反求工程中基于变形的自由形状特征重构

摘要

作为高起点支持产品再创新工程的重要技术手段，反求工程已成为实现产品快速开发和创新设计的主要方法之一。本文以反求工程中自由形状表达的细节特征即自由形状特征的曲面重构为背景，尝试利用曲面变形的方法解决其重构问题。 在反求工程的背景下，结合正向设计中自由形状特征的定义、分类和表达形式，给出了反求工程中自由形状特征的定义和分类，以及以限定曲线和形状控制曲线为参数的自由形状特征表达模型。 基于力密度方法提出了一种统一的求解框架，实现NURBS曲线和曲面的精确变形。将控制网格类比为空间索网结构，分别建立外载荷变化最小、外载荷最小、杆阻尼长度最小和节点位移最小等四种表达不同几何和物理意义的最小化模型来驱动变形，并以控制顶点在变形前后的位移为变量，建立了统一表达的目标函数方程，便于多个最小化模型组合使用，满足特定的变形需要。在计算中引入目标函数快速求解算法，使变形设计可以满足实时交互操作的需要。 提出一种新的基于曲线驱动的曲面局部变形方法，支撑自由形状特征中变形特征重构和反求工程中的创新设计。通过对形状控制曲线和限定曲线之间的相容性分析，阐述了缓释区域的由来。通过对变形前后限定曲线邻域内微分属性的分析，引入限定带的概念。并由此概念出发在变形目标函数中引入对限定带的逼近项，实现对曲面变形范围的有效控制，同时降低了矩阵存储规模和计算复杂度。 针对与基曲面以过渡特征相连的自由形状特征即置换特征的曲面重构问题进行研究，提出一种将反求和设计相结合、基于约束的建模方法。利用离散求交从点云中提取限定曲线，并以限定曲线和形状控制曲线为约束变形构造目标曲面。而后基于圆弧拟合和概率统计分析等手段提取过渡特征参数，设计重构过渡曲面。其间对点云切片、过渡特征参数提取等一系列支撑算法进行了研究。 基于变形的自由形状特征重构算法已成功应用于基于特征的反求工程系统RE-SOFT7.0之中，文中介绍了RE-SOFT7.0系统的体系架构策略、功能分解方案及其关键实现技术，并结合实例说明基于变形的自由形状特征重构的可行性。最后在总结全文工作的基础上，对反求工程未来的研究工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2曲面变形技术

1.2.1NURBS曲面变形

1.2.2产品设计中的曲面变形技术

1.3反求工程中的自由曲面重构

1.3.1建模策略

1.3.2基曲面重构

1.3.3自由形状特征重构

1.4选题背景和研究内容

1.4.1选题背景

1.4.2主要研究内容

第二章反求工程中的自由形状特征重构

2.1自由形状特征的定义和分类

2.2自由形状特征描述

2.2.1正向设计中的自由形状特征表达

2.2.2基于鱼骨模型的自由形状特征表达

2.3基于变形的自由形状特征重构

2.3.1变形特征重构

2.3.2置换特征重构

2.4自由形状特征的关键技术

2.4.1曲面上曲线的表达和编辑

2.4.2点云切片

2.5基础算法

2.5.1主曲率极值线提取

2.5.2线性二次规划求解

2.5.3线性方程组求解

2.6本章小结

第三章基于力密度方法的NURBS曲线和曲面约束变形

3.1引言

3.2力密度方法的基本原理

3.2.1结构分析

3.2.2平衡方程

3.3基于统一变形框架的NURBS表达

3.3.1曲线

3.3.2曲面

3.3.3索网结构和控制网格的耦合

3.4目标函数

3.4.1外载荷变化最小

3.4.2外载荷最小

3.4.3杆阻尼长度最小

3.4.4节点位移最小

3.5约束优化

3.5.1几何约束表达

3.5.2目标函数快速评价算法

3.5.3约束求解

3.6算法分析及实例

3.6.1算法分析

3.6.2应用实例

3.7典型应用：基于离散表达的曲面上曲线的编辑

3.7.1形状调整

3.7.2曲线光顺

3.8本章小结

第四章基于曲线驱动的曲面局部形状特征变形重构

4.1引言

4.2算法概述

4.3形状控制曲线

4.3.1约束化表达

4.3.2曲线相容性分析

4.4限定曲线

4.5曲面自由度分析

4.5.1基于形状分析的节点配置

4.5.2基于缓释区域概念的节点配置

4.6曲面变形

4.6.1自由节点的确定

4.6.2基于误差控制的曲面自适应变形

4.6.3曲面走样现象分析

4.7实例及方法分析

4.8本章小结

第五章基于曲面变形的置换特征重构

5.1引言

5.2限定曲线的提取

5.2.1切片导向线的选取

5.2.2点云切片

5.2.3构建限定曲线

5.3曲面变形重构

5.3.1构建初始曲面

5.3.2基于误差控制的自适应变形

5.3.3曲面边界形状优化

5.3.4变形实例

5.4过渡特征重建

5.4.1截面圆弧样本提取

5.4.2过渡参数分析

5.5建模实例分析

5.6本章小结

第六章RE-SOFT7.0系统架构、实现及建模实例分析

6.1引言

6.2系统规划设计

6.2.1基于特征的建模策略规划

6.2.2功能模块规划设计

6.3体系结构设计

6.3.1基于多层次的体系架构

6.3.2基于MVO的交互设计框架

6.4关键技术

6.4.1数据预处理

6.4.2特征区域自动分割

6.4.3基于特征元提取的曲面重构

6.4.4基于截面特征优化的曲面重构

6.5建模实例分析

6.5.1建模策略分析

6.5.2基面特征重构

6.5.3自由形状特征重构

6.5.4 CAD模型重构及误差分析

6.6本章小结

第七章结论与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

论文与项目

致谢