三维CAD核心技术及发展趋势

时间：2023-08-01 09:07:00 三维连接器

本文起源于华天软件CTO梅敬成博士视频分享总结

一、发展过程

三维CAD航天、航空、汽车等高端制造业的需求。

(1)参数设计是什么？

无论几何模型有多复杂，它都可以分解成有限数量的组成特征，每个组成特征都可以完全限制有限的参数，这是参数设计的基本前提。

根据邹定国1994年参数设计的定义，参数设计是一种使用重要几何参数快速构建和修改几何模型的建模方法。这些重要的几何参数包括控制身体大小和定位身体的方向矢量。

从技术上讲，三维几何建模引擎的出现使参数设计成为可能，使图形的修改变得非常容易。参数设计解决了哪些需求？。当我们的产品设计经过反复论证时，一般结构已基本确定。我们希望将该产品制作成一个系列，未来的产品可以直接迭代，提高建模效率，因此模型设计中的定量数据变量已成为一种有效的方式。
参数技术的关键点之一是约束。约束可分为几何约束和工程约束，其中几何约束包括了结构约束（平行、垂直、重合、相切、对称等）和尺寸约束（距离、半径、角度等）；而工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义它们在数值或逻辑上的关系来表达。

由于每个建模软件的关注点不同，上图是实现参数化设计的方法之一，参数设计方法也不一样，但大致可以分为两类，一类是人机交互法，见下图；二是直接编程法，借助软件API二次开发界面实现参数化。每个软件可以同时支持以下设计方法。例如，CATIA软件中草图的参数化是通过代数求解来实现的，而其它参数化过程是通过基于结构过程的结构方法来实现的；Revit支持代数求解法和辅助线法。

（2）什么是基于特征的参数化建模？

传统CAD系统只能表达产品的几何信息，没有语义和功能信息。换句话说，计算机不知道你的模型。它不知道哪个是盲孔，哪个是螺纹，因为它只是一堆毫无意义的几何元素。这样，当模型交付给制造商时，需要重新识别信息。人为赋予元素的具体含义给过程带来了许多不便。
为了支持CAD与CAM特征建模的概念征建模的概念：

并行设计：充分考虑加工要求，采用切削、铸造、装配等加工思维进行设计；
装配设计：以装配目标指导零件设计；
参数化设计

这样一来，特征中既包括了几何信息，也有抽象的语义信息，如几何公差、粗糙度、装配和检验要求等。

(3)基于历史记录的实体建模是什么？

直观地说，基于历史记录的物理建模的特点是：左边有一棵长长的历史树，右边有一个相应的参数模型。基于历史记录的建模方法保存了所有的结构过程，以便于理解设计理念组件之间的关系。没有历史记录的建模方法只能得到一个模型结果，其优点是设计师专注于设计本身，模型更轻。

(4)什么是直接建模？

直接建模颠覆了传统CAD建模方法完全可以脱离鼠标和键盘，使用移动设备进行设计，具有简单的交互方式，深入贯彻最佳界面无界面的理念Shapr3D软件的操作过程。
视频链接直接建模

（5）什么是CSG和B-Rep表示法

根据几何特性，计算机中表示三维形状的模型可分为线框模型、表面模型和实体模型三种。

如果按照表示物体的方法进行分类，实体模型基本上可以分为分解表示和结构表示CSG（Constructive Solid Geometry）和边界表示B-Rep（Boundary Representation）三大类。
CSG建模模方法中，一个物体被表示为一系列简单的基本物体(如立方体、圆柱体、圆锥体等)的布尔操作结果。)，数据结构状结构。而B-Rep一个物体被表示为许多曲面（如表面、三角形、样条），形成一个封闭的空间区域。根据身体-表面-环-边-点的层次，详细记录构成身体的所有几何元素的几何信息及其相互连接的拓扑关系。

类别	优点	缺点
CSG	形状简单，易于实现，可转换为其他表达方式，方便用户输入身体	不能直接获取身体几何元素的信息
B-Rep	所有几何和拓扑信息都记录在实体中	缺乏实体生成过程信息，数据存储量大