三维CAD模型形状结构分析方法

论文摘要

可重用性设计在机械设计中占有重要地位,它是一种重要的提高企业核心竞争力的手段。随着数字化设计在企业中的广泛应用并逐渐成为主要的设计手段,企业内部积累了大量的三维数字化模型,对它们可重用性分析和利用是提高设计效率、加快设计进度、缩短产品开发周期的有效途径。形状结构信息构成了数字化模型中最主要的工程信息,因此对模型的形状结构分析是解决模型重用的主要突破口。据此,本文对工程中的数字化设计模型的形状结构进行系统地研究,提出面向重用的三维CAD模型的形状结构分析方法。本文在总结和分析相关领域国内外现状的基础上,提出基于空间变换思想的一般性形状分析原则。一般地,CAD模型的分析通常转化为其对应的图的分析,面关系图和体关系图是两类最为常用的描述CAD模型的图结构。面关系图中节点表示模型中的面信息,边表示面之间的连接信息;体关系图中节点表示模型中的体信息,边表示体之间的关联信息。针对面关系图中的曲线曲面信息,提出一套系统的CAD模型点特性理论,并结合空间变换的思想将曲线曲面的形状信息用一组向量描述。另一方面,针对体关系图中的实体信息,提出一种基于编码的形状描述方法。结合形状分析原则,同样把模型的形状描述转化为向量描述。通常,在机械零件设计中经常会采用已有的设计结构并导致大量的CAD模型中反复出现相同的局部结构。这些公共局部设计结构是重要的可重用设计资源,因此提出一种多模型公共结构自动识别和提取方法。基于相同的结构具有相同的形状信息的认识,局部设计结构提取等价于具有相同形状特征的局部结构提取。采用CAD模型的面关系图的表述以及相应的形状描述,将公共结构提取问题转化为图的公共子图提取问题。同时采用约束的方式表达子图以及之间的关系,并给出约束等价的判别方法,从而有效地提取多模型之间的公共局部结构。提出一种基于设计模板识别的多模型统一表达和整合方法,通过大量零件模型中的设计模板提取,可以将模型表达为模板的设计组合,从而将看似无关的模型进行统一的表达和整理,有利于模型资源的管理、模型数据库的压缩以及基于模块化的快速设计。在该方法中,首先采用基于切割环收缩的体分割算法将所有的CAD模型统一的表示为体关系图并进行相应地形状描述。其次,基于数据挖掘理论中的最小描述长度（MDL,Minimum Description Length）原则,将模板提取转化为基于图的MDL的优化问题。采用一种基于图节点合并的贪心策略,对MDL优化问题进行求解得到模板提取结果。针对机械零件中存在着结构包含关系的特点,从多模型组织层面上,研究模型之间的层次组织结构关系,提出多模型结构包含关系的识别方法。该方法中CAD模型经过边界分割以后同样用图数据结构描述其形状结构关系,从而将模型结构包含转变成图的包含问题。然后,采用图的匹配手段对模型包含关系进行判定。为验证本文所提出的方法和理论,在Visual C++6.0的开发环境下结合ACIS几何引擎和HOOPS显示核心开发了CAD模型形状结构分析的原型系统。实现了公共结构识别、设计模板提取、包含性关系分析等系统模块,用实例验证了研究成果的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.2 相关文献综述
• 1.3 本文的研究内容、创新点和组织结构
• 1.4 本章小结
• 2 CAD模型形状描述方法
• 2.1 引言
• 2.2 形状描述的一般性方法
• 2.3 点特性的描述方法
• 2.4 编码描述方法
• 2.5 CAD模型形状描述方法
• 2.6 本章小结
• 3 多模型公共局部设计结构识别方法
• 3.1 引言
• 3.2 模型形状描述方法
• 3.3 基于累进约束集的局部结构识别方法
• 3.5 实例与讨论
• 3.6 本章小结
• 4 多模型统一表达和整合方法
• 4.1 引言
• 4.2 模型体分割技术
• 4.3 模型体关系图表达
• 4.4 设计模板提取方法
• 4.5 实例与讨论
• 4.6 本章小结
• 5 多模型结构包含分析方法
• 5.1 引言
• 5.2 模型边界分割技术
• 5.3 结构包含关系分析方法
• 5.4 实例与讨论
• 5.5 本章小结
• 6 原型系统的实现
• 6.1 引言
• 6.2 原型系统结构
• 6.3 功能模块与应用举例
• 6.4 本章小结
• 7 总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文目录