三維CAD核心技術及發展趨勢

張偉一

2022年8月3日 13:18

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本文源自對華天軟件CTO梅敬成博士視頻分享的總結

一、發展歷程

三維CAD起源于高端制造業的需求，例如航天、航空和汽車。

三維CAD核心技術及發展趨勢的圖1

CAD演變歷程

（1）什么是參數化設計？

無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數量的構成特征，每個構成特征則又可以用有限的參數完全約束，這是參數化設計的基本前提。

根據1994年鄒定國《參數化設計》中的定義：參數設計是一種使用重要幾何參數快速構造和修改幾何模型的造型方法。這些重要的幾何參數包括控制形體大小的尺寸和定位形體的方向矢量等。

從技術層面來講，三維幾何建模引擎的出現讓參數化設計成為可能，它使得圖形的修改變得非常容易。那么， 參數化設計解決了什么樣需求呢 。當我們的產品設計經過反復論證后，大致構造已經基本確定了，我們希望把這個產品做成一個系列，以后的產品可以直接在它的基礎上迭代，提高建模效率，于是將模型設計中的定量數據變量化就成了一個有效的方式。

參數化技術的關鍵點之一在于約束。約束可分為幾何約束和工程約束，其中幾何約束包括了結構約束（平行、垂直、重合、相切、對稱等）和尺寸約束（距離、半徑、角度等）；而工程約束是指尺寸之間的約束關系，通過定義它們在數值或邏輯上的關系來表達。

三維CAD核心技術及發展趨勢的圖2

約束圖示—以CATIA為例

上圖是實現參數化設計的方法之一，由于每個建模軟件的關注點不同，參數設計方法也有所不同，但大致可以分為兩類，一是人機交互法，見下圖；二是直接編程法，借助軟件API接口進行二次開發實現參數化。每款軟件可以同時支持以下多種設計方法。例如，CATIA軟件中草圖的參數化是通過代數求解法來實現的，而其他參數化過程是采用基于構造過程的構造法來完成的；Revit中則支持代數求解法和輔助線法。

三維CAD核心技術及發展趨勢的圖3

（2）什么是基于特征的參數化建模？

傳統CAD系統只能表達產品幾何信息，沒有語義和功能信息，換句話說，就是計算機不認識你的模型，它不知道哪個是盲孔，哪個又是螺紋，因為對它來說都是一堆無意義的幾何元素罷了。這樣的話，模型交付到制造商那，就需要進行信息再識別，人為賦予元素特定的含義，流程上帶來了很多不便。

為了支持CAD與CAM的集成，就提出了特征建模的概念，這個概念里包含了三個策略：

并行設計：充分考慮加工的要求，以“加工的思維”去設計，例如切削、鑄造、裝配；
面向裝配的設計：以裝配的目標來指導零件設計；
參數化設計

這樣一來，特征中既包括了幾何信息，也有抽象的語義信息，如幾何公差、粗糙度、裝配和檢驗要求等。

（3）什么是基于歷史記錄的實體建模？

直觀地來說，基于歷史記錄的實體建模的特征在于：左邊有一個長歷史樹，右邊有一個對應的參數化模型。基于歷史記錄的建模方法保存了所有構造過程，方便理解設計思路和部件之間的關聯關系。而無歷史記錄的建模方法，只能得到一個模型結果，其好處在于使得設計人員專注于設計本身，且模型也更加輕量化。

三維CAD核心技術及發展趨勢的圖4

基于歷史記錄的建模—CATIA

三維CAD核心技術及發展趨勢的圖5

無歷史記錄的建模—Rhino

（4）什么是直接建模？

直接建模顛覆了傳統CAD的建模方法，完全可以脫離鼠標和鍵盤使用移動設備進行設計，且有著簡約的交互方式，深入貫徹了“最好的界面是沒有界面”的理念，正如以下 Shapr3D 軟件的操作過程。

（5）什么是CSG和B-Rep表示法？??????

計算機中表示三維形體的模型，按照幾何特點進行分類，大體上可以分為三種：線框模型、表面模型和實體模型。

三維CAD核心技術及發展趨勢的圖6

模型各自的特點

如果按照表示物體的方法進行分類，實體模型基本上可以分為分解表示、構造表示CSG（Constructive Solid Geometry）和邊界表示B-Rep（Boundary Representation）三大類。CSG建模法，一個物體被表示為一系列簡單的基本物體（如立方體、圓柱體、圓錐體等）的布爾操作的結果，數據結構為樹狀結構。而B-Rep的一個物體被表示為許多曲面（例如面片，三角形，樣條）粘合起來形成封閉的空間區域，按照體－面－環－邊－點的層次，詳細記錄了構成形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互連接的拓撲關系。

三維CAD核心技術及發展趨勢的圖7

形體的表示方法

類別	優點	缺點
CSG	造型簡單，易實現，可轉換成其他表示方法，便于用戶輸入形體	不能直接獲取形體幾何元素的信息
B-Rep	記錄了實體所有幾何和拓撲信息	缺乏實體生成過程信息，數據存儲量大