网格曲面上自由形状特征设计重用

针对目前网格曲面上复杂特征重用困难的问题,提出一种保细节的特征重用方法。借助于拉普拉斯坐标蕴含的曲率、法矢等微分几何信息,提出基于微分坐标的重用特征边界环参数化方法,具有保长度、保曲率和保形状的特性,减小特征边界环从兴趣区域映射至目标区域时所产生的形变。采用离散测地极坐标方法对目标网格进行局部参数化,按照参数坐标一致原则将重用特征的边界环映射至目标网格的指定区域,并以映射后的边界环顶点位置和法矢信息为约束边界条件,基于旋转不变量的改进拉普拉斯变形框架,对重用特征进行变形操作,使重用特征与目标区域实现自然过渡。所提特征设计重用框架无须对重用特征本身参数化,因而可以重用任意复杂的特征,且对特征的亏格数亦无限制。试验结果表明,所介绍方法健壮、有效,可用于复杂特征的迁移式设计重用。     

三角网格曲面上的特征阵列

针对三角网格曲面上复杂特征阵列式设计重用困难问题,提出一种两步法特征阵列重用策略。基于曲面空间向量平移理论,确定特征阵列位置,以角度和测地距离两个参数构建各阵列实例之间的关联;提出一种基于对偶图的曲面局部参数化方法,使参数化结果不受顶点法矢评估方法的影响,对噪声和锐边特征不敏感。在此基础上,采用微分坐标网格变形技术实现阵列实例的形状控制,使其适配曲面局部形状变化。给出了环形旋转阵列、沿曲线阵列以及方向阵列的具体算法实现。试验结果表明,所介绍方法鲁棒、有效,可用于复杂特征的阵列式实时交互设计。     

网格曲面上的样条曲线阵列

提出一种流形网格曲面上曲线阵列复制方法,达到曲线重用与再设计的目的。网格曲面上的曲线用测地B样条表示,使对曲线的操作可以转换为对曲线控制顶点的操作;引入离散指数映射理论将给定的源曲线控制顶点映射到切空间,获得它们的法坐标,按照曲线阵列前后控制顶点法坐标保持不变的原则,建立曲线阵列前后控制顶点的对应关系,实现曲线的有规律多重复制。法坐标很好地保持了控制顶点之间的测地距离和相对位置关系,因而也保证了曲线阵列重用过程中的形状保持性。将曲线阵列时的位置与形状分开处理,使曲线生成仅与其所在的局部区域有关而与曲面的整体大小无关,既便于保证曲线的形状保持性,也减少了计算量。试验结果表明,所介绍方法健壮、有效,能满足曲面上曲线的交互设计要求。     

基于形状特征的自由曲面建模技术

针对自由曲面重构建模中存在的问题,对曲面数字化及离散点参数优化技术进行了研究。基于自由曲面的形状特征,提出了一种曲面自适应数字化技术。建立了基于显式的最小二乘重构误差的参数优化模型,运用子空间共轭梯度内部反射牛顿优化技术实现了大规模数据点的参数优化。研究结果表明,自适应数字化技术大大提高了曲面的采样效率;参数优化模型合理且优化算法收敛迅速。     

保持形状特征的整体网格曲面变形算法

为了克服传统网格曲面变形对模型的特征只能进行近似控制的缺陷,提出一种精确的特征控制方法,使得模型特征在整体曲面变形中保持原有形状。首先提取形状特征的位置信息,将其作为变形过程中的刚性约束;再根据改进的离散拉普拉斯算子,建立反映网格曲面微分特性的柔性约束;对刚性约束条件引入拉格朗日乘子,结合柔性约束条件建立线性方程组,利用最小二乘法求出最优解,从而实现在保持形状特征的情况下网格曲面的整体变形。最后,通过实践应用证明了上述算法的合理有效性。     

基于局部形状特征的自由曲面相似性评价方法

目前的三维CAD模型检索技术研究主要针对实体模型而较少考虑自由曲面,为此提出一种基于局部形状特征的自由曲面相似性评价方法,将两个自由曲面的相似性评价问题转化为两个曲面局部特征间的相似性评价。该方法首先在自由曲面的参数域内生成图像形式的曲率云图,然后从曲率云图中提取类Sift算子局部特征,最后通过比较局部特征的相似性实现自由曲面的相似性评价。实验结果表明,该方法有效可行,可以实现自由曲面的整体/局部相似性评价。     

基于形状特征的自由曲面采样算法的研究

测点采样是自由曲面零件检测的关键步骤.基于零件的两个形状特征因子:曲率因子、局部曲面片大小因子,提出一种面向不同类型曲面的采样算法,推导出曲率因子、局部曲面片大小因子的计算公式,进而优选合理的采样方案.该采样算法具有适应性广、无需繁琐的迭代过程等特点.用NURBS表达曲面,根据零件的梯度信息模拟制造误差并考虑测量误差,对采样过程进行了仿真分析,仿真结果验证了该采样策略的有效性.     

表面形状为自由曲面零件的装夹设计研究

表面形状为自由曲面零件的夹具设计是机械制造领域中的一个难点问题。但是,该类夹具的设计尚未引起广大夹具设计人员的充分注意,成功的设计范例也为数不多,这一现实已不能满足日益增长的自由曲面零件加工制造的要求。本文结合８６３／ＣＩＭＳ关键技术攻关项目“面向并行工程的计算机辅助夹具设计”的实践并加以扩展,重点讨论了该类夹具设计领域的零件装夹这一难点问题,并根据确定性定位理论与曲面理论给出了自由曲面零件上定位点的选取算法与夹紧点选取策略。     

自由曲面形状信息及其反求

对自由曲面的快速反求系统进行了研究。将矩形光栅投影在被测表面上,利用光栅投影法测量自由曲面上每点高度信息。对测量的三维离散数据进行一种特殊的Hermite插值,通过重叠的矩形作用域迭加形成一个由矩形网格表示的新曲面。采用AutoCAD命令绘制三维自由曲面。     

自由曲面的曲面信息和特征识别

论述了自由曲面模型信息的特征分类及自由曲面微观信息的精确表达,讨论了自由曲面宏观信息的规则化后如何进行特征识别,并建立了综合信息库,弥补了目前商用CAD软件过分人为干预的缺点。     

面向设计的自由曲面特征建模技术综述

自由曲面在产品的设计中应用越来越广泛。由于自由曲面建模自由度多,造型方法复杂,需要较高的数学基础,这些问题严重束缚了技术人员的设计灵感。鉴于此,人们试图将规则模型的特征造型技术引入自由曲面造型,并针对自由曲面特征的概念、分类和参数化等问题进行研究,取得了一些成果。自由曲面特征建模技术,可以有效地提高产品设计效率,降低造型难度。本文总结了面向设计的自由曲面特征建模技术相关研究成果,对自由曲面特征的定义、分类、参数化、编辑与提取方法等进行了系统研究,并通过对已有成果的归纳总结,指出该项技术目前仍然存在的问题及解决的思路,最后展望了自由曲面特征造型技术的发展前景。     

一种新的网格曲面上的特征线提取方法

提出一种新的三角网格模型的特征线提取方法。首先交互地选取几个初始特征点,利用追踪投影法确定初始特征线;对初始特征线进行均匀采样,找出采样点n环邻域内平均曲率最大的点作为新的特征点;利用这些新的特征点拟合B样条曲线;将B样条曲线投影在三角网格曲面上。实验结果表明,利用该方法获得的特征线比较光滑而且逼近特征。     

柔性曲面形状检测传感网络设计

针对太阳能帆板等柔性曲面检测,其动态变形检测难度大。用光纤光栅（Fiber bragg grating,FBG）设计曲面传感阵列,利用空分复用和波分复用技术构建传感网络检测系统。传感器网络的数目根据波动理论和检测仪器的最大解调范围确定;传感网络在曲面的分布根据曲面应力状况和变形特点进行植入式分布,在振幅最大的位置布置传感器,在曲面应变大的位置布置稠密,反之稀疏,根据曲面变形的有限元模型,实现模拟太阳能帆板柔性曲面传感网络设计。并对传感网络的检测精度进行试验,试验表明此传感网络中传感器检测具有良好的线性关系,传感网络中传感器布置位置合理,传感网络能够检测帆板的多种变形。传感器封装在保持40 mm的长度中,传感器测试误差仅有0.4％,柔性曲面测试误差小于4%。     

基于网格曲面形状修改的柔性件装配偏差分析

柔性件装配偏差有限元分析方法中的敏感度矩阵来源于产品的理论数学模型,而理论数学模型与实际模型之间存在一定的外形差异,会产生很大的分析误差。针对该问题,提出了一种装配偏差分析的改进方法,即根据产品理论外形和误差源数据,运用网格曲面变形方法获取逼近零件实际形状的数学模型,代替理论数学模型进行装配偏差分析。开展了金属薄板的装配回弹试验以及飞机壁板件的装配偏差分析计算,使用仿真、试验及测量等手段获取了各类偏差分析结果,并进行比较。数据表明,装配偏差分析误差可减小到5%以内。     

基于三角网格模型的自由曲面自适应测点规划

测点自适应规划是复杂曲面类零件在加工质量数字化测量环节的关键。针对自由曲面自适应测点规划问题,开展曲面自适应布点研究。设置给定条件下的测点密度判定方法,生成样本集,再训练神经网络组合模型,构建测点密度预测模型,用于精简测点数量;按照给定的测点密度阈值自适应获取聚类中心,并采用区域生长算法将曲面划分为测点密度大致相等的子曲面;以子曲面为基础,根据其测点密度进行局部均匀布点,提出一种基于曲面划分的自适应测点规划算法。实验结果表明,在该算法的误差结果接近样本组的情况下,所需测点数量较迭代重构算法明显减少;在相同测点数量下,该算法的误差比均匀布点算法更接近样本组。根据测点密度,将曲面由一个复杂、非规则的模型分成若干测点密度相近的子曲面可以减少测点数量;所规划的测点能较好地描述自由曲面的加工质量。     

三角网格曲面上的等距曲线构造

为了用明确的数学形式表示三角曲面网格中的基曲线和等距曲线,提出一种流形网格曲面上曲线等距线的计算方法,网格曲面上的曲线用测地B样条表示,具有明确的数学表示形式。采用节点插入技术将源曲线分解为分段Bezier曲线,并进行线性化逼近,通过曲线细分策略使其误差控制在给定的容差ε1内;提出一种给定源点和初始方向的离散化测地线构造算法,以该算法为基础,按照顶点等距方法获得源曲线的初始等距线;以初始等距线作为控制多边形并适当插入一些顶点,构造满足给定容差ε2的G1连续分段Bezier曲线作为源曲线的等距线。等距曲线的整体逼近误差由ε1和ε2之和构成,因此可以实现误差的全局控制。针对曲面上曲线自交点计算工作量大的问题,提出先识别局部自交区域再求自交点的策略,减少了线段求交的计算量。实验结果表明,所提方法健壮、有效,能满足曲面上曲线的等距计算要求。     

三角网格上Bezier曲面光滑构造研究

介绍了基于三维三角曲面插值网格,通过对曲面内部控制点引入参数表示构造整体光滑曲面模型的一种方法,简单有效地实现了若干三角曲面的光滑拼接,算法稳定、可靠。     

三角网格上Beizer曲面光滑构造研究

介绍了基于三维三角曲面插值网格,通过对曲面内部控制点引入参数表示构造整体光滑曲面模型的一种方法,简单有效地实现了若干三角曲面的光滑拼接,算法稳定,可靠。     

基于离散指数映射的网格曲面上曲线设计与复用

把指数映射参数化方法引入到网格曲面上自由曲线的设计中,提出一种网格曲面上测地B样条曲线复用操作方法。指数映射局部微分同胚的性质,可以保证局部网格参数化的有效性。对于生成的测地B样条曲线,采用离散指数映射方法参数化其控制顶点,得其法坐标,在保证法坐标不变的前提下,通过改变参数化区域,可以实现测地B样条曲线实时滑动、旋转、缩放等效果。测地B样条曲线生成和局部网格参数化都不依赖于网格模型的整体规模,适用性强。试验结果表明,基于离散指数映射的网格曲面上曲线设计与复用方法健壮、有效,能满足曲面上曲线的交互设计要求。     

流形网格曲面上测地B样条插值

针对现有曲面上自由曲线设计方法的不足,提出一种插值于流形网格曲面上给定点列的测地B样条曲线生成方法。用流形网格曲面上两点间的最短测地线代替欧氏空间中的两点间直线,将欧氏空间中的德布尔算法拓展到曲面空间,得到流形网格曲面上的测地B样条表示形式。对于给定的约束于网格曲面上的点列,基于欧氏空间中的B样条插值理论,反算出其控制顶点,将这些控制顶点投影到网格曲面上,作为待求曲线的初始控制顶点,生成初始的测地B样条曲线。为使曲线尽可能逼近于型值点,提出反向误差补偿策略,通过简单迭代求取约束于网格曲面上的控制顶点。根据曲线的凸包性,将曲线所在测地凸包区域与整体网格曲面虚拟分割,使插值测地B样条曲线的计算量仅与曲线所在测地凸包区域内的网格顶点数有关,而与整体网格大小无关,从而大大减少计算量。试验结果表明,所介绍方法健壮、有效,能满足曲面上曲线的交互设计要求。