

三、陣列操作與參數化分析

在很多文獻中當單個齒生成后通過陣列的方法來生成整個斜齒輪模型,通常在軟件中有兩種生成方法:第一種是特征操作下的陣列(引用下的環形陣列)第二中方法是變換下的環形陣列,這兩種方法本質上是不同的,引用下的環形陣列是不能參數化的,而特征操作下的環形陣列是可以參數化的。

所以要想進行參數化設計必須采用特征操作下的沿引導線掃掠來生成輪齒,然后再進行特征操作下的環形陣列來得到參數化模型。

四、結束語

本文主要對已有的斜齒輪精確參數化建模的方法進行分析,推導出其不能得到精確參數化模型的理論原因,為以后斜齒輪的精確建模提供理論上的參考依據。精確模型一定是理論上推導證明出來的精確,還要注意當通過計算機算法去實現出來后一定存在誤差的,那么必須對誤差進行分析,確定誤差的范圍是不是在后續分析的允許范圍內。

參考文獻:

[1]白劍鋒等.UG在漸開線斜齒輪參數化設計中的應用[J].機械設計與制造,2006,(70).

[2]邵家云,任豐蘭.UG中漸開線斜齒輪的全參數化精確建模[J].農機使用與維修,2009,(1).

[3]趙向前,徐洪濤.基于UG4.0的斜齒圓柱齒輪的三維精確參數化建模[J].金屬加工,2008,(2).

[4]魯春艷.基于UG的齒輪齒條式轉向器的虛擬設計與分析[J].蘇州市職業大學學報,2009,(3).

[5]徐雪松,畢鳳榮.基于UG的漸開線斜齒輪參數化建模研究[J].機械設計與制造,2003,(12).

[6]孫江宏,姚文席,吳平良.基于UG的斜齒輪三維參數化設計方法-掃描成型法[J].2003,(2).

[7]徐江敏,孟慧亮,蘇石川.漸開線斜齒輪的參數化設計與應用[J].計算機應用技術,2008,(11).

[8]沈軍,文軍.斜齒圓柱齒輪三維參數化建模運動仿真及其在機床設計中的應用[J].組合機床與自動化加工技術,2004,(11).

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關鍵詞：軌道交通；綜合管網；三維輔助設計；參數化建模

中圖分類號：F49

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2014）02017703

1引言

目前我國軌道交通車站綜合管網設計過程中大都面臨設計周期短、任務重、多專業獨立工作等問題，給車站管網綜合設計帶來極大難度，為了提高車站綜合管網設計質量與效率，以虛擬仿真為特點的三維輔助設計越來越多地應用到優化設計中。通過可視化的三維輔助設計，可以對車站管網系統進行優化，從而實現縮短周期、減少任務量、多專業協同的目標。現階段三維輔助設計主要是基于三維實體模型，即建立在實體模型基礎上的虛擬仿真。通常制作三維實體模型或按需要修改三維實體模型都需要大量的時間，繁瑣的建模工作使三維輔助設計的效率大打折扣。參數化建模技術可以很好地解決上述問題，所謂參數化建模就是將管線的尺寸、形狀、空間位置、材質屬性等以現三維信息公司研發的MicroStation等，深圳地鐵3號線車站采用了Mircostation建模輔助地參數的形式來表示，通過調用管線的參數實鐵車站綜合管網設計，雖然取得了很好的效果，但由于該軟件涵模型創建，從而顯著地提高建模的效率。目前國內外有眾多學者在從事參數化建模的研究，且取得了很多成果。目前比較常用的參數化建模軟件有AutoDesk公司開發的Revit，Bentley蓋整個建筑工程各個方面，成本較高，針對性不強，僅用于綜合管網設計投入成本較大。本文主要研究面向軌道交通車站綜合管網三維輔助設計的參數化建模技術，針對綜合管網設計特點提出了車站綜合管網的參數化模型的構建方法以及應用流程，并將此方法應用于寧波軌道交通車站綜合管網設計中。

2地鐵車站管網參數化建模

2.1參數化建模與三維輔助設計關系

參數化建模是三維輔助設計的基礎，參數化建模為可視化輔助設計提供帶屬性信息的三維實體模型。三維信息模型才可以實現實時修改、二三維一體化聯動、屬性信息瀏覽與編輯等輔助設計功能，只有構建了參數化的管網三維模型才能真正實現地鐵車站管網可視化的三維輔助設計。

2.2軌道交通車站綜合管網特點分析

軌道交通車站綜合管網參數化建模前，首先根據車站管網綜合圖紙，對管網特點進行分析。車站綜合管網一般分為風、水、電三部分，即暖通空調專業、給排水專業、強弱電專業，各專業內又有大小排風系統、冷凍水管、冷凝水管、消防水管、給水管、污水管、動照橋架、通信橋架等管線，對于眾多類型的管線，在建模時根據管線名稱設定不同的ID，并按管線形狀分為圓管與方管。把水管、排氣管等歸為圓管，橋架、通風系統等管線劃分為方管。為確保模型真實性，在建模前重點研究設計說明與相關規范，充分考慮到管線保溫層厚度、實際尺寸以及維修空間等參數。同時，管網綜合圖紙中管線屬性信息大多以圖形標注的形式來展示，并未賦予在管線輪廓線上，因此圖形標注信息以及其他相關信息參數化需要依附在指定的載體上。

2.3軌道交通車站綜合管網參數化建模方法

通過對軌道交通車站綜合管網系統分析，將綜合管網三維信息模型構建主要分為三部分來實現，第一部分創建數據倉庫，第二部分二維CAD圖紙參數化處理與入庫，第三部分為數據庫信息轉化為三維信息模型（見圖1）。

（1）數據倉庫能儲存大量的管網屬性信息與位置信息，是對管網數字化信息儲存與管理的重要工具，是實現二維圖形向三維模型轉換的重要組成部分。

（2）基于AutoCAD平臺的二次開發，將數據庫與AutoCAD平臺關聯，在管網綜合圖上繪制管線中心線，將圖形信息以參數化的形式賦予中心線上，并將中心線上所有屬性信息全部轉入數據庫中儲存和管理。

（3）基于ArcGIS平臺與OpenGL建模技術結合，通過調用數據庫信息，以參數驅動集成圖形模塊實現三維信息模型生成。

3軌道交通車站綜合管網參數化建模工具

3.1數據庫構建

軌道交通車站綜合管網參數化建模選用PostgreSQL數據庫管理系統作為儲存參數化信息的數據庫系統。PostgreSQL是面向目標的關系數據庫系統，具有傳統商業數據庫系統的所有功能，同時又具有下一代數據庫系統的使用增強功能，為數據存儲與調用提供了堅實的基礎。

根據軌道交通車站綜合管網特點，對數據庫表進行設計。其中包括設備中心線要素表、管線材質庫表、地鐵線路表、地鐵車站表、站內分層表、車站軸線表、支吊架表、管線彎頭表、管線中心線要素表、管線碰撞記錄表，通過數據錄入插件，將獲取的參數化信息錄入到對應的表格中儲存與管理。

3.2數據錄入插件

數據錄入插件是參數化建模中重要組成部分，是關聯AutoCAD與prostgreSQL，實現圖形數據向參數化數據轉換的重要工具。該插件以VS2008軟件對AutoCAD二次開發，插件功能如下：（1）賦予載體屬性信息。管線信息以中心線為載體，點擊中心線可彈出屬性錄入框，可將CAD圖紙中地鐵車站管線的長、寬、直徑、高程、材質以及維修空間等信息賦予在中心線上（見圖2）。

（2）生成帶屬性的彎頭中心線。管線彎頭部分，通過點擊彎頭相關聯的直管中心線，彈出對話框來選擇彎頭的連接方式如變彎、變徑和變高，從而自動生成帶有關聯屬性的彎頭中心線（見圖3）。

（3）提取屬性信息。將CAD圖紙中賦予中心線的屬性信息與線段原始的信息如X、Y坐標、長度等進行提取，通過與數據庫關聯將提取的全部信息儲存在數據庫對應的表格中（見圖4）。

3.3模型生成模塊

三維信息模型的自動生成是基于ARCGIS平臺二次開發來實現的。ARCGIS平臺二次開發是將ARCGIS平臺中三維分析模塊與OpenGL建模的集成。根據地鐵車站管網特點，ARCGIS平臺中三維分析模塊用于標準直管的參數化模型構建，OpenGL建模用于彎頭連接部分的參數化模型構建。

（1）ARCGIS三維分析模塊。通過讀取數據庫中標準直管的屬性信息，通過參數約束驅動模塊從而實現標準直管的三維信息模型的生成，方管以底邊中心線位置、寬和高等參數，將一個矩形框按長度參數界定的范圍形成方管模型，圓管以軸線點位為圓心，將一個圓圈按長度參數界定的范圍形成圓管模型。

（2）OpenGL建模。通過在OpenGL建模中創建矢量變彎、變徑、變高的彎頭參數化模型。將彎頭參數化模型嵌入ARCGIS平臺中，同時通過ARCGIS的SDK模塊的軟件程序編寫，讀取數據庫中彎頭的屬性信息，生成相應的彎頭模型（見圖5）。

通過數據庫中彎頭表格中中心線的關聯信息，將生成的彎頭模型與將方管、圓管模型合成，從而構成完整的管網參數化模型。

4軌道交通車站綜合管網參數化建模流程設計

通過對軌道交通車站綜合管網圖紙特點分析，為實現車站管網三維信息模型構建設計了相應的應用流程。

（1）參數分析。參數分析包括車站管線類別、管線保溫層、管線最大外徑、管線維修空間等參數，通過對圖紙說明與規范的分析，制作材質屬性表（見圖6），并錄入數據庫中，當錄入圖紙信息時可以將公稱值換算成實際值。更能反映現場管網狀況，提高圖紙的精確度。

（2）圖紙標準化。在收集地鐵車站管網圖紙前，由于各設計人員習慣不同，車站管網圖紙顏色各異，圖層名各不相同，因此制定一份制圖規范，統一制圖格式和標準，既能加強對圖紙管理工作，又能為錄入數據時提供標準圖紙便于識別與錄入。

（3）管網二維圖形的參數化處理。在CAD圖中創建對應圖層，繪制對應管網中心線，其中繪制管網中心線分為兩個部分，一是標準直線段管網中心線繪制，繪制該段管線的中心線，將管線的屬性信息包括長、寬（直徑）、高程、材質等填入對應的屬性框中，二是彎頭部分中心線繪制，點擊彎頭兩端的管線中心線，會彈出對話框，根據實際圖紙情況選擇對應的變高、變徑、變彎選項，自動生成彎頭中心線。

（4）參數化信息導入數據庫。對繪制好的中心線的地鐵車站管網綜合圖紙按建筑層（站廳層、站臺層、站臺板下層）分別導入到數據庫中。

（5）三維信息模型生成。通過讀取關聯數據庫中的管線屬性信息和彎頭屬性信息，自動生成管網三維信息模型。

5實例研究

該參數化建模方法已成功應用在對寧波軌道交通1號線19個車站以及2號線部分車站管網三維信息模型構建中。以下介紹福明路站構建管網三維信息模型流程（見圖7）。

（1）統一制圖規范。在建模前，與參與設計院設計人員協商，制定了一份共同認可的制圖規定，統一了管網綜合圖紙的各管線顏色與名稱、管線所在的圖層名稱等（見圖8）。

（2）屬性信息輸入。將福明路站綜合管線按不同專業管線進行分類，分別在各個專業圖上繪制中心線，使用數據錄入插件數據錄入功能，將管線屬性信息輸入到屬性錄入框中。

（3）信息入庫。將完成屬性錄入的圖紙整合在一起，使用數據錄入插件導入功能，將車站所有管線的信息儲存在數據庫中。

（4）綜合管網模型生成。模型生成模塊通過讀取數據庫中管線的信息，生成了福明路站綜合管網模型（見圖9），在屬性框中每根管線都有對應的名稱、ID、長、寬、高、高程、空間位置、材質、實際尺寸、保溫層、維修空間等參數信息，在三維環境中可任意管線的參數信息進行瀏覽與編輯，同時編輯內容保存在數據庫中。

6結論

本文針對軌道交通車站綜合管網特點提出了綜合管網三維信息模型構建方法，研發了基于AutoCAD平臺的屬性錄入插件以及三維GIS技術與OpenGL建模技術相結合的三維模型生成模塊，實現了車站各專業管線的參數化建模。該模型在設計階段為設計人員提供了一個可修改的三維信息實體模型輔助設計，同時在施工階段直觀反映圖紙信息為施工人員提供三維施工指導，并且在運行維護階段還可以為管理者提供管線設備檢修、三維資產管理等，在整個軌道交通車站建設中都能發揮其作用，具有重要的現實意義。

參考文獻

[1]王淑嬙，王乾坤.地鐵車站三維輔助建設與管理系統的構建[J].武漢理工大學學報，2012，34（3）：289292.

[2]王乾坤，王淑嬙.地鐵工程施工安全監控管理信息系統的構建[J].武漢理工大學學報，2009，31（23）：7276.

[3]梅小寧，楊樹興.基于UG二次開發的參數化建模方法在優化設計中的應用[J].科技導報，2010，28（3）：2932.

[4]李軍.三維GIS空間數據模型及可視化技術研究[D].國防科技大學，2000.

[5]陳靖芯，徐晶.基于CATIA的三維參數化建模方法及其應用[J].機械設計，2003，20（8）：4850.

[6]孫偉，馬輝.面向機械產品可視化設計的參數化建模[J].東北大學學報，2009，30（11）：16321635.

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【關鍵詞】Pro/TOOLKIT；參數化；筒形搖架

1.引言

搖架作為火炮的支撐部分，對火炮的準確度、火炮的穩定性有著重要的作用。

搖架對設計者提出了越來越高的要求，大量的設計圖與修改需要設計者去完成，是否仍然要埋首于大堆的設計圖中，為一個個的改動而焦心竭慮。Pro/E所具有的參數化建模能力將使設計者的工作大大簡化。本文以某火炮筒形搖架為研究對象，使用Pro/E的二次開發功能對搖架進行三維參數化建模，使得搖架的設計直觀、準確，便于用戶的修改，大大提高了工作效率并減少了生產成本。因此，將火炮搖架的模型用參數化形式來表示調用為炮架的設計制造提供了方便，具有現實的研究意義。

2.參數化建模的技術

參數化功能是Pro/ENGINEER的核心部分。參數化設計方法可以分為程序驅動及尺寸驅動兩種方法[1]。程序驅動方法是一種自下而上的建模方法，由點、邊、面形成完整模型，一旦用戶需要修改模型，必須重新指定尺寸，程序重新求解坐標，繪制草圖，對于復雜零件來說，增大了工作量。

尺寸驅動方法是一種自上而下的建模方法，用輪廓體現設計思想。尺寸驅動是在輪廓上加上尺寸參數，并設置線段之間的約束關系后，根據尺寸參數和約束關系來控制輪廓的位置、形狀和大小。當輪廓尺寸的數值大小改變時，輪廓上其他和此約束有關的部分也將隨之發生相應的變化。尺寸驅動將設計圖形的直觀性和設計尺寸的精確性有效地統一起來，大大提高設計的效率和質量。

Pro/E軟件在提供強大的設計、分析、制造功能的同時，也為用戶提供了多種二次開發工具[2]。Pro/TOOLKIT是Pro/E軟件提供的開發工具之一，它功能極其強大，庫函數豐富，基本可以完成Pro/E所擁有的所有功能，是進行Pro/E二次開發最理想的工具。Pro/TOOLKIT支持完全面向對象的編程，利用Visual C++6.0語言的可視化界面設計技術進行環境設置，使用Visual C++語言編寫程序、信息文件和注冊文件實現了Visual C++與Pro/ENGINEER的連接，通過MFC應用程序可以設計出方便實用的人機交互界面。然后把三維模型樣板，輸入參數和提示圖形放在同一個對話框中。這樣就在Pro/E、Pro/TOOLKIT和VC++之間建立起連接，只要在對話框中輸入要修改的參數，系統就會自動生成新的三維模型。系統設計的流程圖如圖1所示。

圖1系統流程圖

3.筒形搖架的三維參數化建模

3.1確定驅動參數和約束方程

筒形搖架是主筒剖面為圓筒形的搖架。主要由長筒形主筒、前后銅襯瓦、反后座裝置支坐、耳軸、護筒、定向栓室與各種支臂組成。選取L0、L1、L2、L3、E、R1、R2為主設計尺寸，尤其是主體內圓半徑L1和主筒壁厚R2決定著搖架的口徑，L0反映的是搖架主體的長度，這七個尺寸對火炮搖架的設計有著重大的影響。根據尺寸關系選取E1、E2、E3、α、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、B1、A3、B4作為輔助設計尺寸。而其它尺寸在一般情況下不變，所以擬定為固定尺寸[3，4]。其結構用三視圖表示，尺寸如圖2所示。

圖2 筒形搖架尺寸標注圖

設置筒形搖架模型的參數和關系，如圖3所示。

圖3 關系設置

根據搖架的實際設計經驗，得出下列的約束條件：

2E1>L3；

H2

B2

H5

E1>E3>E2；

E2

L1>H7。

根據這些條件添加尺寸的約束語句。部分判斷語句代碼如下：

if（m_2E1

if（m_H2>=0.5*（m_E1） AfxMessageBox（"H2必須小于0.5倍的E1，請重新輸入"）；

if（m_B2>m_B1>m_E） AfxMessageBox（"B2必須小于等于B1小于等于E，請重新輸入"）；

……

3.2設置連接環境

新建一個項目，并且設置開發環境。進入Visual C++6.0集成開發環境，對VC++的編譯連接環境進行設置。

A 設置Selecting對話框：在Tools/Option/Directories中添加包含文件和庫文件，如下：

包含文件

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE2.0＼PROTOOLKIT＼INCLUDES

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE2.0＼PRODEVELOP＼INCLUDES

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE 2.0＼PRODEVELOP＼PRODEV_APPLS＼INCLUDES

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE 2.0＼PROTOOLKIT＼PROTK_APPLS＼INCLUDES

庫文件

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE 2.0＼PROTOOLKIT＼I486_NT＼OBJ

D：＼PTC＼PROEWILDFIRE 2.0＼PRODEVELOP＼I486_NT＼OBJ

B 設置Project Setting對話框各項更改工程設置如下：

C/C++/常規：勾選“產生瀏覽信息”

C/C++/Code Generation/Use run-time library：Multithreaded DLL

連接/自定義：勾選“強制文件輸出”

連接/常規/對象/庫模塊：mpr.lib protk_dll.lib wsock32.lib

3.3生成模型

在對話框中輸入修改參數，系統就會產生新的模型。假如修改搖架主筒長度，搖架主筒長L0從1500毫米修改為1520毫米，模型更新前如圖4所示，模型更新成功后如圖5。在修改一個尺寸后，參數化模型中的相關尺寸就會自動更新。但前提是尺寸輸入正確，若尺寸參數改動為不符合約束條件的值，這時運行程序，會彈出一個如圖6所示的對話框提示尺寸錯誤。

圖4 模型更新前

圖5 模型更新后

圖6 尺寸錯誤時的提示對話框

4.結論

使用Pro/ENGINEER軟件的Pro/TOOLKIT功能，結合Visual C++6.0編程軟件進行二次開發。以某口徑火炮筒形搖架為例，確定各參數關系和約束方程，開發了參數化建模的程序，實現了對筒型搖架模型的參數化驅動，完成了對火炮搖架的快速設計，提高了工作效率。

參考文獻：

[1] P rashant Banerjee，D an Ze tu.虛擬制造[M].張偉，譯.北京：清華大學出版社，2005.2

[2] 王曉麗，季忠.Pro/ENGINEER的二次開發方法比較[M].現代制造技術與裝備，2006：133-134

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關鍵詞：SolidWorks，VisualC++，參數化建模，二次開發

 

0 前言

SolidWorks是基于Windows平臺的CAD/CAM/CAE/PDM桌面集成系統，以參數化和特征建模的技術，為設計人員提供了良好的設計環境。在SolidWorks系統中，模型的尺寸、相互關系和幾何輪廓可以隨時修改，零部件之間和零部件與圖紙之間的更新完全同步，能自動進行動態約束檢查，具有強勁的復雜曲面造型功能，現已成為微機平臺上主流三維設計軟件之一。

盡管SolidWorks的功能已非常強大，但由于仍然采用的是手工交互形式建模，不能完全滿足專業機械CAD系統的需要。免費論文參考網。基于此因，如果能通過對SolidWorks進行二次開發，針對特定機械結構實現參數化建模，那么對于三維建模在我國企業中的推廣將是非常有利的。為了方便用戶進行二次開發，SolidWorks軟件提供了開發工具API(Application Program Interface，應用程序接口)，用戶可以使用支持API的高級語言如Visual C++、VisualBasic、Delphi等對SolidWorks進行二次開發[1]，創建出用戶定制的、特有的SolidWorks功能模塊。，

1.SolidWorks的二次開發技術和參數化建模

1.1 SolidWorks的二次開發

SolidWorks為用戶提供的API二次開發接口，由數以百計的功能函數構，這些API函數使得程序員可以通過程序直接訪問SolidWorks。所有的函數都是有關對象的方法或屬性，通過對這些對象屬性的設置和方法的調用，用戶可以在自己開發的程序中對SolidWorks進行各種操作控制，從而完成零件草圖的繪制和三維模型的建立。

SolidWorks的API接口分為兩種：一種是基于OLE(Object Linking and Embedding，對象的嵌入與鏈接)Automation的IDispath技術；另一種是基于Windows基礎的COM(Compenent Object Model，組件對象模型)技術。基于OLE Automation的IDispath技術是一種快速開發手段，通常作為Visual Basic、Delphi編程語言的接口。而由基于COM技術的VisualC++編程語言開發的DLL（Dynamic LinkLibrary，動態鏈接庫）文件，可以直接嵌入到SolidWorks內部，當成功加載后，應用程序的菜單就直接出現在SolidWorks主菜單上，與SolidWorks自帶的插件一樣，而且還可以單獨測試，進行操作時極大地提高了設計效率，所以是首選的開發方法。

1.2零部件的參數化建模

三維建模時應對零件進行分析，選擇合理的建模方法。參數化設計是指通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，自動完成對圖形中相關部分的修改，即當賦予不同的參數值時，就可自動生成滿足設計要求的零部件模型，從而實現同類機械產品快速修改與設計。對于參數化模型而言，主要有兩個內容：幾何關系和拓撲關系。幾何關系是指具有幾何意義的點、線、面，有確定的位置和大小；拓撲關系反映了形體的特性和關系，如幾何元素之間的鄰接關系[2]。免費論文參考網。對于企業中標準化、通用化和系列化的產品，設計時所采用的數學模型及產品結構都可以將數據作為參數變量，從而實現在SolidWorks環境下零部件的三維參數化建模。這種參數化設計技術具有強大的變量驅動和模型再生功能，可以有效地提高設計人員的工作效率。

2.用Visual C++ 6.0對SolidWorks進行二次開發的方法

2.1 DLL的創建

基于COM技術的VisualC++編程語言所開發的DLL文件，可以通過三種方式創建：一種是使用SWizard.swx工程向導，第二種是使用ATL Object Wizard向導，第三種是使用用戶自定義向導。第二種向導創建DLL文件，相對來說簡單實用，開發時間短。在Visual C++中用該向導創建DLL工程，加入自己應用程序的代碼，編譯鏈接后生成*.dll文件，也就是插件。

2.2DLL的加載

將動態鏈接庫文件*.dll加載到SolidWorks中，有兩種常用的方法：一種是先運行SolidWorks軟件，然后點擊SolidWorks菜單欄中的【文件】/【打開】菜單命令，在彈出的過濾器中選擇Add-Ins(*.dll)，最后選擇所需的DLL文件加載，確定即可；另一種是先將DLL在注冊表中注冊成為SolidWorks系統的插件，然后運行SolidWorks，點擊【工具】/【插件】菜單命令，在彈出的插件對話框中選擇要加載的插件即可。此操作對于一個動態庫文件只需做一次，以后啟動SolidWorks軟件無需再進行加載操作。

3. 對SolidWorks進行二次開發的實例

以一個柱塞實體為例，介紹采用Visual C++ 6.0編程語言對SolidWorks 2008進行二次開發、參數化建模的應用。

（1）啟動Vsiua1 C++，單擊【文件】/【新建】，選擇【工程】選項卡，選擇【ATL COM AppWizard】，輸入工程的位置和名稱，如PUMP，單擊【確定】。

（2）在【Server Type】中選擇【DynamicLink Library（DLL）】選項和【Support MFC】選項，單擊【完成】，系統會給出“新建工程信息”，核對無誤后單擊【確定】。

（3）在Visua1 C++的【Class View】標簽中，用鼠標右鍵單擊頂部的類圖標（PUMP classes），在下拉列表中選擇【New ATL Object】。在彈出的對話框中的【Category】列表中，選擇【Solidworks】；在【Object】窗口中，選擇【SwAddIn】圖標，單擊【下一步】，在【ATL Object Wizard】屬性對話框的【Names】標簽中，輸入想在【Short Name】中使用的ATL對象類名，如ppump。其他標簽選用默認的設置，點擊【確定】按鈕。

（4）在【Class View】標簽中，右擊Ippump接口，選擇【Add Method】，在彈出的【添加方法至界面】對話框的【N方法名】文本框中輸入函數名，單擊【確定】按鈕。

（5）在【Resources View】標簽中，雙擊【String Table】，雙擊表中的空白行，在表中添加三個String資源，分別是：ITEM、METHOD和HINT，如圖1所示。然后對ppump.cpp文件的AddMenus（）函數進行編輯，在零件菜單下添加代碼。

圖1 添加“String”資源

（6）在【Resources View】標簽中，用右鍵的快捷菜單【Insert Dialog】增加一個對話框，用來輸入柱塞體的各項參數，界面如圖2所示。

圖2 柱塞體參數化建模對話框

（7）雙擊對話框，建立對話框類PistonParameter，并建立七個與Edit對應的變量m_SR、m_DR、m_IR、m_OR、m_SL、m_IL、m_SBL，均是雙精度值，初值在“PistonParameter.cpp”中設定。同時在ppump.cpp文件中添加包含對話框頭文件的語句#include “PistonParameter.h”，建立相應的響應函數。

（8）在ppump.cpp文件中對Cppump::CreatePiston函數進行編輯，添加的部分代碼如下：

AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState())

HRESULT retval；

//得到當前活動文檔

CComPtr<IModelDoc2>pModel；

m_iSldWorks->get_IActiveDoc2(&pModel)；//創建ModelDoc2接口指針

retval=pModel->InsertSketch（）；插入一個草圖

//定義對話框中涉及的七個參數變量

double SphereRadius；//定義球頭半徑

double SphereToBottoLength；//定義球頭中心到柱塞底面的距離

double PistonOutRadius；//定義柱塞體外徑

……

pModel->ICreateCenterLine(-0.01，0，0，-0.08，0，0)；//創建柱塞體中心軸線

pModel->ICreateCenterLine(0，0.012，0，0，-0.012，0)；//創建球頭中心軸線

//定義繪制柱塞草圖的一些關鍵點

doubleA[3],B[3],C[3],D[3],As[3],Bs[3],Cs[3]；//定義關鍵點的類型

A[0]=SphereToBottomLength；//給A點賦值

A[1]=PistonInnerRadius；

A[2]=0；

……

//繪制柱塞體的草圖

pModel->ICreateLine2(A[0],A[1],A[2],B[0],B[1],B[2],&pLine1)；//繪制柱塞體底面線

pModel->ICreateLine2(B[0],B[1],B[2],C[0],C[1],C[2],&pLine2)；//繪制柱塞體外徑直體部分線

……

pModel->ICreateArc2(0,0,0,As[0],As[1],As[2],Bs[0],Bs[1],Bs[2],-1,&pCircle)；//繪制球頭圓弧

pSelMgr->put_EnableContourSelection(true)；//選擇草圖輪廓

pModel->ShowNamedView2(L'*上下二等角軸側', 8)；

pModel->ViewZoomtofit2()；//柱塞草圖在屏幕上以上下二等軸側顯示

//利用特征函數，生成旋轉實體

CComPtr<IFeatureManager>pFtManager；

pModel->get_FeatureManager(&pFtManager)；//獲取FeatureManager的接口指針

CComPtr<IFeature>pFeature；

pFtManager->FeatureRevolve(6.28318530718,false,0,swRevolveTypeOneDirection,0,false,false,true,&pFeature)；//調用旋轉特征函數生成旋轉特征，即得到柱塞實體

最后選擇菜單欄上的【編譯】/【全部重建】，對所編制的柱塞體參數化建模程序進行編譯。編譯通過后，運行SolidWorks2008軟件，在主菜單上將顯示出新加載的插件“PUMP”及子菜單“柱塞體”，如圖3所示。

圖3 加載的插件

單擊“柱塞體”子菜單，會彈出如圖2所示的“柱塞體參數化建模對話框”，在對話框中輸入相應的數據，就會在屏幕上自動生成一個柱塞實體，如圖4所示。改變對話框中的數據大小，就會得到不同的柱塞實體，這就是參數化變量驅動的結果。

圖4 柱塞體參數化建模結果

4.結論

本文研究了對三維繪圖軟件SolidWorks進行二次開發，實現機械零件參數化建模的過程。設計實例表明，采用Visual C++語言建立的動態鏈接庫文件可以很好地實現與SolidWorks的無縫集成，能滿足用戶二次開發CAD系統的需要。免費論文參考網。在實際應用中，通過以上介紹的方法，可以定制用戶經常使用的零件模板，極大地改善了結構相似的零部件修改和設計的手段，提高了產品的設計效率，縮短了新產品的設計周期，具有較強的應用價值。

參考文獻

[1]陶元芳，安喜平，于萬成，潘鮮.用VC++對SolidWorks進行二次開發 [J].太原科技大學學報.2006.4

[2]張長勝.采用VisualC++ 對參數化造型軟件SolidWorks進行二次開發的方法[J]. 模具技術.2005.No.6

[3]王文波、涂海寧、熊君星.SolidWorks 2008二次開發基礎與實例（VC++）[M].清華大學出版社.2009.8

篇5

Abstract： According to the forecast parameters selection in electronic equipment fault prediction and fuzzy processing， this paper establishes electronic equipment health management system and fault prediction， sets the selection principle of fault prediction parameters， extracts fault prediction parameters of electronic equipment based on fuzzy Petri net model， and uses statistical risk based on degree to select the optimal parameters of fault prediction.

關鍵詞： 電子裝備故障;預測參數;健康管理系統;模糊Petri網

Key words： electronic equipment fault;prognostics parameter;health management system;fuzzy Petri net

中圖分類號：TP206+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）04-0234-02

1 概述

進入21世紀以來，在需求牽引和技術推動下，故障預測和健康管理在西方等發達國家得到了迅速的發展，在機械、航空航天、石化等多個領域得到了廣泛的應用。故障預測與健康管理系統是實現視情維修的基礎，在我國航空、航天等領域得到了應用，而在陸用等電子裝備的具體應用還沒有，基本都處于理論研究的階段。準確的故障預測是預測與健康管理系統的關鍵技術。目前，針對電子產品與裝備的故障預測方法分三種：

①基于故障預測參數監測;

②基于故障物理模型（Physics of Failure，POF）;

③基于內建“損傷標尺”[1-3]。

本文主要解決健康管理系統中參數模糊度確定的問題。建立電子裝備健康管理系統并進行故障預測，設置故障預測參數選取原則，基于模糊Petri網模型提取反映電子裝備故障狀態的預測參數，并采用基于相關危險度的統計選取出最優故障預測參數。

2 電子裝備故障預測信息系統

定義一個六元組是復雜電子裝備故障監控測量信息系統。其中：

P={p1，p2，…，pm}為Place集，復雜電子裝備組件集的工作狀態，每個元素pi（1≤i≤n）為復雜電子裝備的一個可更換單元或部件;

T={t1，t2，…，tm}為Transition集，復雜電子裝備Transition規則集合，每個元素tj（1≤j≤m）為一監控測量參數;

I：TP的映射Transition到其所有輸入Place的輸入，即復雜電子裝備中的元器件模塊中的輸入信號;

O：TP的映射Transition到其所有輸出Place的輸出，即復雜電子裝備元件集中的輸出信號;

F：T[0，1]的映射Transition的確信因子，即確信度;

W：P[0，1]的映射Place到其令牌所指的Transition方程。

3 電子裝備故障預測參數選取原則

本文綜合考慮各方面因素，由此，在選取電離層探測儀故障特征參量時應該遵循以下的原則：

①高度的敏感性[4]：當電離層探測儀的狀態發生微弱變化時，相應的故障特征應該有較大的變化;

②高度的可靠性[5]：電離層探測儀故障診斷的參量應該依賴于系統狀態的變化而變化。如故障診斷參量和系統狀態應該是一一對應的關系;

③實用性[6]：作為探測儀故障的診斷參量應該是能夠便于檢測比較容易獲得;

④監控信號的參數能反映電離層探測儀中較多模塊的運行或故障狀態;

⑤監控信號的參數能對電離層探測儀可更換單元模塊進行故障鑒別;

⑥監控信號的參數與對應的故障模式具有較高的相關性;

⑦監控信號的參數具有可測性。

4 電子裝備故障預測參數選取方法

4.1 基于多信號流圖的故障預測參數提取

電離層探測儀故障診斷采集的診斷信息存在一定程度的重疊，對其進行參數提取，用較少的原始參數來充分準確描述電離層探測儀的運行狀態，可極大地降低故障診斷的復雜程度。

在電離層探測儀系統中，通過多信號流圖建立電子裝備可更換單元與故障參數之間的對應關系。電離層探測儀由天線（m1）、發射機（m2）、接收機（m3）、DSP&FPGA模塊（m4）單元組成，假設下面14個參數s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8、s9、s10、s11、s12、s13、s14參數能反映電離層探測儀性能和故障狀態，需要引出六個測試接口TP1、TP2、TP3、TP4、TP5、TP6。根據電離層探測儀的工作原理，按照多信號流圖模型的建模步驟，建立電離層探測儀器的多信號流圖相關模型如圖1所示。根據多信號流圖模型，可得電離層探測儀的故障檢測相關矩陣如表1所示。

經決推理根據故障參數選擇原則，選擇發射機選擇X1激勵脈沖信號（s1）、X2功放輸出RF信號（s2）、24V（s3）電壓為監控參數;接收機選擇時鐘控制信號（s4）、第一中頻放大輸出（s5）、第二中頻放大輸出（s6）、回波信號RFin（s7）為監控參數;DSP&FPGA模塊選擇+5V電壓（s8）、發射通道射頻控制信號（s9）、接收通道射頻控制信號（s10）為監控參數。在電離層探測儀故障診斷模塊中把上述s1至s10十個信號參數實時采集送至存儲模塊，然后正常信號參數比較從而達到實現故障自動診斷的目標。并且在實際運行情況也可以對電離層探測儀使用情況進行記錄，當無法自動診斷故障時，也可以把以往正常運行中的信號參數調出，以備電離層探測儀維修專家手動排除故障。

4.2 故障預測參數模糊化處理

以選出最優的故障診斷參數集其模糊如表3所示，而且可以以最少的診斷參數實現對設備故障狀態的識別，從而降低監控成本和故障診斷的復雜度。

電壓模糊化電離層探測儀正常工作需要電源提供各種交流和直流電壓。如220V交流電壓，+5V、+12V電壓等。在工作過程中可能有欠壓、正常、過壓三種狀態。

5 結束語

針對目前復雜電子裝備健康管理系統中參數選取困難的問題，本文通過提出故障預測參數選取原則，系統論述故障預測參數模糊化處理的方法和步驟。實例證明，利用模糊Petri網對參數進行處理，可以避免故障模式、故障狀態和故障判據主觀因素的影響。

參考文獻：

[1]Lin，J.. Feature extraetion of maehine sound using wavelet and its applieation infault diagnosis[J]. Ndt&E International，2001，34（1）：25-30.

[2]王榮杰，胡清.基于知識的故障診斷方法的發展現狀與展望[J].微計算機，2006，22（3）：220-223.

[3].測量雷達智能診斷技術研究[D].沈陽：東北大學，2009.

[4]David K. Barton. 南京電子研究所譯. 雷達系統分析與建模[M].電子工業出版社，2007.

[5]高原.基于Petri網的間歇過程智能監控技術研究[D].北京：北京化工大學，2009.

[6]席素梅.基于Petri網的知識表示方法研究[D].濟南：山東大學，2009.

篇6

關鍵詞：參數化設計 復雜結構件 CATIA

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0003-02

飛機結構設計中復雜結構件的三維設計建模過程一般比較復雜，在進行設計更改時復雜的建模過程以及建模過程中產生的大量內部特征交聯關系給模型更改帶來了很大困難。復雜的建模過程使得模型建模過程的可讀性差，大量內部特征交聯關系在模型更改時出現交聯錯誤報告的概率大大提升，這些都使得飛機復雜結構件在設計過程中模型更改及設計迭效率低下。

CATIA是世界上一種主流的CAD/CAE/CAM一體化軟件，廣泛應用于航空航天、汽車、造船和電子設備等行業。CATIA V5三維設計軟件提供了強大的參數化設計功能，參數化設計可以很好的提高飛機復雜結構件模型更改的效率，增強復雜構件模型的可讀性。該文基于CATIA V5三維設計軟件，針對飛機復雜結構件進行參數化設計建模分析，介紹參數化建模思想及方法。

1 參數化設計建模分析

參數化設計建模是將模型主要幾何特征與參數關聯，使零件特征“參數化”。“參數化”的零件更改不再基于特征命令工具來完成，只要對相應的參數進行更改即可。參數化設計建模將特征參數的變化準確、嚴格地映射到幾何模型，然后通過控制特征參數來實現模型幾何特征的自動更改，提高復雜結構模型的可讀性及建模效率。該文作者通過對參數化設計的原理分析，再結合實際工作經驗，總結出要進行飛機復雜結構件的參數化設計前必須進行以下工作。

（1）分析明確需要參數化控制的幾何特征。

（2）根據幾何特征確定所需對應的特征參數。

（3）分析明確特征參數和幾何特征之間嚴格的映射關系。

因此，飛機復雜結構件參數化設計建模流程應采用以下邏輯順序。

（1）零件幾何特征要素分析。

（2）建立特征參數。

（3）零件幾何體建模。

（4）特征參數與幾何特征關聯。

下面舉例說明參數化設計建模方法及過程。

2 某飛機框類零件參數化建模過程

2.1 零件特征要素分析

在零件建模前應分析零件的各特征要素，以及預期可能的更改，分析哪些幾何特征需要設立參數。以圖1零件為例，該零件是典型的飛機框類零件，該零件的主要特征有：緣條、腹板、筋條。根據設計經驗存在的設計不確定性主要在于幾何厚度尺寸、筋條分布范圍和數量、腹板高度等方面，計劃設置參數有：外緣條厚度、上半框內緣條厚度、上半框筋條厚度、上半框腹板厚度、上半框腹板高度、上半框筋條對稱分布角度、上半框筋條數量、下半框內緣條厚度、下半框筋條厚度、下半框腹板厚度、下半框筋條數量。

2.2 建立特征參數

在經過零件特征要素分析確定參數設置后，根據對應特征選擇適當類型的參數，并在CATIA軟件中建立相應的參數。使用“知識工程”工具欄中的“公式”創建特征參數并給相關參數賦值，如圖2。

2.3 零件幾何體建模

利用CATIA軟件完成模型幾何體建立。

幾何體建模是參數化設計過程中的重要一環，它不僅是參數化設計的載體和對象，而且幾何體模型的造型方法對參數化設計有著顯著影響，甚至有可能決定著某一幾何特征能否按原計劃實現參數化建模。基于CATIA的幾何特征建模可以通過多種方式方法完成創建，但是建模過程必須考慮參數化設計的實現，盡量采用便于參數使用，邏輯思路簡潔清晰的方法，采用最便利的功能模塊進行。對機復雜結構件建模更是如此，涉及的幾何特征越多，造型越復雜，設立的特征參數越多，幾何體建模的思路、方式方法就顯得越關鍵。

2.4 參數與模型特征關聯

CATIA軟件允許參數之間通過函數關系進行關系互聯，對于有量綱量、無量綱量，甚至是點、線等都可以通過參數間的函數關系參與飛機復雜結構件參數化建模過程，為飛機復雜結構件建模提供了極大的空間和便利性，有力的支持復雜幾何特征的參數化過程。

使用“知識工程”工具欄中的“公式編輯器”創建特征參數與對應的模型幾何特征的關聯關系。通過“知識工程”工具欄為模型幾何特征創建以參數為自變量的函數，關聯后特征參數與對應的模型幾何特征建立了函數映射關系，特征參數為自變量，模型幾何特征為因變量。函數關系創建過程如圖3。

2.5 參數化設計結果

參數與模型特征關聯后，特征參數的更改會引起模型幾何特征的相應更改，更改過程簡潔、有效。通過參數進行模型幾何特征更改效果見圖4。

3 結語

飛機復雜結構件采用參數化設計方法可以提高設計更改效率，提高零件模型的可讀性，縮短設計建模周期，減輕設計人員建模負擔。參數化設計方法對機復雜結構件的三維設計建模具有很好的借鑒意義。

參考文獻

[1] 武文軒.基于CATIA Automation實現的螺母參數化建模[J].精密制造與自動化，2014（4）：12-14.

[2] 劉萬春，袁偉，張琦.面向制造的CATIA結構建模方法研究[J].航空制造技術，2014（5）：40-42.

篇7

關鍵詞 橋梁設計 三維建模 橋梁建模

中圖分類號：TB21 文獻標識碼：A

近些年來，隨著社會生產的不斷進步，橋梁結構也日漸復雜，在橋梁設計中涉及到的知識也日漸廣泛。在傳統的設計方法指導下，橋梁結構的設計不能完全直觀展現，而且在設計質量方面也無法獲得有效保障。當前，越來越多的橋梁設計單位開發了關于橋梁結構設計的軟件系統，將計算機三維技術與橋梁建模技術進行有效的結合，提高了橋梁設計的有效性。三維橋梁建模技術是橋梁結構設計中應用的一種技術，本文就從截面設計、截面參數化和截面容錯、三維建模基本方法、與AUTOCAD的交互操作等幾個方面對三維橋梁建模關鍵技術進行分析。

1截面設計

橋梁構件的形式大多為拉伸形態，所以在橋梁設計時對構件的截面參數表達是一個重要的環節，一方面能夠對截面進行統一的容錯設計，另一方面可以促進三維圖形的精準性。在橋梁結構設計中，一般截面的設計方法有兩種，一種是參數化設置，另一種是導入DXF文件。在進行三維建模時，通常可以設計一個專門的截面類，用來對設計參數和三維坐標進行映射，對橋梁設計中常用的截面類型進行分析和分別定位，便可以實現有效的應用。對于實心截面的設計，一般可以直接對坐標點進行設置，通過二維布爾運算的方式來實現多點交叉運算，哪夠實現對其中任何一個截面的定義。

2截面參數化和截面容錯

在設計軟件中反映出來的截面結構，通常是以截面的空間坐標點形式存在的，通過截面的計算，能夠在三維空間內形成多個坐標點的互相映射，進而通過參數化的形式表現出來，用戶便可以根據設計的實際需要，輸入相應的參數，以此實現截面的設計過程。用戶在進行截面尺寸參數的輸入時可能會由于參數錯誤而對系統的正常運行產生影響，因此需要對參數的判斷給予相應的提示。常見的截面參數錯誤類型，主要有：①截面上的每條邊應當與截面前后接壤的邊相交，如果與截面的其他邊相交則視為錯誤；②如果在截面上存有孔洞，則孔不能與截面的外邊緣相交，相交則視為錯誤；③如果截面上的孔以多層嵌套的形式存在，則視為錯誤；④孔的面積大于截面面積，則視為錯誤。

3三維建模基本方法

在三維建模操作中，一般有移動、復制、拉伸和漸變幾種基本的操作方式，拉伸是其相對較為復雜的一個過程，其主要是針對已經定義好的二維圖形進行連接操作。具體的三維建模方法主要有：

（1）直線型拉伸。在三維建模過程中，拉伸是應用相對較多的一種操作方法，其主要是針對直線型實體，因此一般構件的頂部和底部是相同的。這種直線型的拉伸方式操作起來較為簡單，只需要在定義好的對象中輸入相應的拉伸系數，便可以實現建模。

（2） 曲線形拉伸。在橋梁設計中需要用到曲線形構建，如彎橋的橋面構件、曲線橋拱等，因此在三維建模時就需要通過曲線形拉伸來實現構件的設計。對于曲線形構建的參數設定，要根據曲線方程進行科學的計算，在此基礎上根據指定的截面沿著曲線的方向進行拉伸，以此實現曲線形建模。曲線形建模在一定意義上可以理解為多個直線型拉伸的結合，但是與單面拉伸不同的是，曲線形拉伸在輸入參數時需要將兩個相似的截面作為頂部和底部，實現連接拉伸。曲線形拉伸的效果，與曲線結構的直線劃分數量有著密切的關系。

（3）漸變處理。在建模時，根據不用截面的受力需求，在不同的構件結構的截面也往往有著不同的拉伸需求，所以對于直線型構件和曲線形構建，都需要對其截面進行必要的漸變處理，才能保證建模的科學性。

4與AUTOCAD的交互操作

AUTOCAD技術是當前土木工程領域中一種常用的制圖工具，在三維橋梁建模的過程中引用AUTOCAD技術，形成與AUTOCAD的交叉口接口，能夠實現DXF文件的建立和讀取。DXF接口主要是用來對橋梁構建的截面進行繪制，對于一些特殊的結構和內置截面則可以通過AUTOCAD來實現，通過AUTOCAD將截面用計算機設計出來，然后通過該接口導入到三維建模體系中，需要注意的是，從DXF導入的圖形屬性大多為線形對象，因此需要對其進行轉化處理之后，才能在三維建模系統中順利使用。

5結束語

隨著科學技術的快速發展，三維橋梁建模技術也將不斷的進步，其在橋梁工程中的廣泛應用，能夠促進橋梁設計質量的提升，進而促進我國橋梁工程的持續發展。

參考文獻

[1] 吳學毅，劉軍收.基于參數化設計的三維橋梁模型構建[J].圖學學報，2013（02）.

篇8

關鍵詞：CAD（計算機輔助設計） 機械設計 應用0. 前言

在機械設計中，CAD已經獲得了普遍了應用，其中CAD建模技術便是具體表現之一。所謂的機械設計CAD建模，主要是指利用計算機以及CAD軟件實現機械產品的可視化設計，并且能夠通過進一步的分析功能和修改功能來獲得模擬加工的實體模型。從設計角度來看，不管是何種類型的機械產品，它們均是各種各樣的3D幾何形狀（三維幾何形狀）構成的幾何體。正是基于此種認識，CAD設計主要是利用“Geometric Mode（即幾何模型）”來對機械產品的切片、結構、位置、尺寸、形狀等幾何信息以及紋理、顏色等機械產品的屬性信息進行描述，進而能夠獲得可視化的、富有真實感的3D圖形。

1. 基于CAD的機械設計建模方法

1.1 機械產品設計的特征建模方法

特征建模方法強調依靠CAD/CAE的集成化處理，在機械產品設計的全部生命周期的每一個階段分別依照需求的不同來描述產品特征，確保機械產品信息描述的全面性、系統性以及完整性，使得此零件模型能夠為不同的應用軟件提供所需的各種類型的信息。特征建模方法對特征事例以及特征事例之間關系的描述與表達主要是依據邏輯上的相互影響、相互關聯的語義網絡。基于CAD的機械產品設計的特征建模方法所表達的實體是具有功能意義的高層次實體，因此，該建模方法的操作對象重點是機械產品的功能要素、管理信息以及技術信息，而非最為基本的幾何元素。

從本質意義上來講，特征建模方法著重體現設計人員在設計方案中的設計意圖，重點關注可以將形狀和結構復雜的機械產品模型分解成為多少個“特征”元素，而實際的具體實體模型的獲得則需要通過特征之間的運算來逐步獲得。總而言之，對于特征建模方法而言，零件特征是其關照的最為基本的對象；對它而言，機械產品便是由功能屬性特征、工程含義特征等因素描述而成的信息集成。

1.2 機械產品設計的參數化建模方法

所謂的參數化建模方法，其主旨就是應用工程關系、幾何約束等信息來描述機械產品模型的一種建模方法。其具體的設計流程是，①第一，構建機械產品圖形和尺寸參數之間的約束關系，利用一個被賦予默認值的待標變量來表示不同的可變尺寸參數。②第二，在實際繪圖操作的過程中，想要規格不同的圖樣時，直接對尺寸參數進行相應地修改即可。

對于參數化建模方法而言，機械產品的幾何建模的定義與調整均需要通過約束來實現，約束的主要內容是進行機械產品設計時必須要考慮的因素，包括工程約束、拓撲約束以及尺寸約束等三種形式。并且，參數化建模方法當中的約束和參數之間存在特定的關系，參數的變化可以構建新的約束關系，進而獲得新的幾何建模。所以，幾何建模的改變和修改僅僅通過參數的修改便可以實現，如此一來，設計人員便可以對新型的機械產品實施富有創造性的、動態性的產品設計。

參數化建模方法主要分為變量設計和尺寸驅動兩種模式。變量設計則涵蓋了幾何建模的全部約束條件，包括了工程應用和圖形變動的約束條件，所以使其具備了更加廣泛的設計適用領域。尺寸驅動則僅僅考慮包括拓撲約束和尺寸約束在內的幾何約束，則工程約束則不在它的關照范圍內；在尺寸驅動模式下，不同的設計參數分別對應著不同的約束，所以僅僅通過改變參數的方式便可以實現幾何圖形的變化。變量設計和尺寸驅動有著不同的側重點，變量設計更加傾向于更高一級的設計特征，而尺寸驅動則更加關注基礎的設計特征。

2. CAD技術在機械設計中的應用

2.1 零件與裝配圖的實體生成。

CAD的三維建模方法有三種，即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建犢功能的CAD軟件中，都有—些摹本體系。如在CAD的三維實體造型模塊中，系統提供了六種基本體系，即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環狀體和楔形體。對簡單的零件，可通過對其進行結構分析，將其分解成若干基本體，對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行交、并、差等布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。對于有些復雜的零件，往往難以分解成若干個基本體，使組合或分解后產生的基本體過多，導致成型困難。所以，僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此，可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓，然后在三維實體造犁中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”，進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。

2.2 機械CAE軟件的應用

機械CAE系統的主要功能是：工程數值分析、結構優化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學、運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后，才能由CAE解決設計的合理性、強度、壽命、剛度、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態特性等。

3. 結束語

總體而言，CAD（計算機輔助設計）在機械設計領域的應用，實現了機械產品設計快速化的目標，更加為后續的機械產品的分析、檢驗、快速原型制造提供了信息支持。三維特征建模拓展了設計人員的創造性，比傳統的實體建模有更好的設計效果，最重要的是真正符合數據交換規范的產品建模。

參考文獻：

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[2]陳建勇. 模具CAD/CAM軟件的應用與開發現狀[J]. 中國高新技術企業，2007，（03）：69-71.

篇9

在計算機圖形學中，物體的造型一般分為傳統幾何建模和物理建模兩大類。傳統幾何建模采用線框、表面和實體等造型技術，只描述物體的外部幾何特征，適合靜止剛體的造型。物理建模則是將物體的物理特征和行為特征融進傳統的幾何模型中，既包含了表達物體所需要的幾何信息，又包含了物體材料的物理性能參數。

在現實世界中，服裝的運動受織物材料特性和人體運動的共同影響。人體運動所產生的肢移造成人體皮膚表面和服裝布料之間的碰撞，力的相互作用驅動服裝跟隨人體運動。由于用計算機模擬人體與服裝真實效果的復雜性，在三維人體與服裝的造型中出現了幾何建模技術、物理建模技術、結合幾何與物理的混合建模技術。

1　三維人體與服裝的幾何建凄摻術

1．1人體

三維虛擬人體的幾何建模技術主要是曲面建模，又稱表面建模，這種建模方法的重點是由給出的離散數據點構成光滑過渡的曲面，使這些曲面通過或逼近這些離散點。在人體曲面建模時，主要采用基于特征的和參數化的人體曲面建模兩種具體建模方法。

1．1．1基于特征的人體曲面建模

基于特征的人體曲面建模根據人體的整體結構，將人體模型劃分為若干個基本的結構特征。為進行曲面造型，針對每個結構特征可定義相應的造型特征。造型特征分為主要造型特征(即人體模型中指定的特征)和輔助造型特征(即為了精確表達人體模型的較細節幾何特點所定義的造型特征)。該方法的優點在于．它使得人體模型的曲面建模更加靈活，可以針對人體模型不同部位的幾何特征，選擇最適合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一種曲面表達方式。此外，還可較方便地改進人體模型建模方法。根據人體模型尺寸表，可定義一系列的特征曲線，曲線的生成通過相關特征點(根據人體物理特性定義的點)和模型樣本點(根據人體模型曲面造型需要定義的點)來得到。僅靠特征曲線還不足以表達人體模型的所有幾何形狀，需補充定義幾何造型曲線，與特征曲線共同構造出曲線網絡。網絡曲線多采用3次b樣條曲線表達，人體曲面模型的構建則采用b樣條曲面。

1．1．2參數化的人體曲面建模

參數化的人體曲面建模采用幾何約束來表達人體模型的形狀特征，從而獲得一簇在形狀上或功能上相似的設計方案。即在建模過程中應結合人機工程學原理，利用人體各部分固有的比例關系，從人體模型的眾多特殊尺寸中提取出起決定性作用的參數。一旦幾何特征參數確定下來，系統將根據人機工程學原理，修改相應的主要造型特征，使其滿足新的尺寸要求。同時，利用人體模型主、輔造型特征問的關聯結構，修改相關的輔助造型特征，獲得新的人體模型造型特征，對新的人體模型造型特征進行曲面造型，最終得到用戶所需的人體模型。參數化建模是一種更為抽象化的建模方法，它以抽象的特征參數表達復雜人體的外部幾何特征，依托于常規的幾何建模方法，使設計人員能夠在更高、更抽象的層面上進行人體設計。

nm thalmann和dthalmann最早使用多邊形表面生成虛擬人marilynmonroe，之后又提出jld算符用于對人體表面的變形。forsey將分層b樣條技術用于三維人體建模。douros等使用b樣條曲面重構三維掃描人體模型。曲面模型的優點是速度較快，缺點是不考慮人體解剖結構，取得非常逼真的模擬效果比較困難。提高表面模型的逼真性是目前的研究熱點之一。

盡管曲面建模技術已經能夠完整地描述人體的幾何信息和拓撲關系，但所描述的主要是人體的外部幾何特征，對人體本身所具有的物理特征和人體所處的外部環境因素缺乏描述，對于人體動態建模仍有一定的局限性。

除曲面建模方法外，還有棒狀體建模和實體建模方法。棒狀體建模是最早出現的虛擬人體幾何建模方法，人體表示為分段和關節組成的簡單連接體，使用運動學模型來實現動畫模擬，實現人體的大致動作。實體模型使用簡單的實體集合模擬身體的結構與形狀，例如圓柱體、橢球體、球體等，然后采用隱表面的顯示方法，其計算量大，且建模過程非常復雜。在三維人體模型結構中，實體模型和棍棒體模型基本上已較少使用。

1．2服裝

服裝的幾何建模方法著重模擬布料的幾何表象，尤其是波紋、褶皺等，不考慮服裝面料的物理特性，將織物視為可變形對象，用幾何方程表達并模擬虛擬現實環境中的織物動畫效果。目前常用b樣條曲面、bezier曲面：inurbs曲面來進行服裝曲面造型。

lalfeur等開始用簡單的圓錐曲面代表一條裙子，并穿著在一個虛擬模特上，以人體周圍生成的排斥力場來模擬碰撞檢測。hinds等將人體模型的上半軀干進行數字化圖像處理以獲得基礎人形，提出了在人體模型上定義一系列位移曲面片的、典型的幾何三維服裝建模方法，用三維數字化儀取得人體模型上的三維空間點，然后用雙3次b樣條曲面擬合得到數字化的人體模型，服裝衣片被設計成圍繞人體模型的曲面，然后將之展開到二維，這些服裝衣片是通過幾何建模得到的。

此方法計算速度較快，模擬出的服裝具有其形態特點，生成的圖形具有一定的織物視覺效果，但不能代表特定的服裝織物，仿真效果較差。

2三維人體與腑裝的物建模技術

2.1人體

為使三維人體動畫仿真效果更佳，ahbarr提出了物理建模思想，將人體的物理特性加入到其幾何模型中，通過數值計算對其進行仿真，人體的行為則在仿真過程中自動確定。

物理建模方法具有更加真實的建模效果，能有效地描述人體的動態過程，采用微分方程組的數值求解方法來進行動態系統的計算，計算更為復雜。

2．2織物和服裝

服裝的物理建模對服裝進行三角、網格或粒子劃分，通過構造織物對象的結構力學模型，進行能量、受力分析，用計算機圖形技術可視化地模擬三維形態，能較真實地模擬柔性物體的特性。物理建模與織物的微細結構有關，需要確定織物物理力學參數。模擬結果與真實織物的接近程度取決于所用的數學模型和計算方法。

由于織物微結構的數學模型各不相同，物理模型可分為連續模型和離散模型兩類。計算方法可分為力法和能量法。力法用微分方程表達織物內部微元之間的力，進行數值積分以獲取每一時間步長下微元的空間位置，從而得到整個織物在該時間步長下的變形形態。能量法通過方程組計算整片織物的能量，然后移動織物結構內的微元使之達到最量狀態，從而確定織物的最終變形形態。通常，能量法多用于織物靜態懸垂的模擬，而力法用于動態懸垂的模擬。

2．2．1連續模型

連續模型將織物看作是由大量微元素相集合的連續體，運用研究連續體的力學方法對織物進行力學分析和研究。通常用變形殼體、彎板、薄片、薄膜單元或變形粱單元代表織物的微元。在連續模型中使用有限元方法是目前發展的一個趨勢。

最早shanahan等以材料片／板理論對織物建模。在19世紀80年代，lloyd采用基于膜元素的有限元模型，feynman使用彈性片理論，terzopoulos等基于彈性理論的變形模型，collier把織物看作正交各向異性的膜元素，采用幾何非線性有限元法。2o世紀90年代，ascough使用簡單變形梁元素，yamazaki等在粱元素基礎上，加入外部力。2000年后，kang等提出基于連續殼理論的顯式動態有限元分析方法實現了一套三維服裝懸垂形狀預言快速反應系統，jinlianhu等提出有限體積法(fvm)。

在目前的使用中，織物的微觀非連續結構與有限元素的分割尺寸相比很小，將織物看作連續體，并忽略織物在微元水平內的相互作用，在一定范圍內具有合理性。即使是如此簡化，連續模型的計算量仍相當大，計算過程繁瑣耗時，不能用于服裝的實時仿真。

2，2．2離散模型

織物是由大量纖維、紗線形成的復雜結構體，是非連續的，宜使用離散的方法建立模型。1994年breen等提出采用相互聯系的粒子系統模型模擬織物的懸垂特性，1996年eberhardt等發展了breen的粒子模型，體現了織物的滯后效應，增加了風動、身動等外力對服裝面料的影響。在粒子系統的基礎上，由provot和howlett先后提出的質點一彈簧模型結構簡單，容易實現，計算效率較高，取得了較好的應用效果。該模型將服裝裁片離散表達為規則網格的質點～彈簧系統。每一個質點與周圍相連的若干個質點由彈簧相連，整個質點一彈簧系是一個規則的三角形網格系統。desbrun等對質點～彈簧模型加以延伸、擴展和改進，綜合顯式、隱式積分，提出一種實時積分算法，可實現碰撞和風吹等檢測和反應。劉卉等也用改進的質點一彈簧模型完成了模擬服裝的嘗試。

物理建模方法雖然仿真效果更接近真實狀態，但因模型中包含的有效織物力學結構參數很難確定，加之運算時間太長，應用受到了限制。

人體多層次模型是最接近人體解剖結構的模型，通常使用骨架支撐中間層和皮膚層，中間層包含骨骼、肌肉、脂肪組織等，因此人體從內到外分成骨架、骨頭、肌肉、脂肪和皮膚等幾個層次，可分別采用不同的建模技術。骨頭層可看成剛性物體，采用幾何模型。皮膚層屬于最外層，需要較多的真實性，可采用基于物理的模型，指定皮膚層每個頂點的質量、彈性、阻尼等物理參數，計算每個點的運動特性，實現皮膚的變形。皮膚需要匹配到骨架上，其動態擠壓和拉伸效果由底層骨架運動及肌肉體膨脹、脂肪組織的運動獲得，附著于骨頭上的肌肉和脂肪也得適當地采用物理建模方式形成。

chadwick等提出了“人體分層表示法”的概念。在此基礎上，thalmann等提出一種更加高效的、基于解剖學的分層建模算法來實現人體的建模與仿真。通過這種方法建立的人體模型從生理學和物理學角度都能實現更加逼真的效果，但模型復雜度高，人體變形時計算量大。

幾何建模能賦予服裝更靈活的形狀，可以方便地修改服裝的長短胖瘦、結構線等外觀形狀，模型簡單，執行速度快，但不能通過參數控制服裝的懸垂及質感。物理建模允許通過選擇參數值較為直觀地控制服裝的懸垂及質感，如增加質量參數值將得到厚重織物，但模型復雜，計算費時。服裝的混合建模技術吸取了幾何和物理的優點。通常在圖形生成或模擬過程中，先用幾何方法獲得大致輪廓，再用物理約束和參數條件進行局部結構細化，從而獲得逼真、快速的模擬圖形。

kunii和godota使用混合模型實現了對服裝皺褶的模擬。rudomin在進行模擬時先使用幾何逼近的方法，在人體的外圍生成…個3dj]~裝凸包，給出了懸垂織物的大致形狀，后利用terzopoulos的彈性形變模型對織物的形態進行細化處理。

在實際應用中，混合建模技術更適合于織物和服裝變形形態的模擬，既能滿足對服裝三維效果的仿真，且能在一定程度上實現三維交互設計，計算時間也將顯著縮短，可以滿足實時的要求，是目前較好的選擇。

在三維人體建模上，對靜止人體的實現主要采用面建模技術，重點描述人體的外表面，即皮膚的外形。為了實現人體的動態仿真，需要考慮人體本身的物理特征(如質量、密度、材料屬性等)和行為特征，使得計算機模擬的人體活動符合真人的運動效果，采用了物理建模技術，但由于人對人體解剖結構、自身組織及器官的物理特性、人體運動及動力學行為等研究和了解得并不充分，很難建立起完整的三維人體物理模型。

篇10

【關鍵詞】變差函數 變差函數求取 變差函數參數設置

圖1 變差函數示意圖

在變差函數圖中有幾個重要的參數：a、c、c0 及cc，其中a為變程，反映區域化變量在空間上的變化程度，在隨機地質建模中主要反映儲層參數在空間上的相關性，當h≤a時儲層參數具有相關性，且相關性隨h的變大而減小；當h≥a時儲層參數不具有相關性，變程a越大連續性越好。c為基臺值，反映儲層參數在研究區范圍內的變異強度，為先驗方差。c0為塊金效應值，為距離h很小時兩點間的差異，塊金值越大連續性越差。隨機地質建模過程中認為地層內距離很小的兩點間的接觸關系為漸變接觸，所以隨機地質建模過程中通常認為塊金常數為零。cc為拱高，表示在取得有效數據的尺度上，可觀測得到的變異性幅度大小，當塊金值等于零時，基臺值即為拱高。

2 隨機建模過程中變差函數參數的設置

在主流地質建模軟件中，變差函數的參數主要是通過調整搜索方錐獲得變差函數圖與實驗變差函數圖進行擬合來求取。在搜索方錐中需要設定的主要參數有方位角、容差角、搜索距離、滯后距、滯后距容差、帶寬等。方位角為搜索主方向，主方向是樣點間相關性最好的方向[3]，在隨機建模過程中方位角一般給定為砂體連通性最好的方向（物源方向）。由于工區內井點數據多為不規則分布，在指定方向上很難搜索到足夠多的數據點，所以引入了容差角（Δφ）。作用是使搜索方向上（φ+Δφ）范圍內的井點數據都被認為在有效的搜索范圍內。容差角要根據井點規則程度來設置，一般可設為π/8。搜索距離可設為搜索方向上是遠的兩個數據點的距離。滯后距一般設為搜索方向上的平均井距，滯后距須由調整滯后距個數來確定，滯后距=搜索距離/滯后距個數。滯后距容差也是因井網的不規則而引入的，參數大小應依據井點分布的規則程度來確定。容差角的引入使我們在面對不規則分布的樣品時有了更多的搜索空間，但隨之而來的缺點是在一定的容差角范圍內，如搜索步長過大搜索的方向性會受到一定的影響[4]。為保證搜索方向性，加入了帶寬這一參數，通常將帶寬設置為1倍井距。

3 應用效果

蘇里格氣田蘇11區塊，沉積背景為辮狀河沉積，儲層連續性較差，沿河道方向砂體規模1200米，垂直河道方向砂體規模800米。本次選取區塊內17排到27排共116口井進行地質建模研究，所選井區內井點分布較規則，基本符合600m*600m菱形井網。以盒8下6小層河道相主變程求取為例，根據上述搜索方錐參數設置原則與擬合情況，分別設置主方向6°、搜索距離為6800、容差角為π/8、滯后距為630、帶寬600。下面為主變程的搜索方錐（圖2）和變差函數擬合效果圖（圖3）。從變差函數擬合結果來看，擬合效果較好。

利用上述原則得出盒8下4、5、6小層變差函數參數求取結果（表1）。經分析，本次所求得的各小層的變程等參數與前期地質認識相符合，說明本次變差函數求取可靠性較高。

4 結論及認識

（1）變差函數主要為隨機建模提供可靠的參數，同時通過變程、基臺值、塊金值等參數可以判斷出儲層的非均質性。

（2）主流地質建模軟件中變差函數是通過調整搜索方錐來求取的，搜索方錐所需參數與井點數據分布規則程度密切相關。充分考慮井點數據規則程度能使求得的變程等參數更加忠實可靠。

圖3 盒8下6小層主變程變差函數擬合圖

（3）搜索方錐中參數的設置可根據擬合情況做出適當的增減，以保證求出較小塊金值和合理變程的變差函數。

（4）擬合出的主方向、變程等參數應與研究區的地質情況相符合。

參考文獻