虚拟设计的基本概念

5.1 虚拟设计的基本概念

科学技术的发展不断推动着设计的进步，日新月异的信息技术也深刻影响着设计的变 革。信息技术发展的深度决定着设计师可在多大程度上利用信息技术为设计服务。早期引入 计算机技术进行文档管理、二维图形处理，把设计师从枯燥无味的事务性工作中出来； 计算机软、硬件的升级换代使得设计师能够使用计算机进行三维建模、渲染表现，人们可以 从多个角度对产品进行审视。现在，信息技术的集成化、智能化发展使设计发生了全面、深 刻的变化， 设计进入了一个新的时代——虚拟设计时代。 虚拟设计( Virtual Design ，简称 VD ) 代表了一种全新的制造体系和模式。

虚拟设计是以虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术为基础，以机械产品为对象的 设计手段，虚拟地制造产品，在计算机上对虚拟模型进行产品的设计、制造、测试。它是计 算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物。

5.1.1 虚拟现实

虚拟设计的技术基础为“虚拟现实” 。“虚拟现实”一词由美国 VPL 公司创建人拉尼尔

(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出，是指综合利用计算机图形系统和各种显示、控制 等接口设备，生成可提供沉浸感觉和交互操作的三维环境技术。虚拟现实是—种计算机界面 技术， 从本质上讲， 虚拟现实就是—种先进的计算机用户接口， 它通过给用户及时提供视觉、 听觉、触觉等各种客观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户操作，从而减轻 用户的负担，提高整个系统的工作效率，体验比现实世界更加丰富的感受。简言之，虚拟现 实就是人与虚拟世界的交流。人的动作和情绪可以控制虚拟世界中的物体。反之，虚拟世界 中的物体也能使人产生真实的感觉，包括视觉、听觉、触觉等。

虚拟现实经历了以下发展历程：

(1) 1965年，在IFIP会议上，有VR “先锋”之称的计算机图形学的创始人 Ivan Sutherland

作了题为“ The Ultimate Display( 终极的显示 )”的报告，提出了一项富有挑战性的计算机图形 学研究课题。他首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系 统的基本思想，指出人们可以把显示屏当作一个窗口观察一个虚拟世界，使观察者有身临其 境的感觉。这一思想提出了虚拟现实概念的雏形。至此，人们正式开始了对虚拟现实系统的 研究探索历程。

(2) 1966 年，美国 MIT 的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一 个头盔式显示器 (HMD) 的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到 这个系统中。

(3) 1968年，Ivan Sutherland使用两个可以戴在眼睛上的阴极射线管

(CRT)，研制出了第

一台头盔式立体显示器 (HMD) ，并发表了题为“ A Head-Mounted 3D Display ”的论文，对头 盔式三维显示装置的设计要求、 构造原理进行了深入的讨论， 并绘出了这种装置的设计原型， 成为三维立体显示技术的奠基性成果。

(4) 1975 年， Myron Krueger 提出了“人工现实 (Artificial Reality) ”的思想，展示了称之 为 Video place 的“并非存在的概念化环境” 。

(5) 20 世纪 80 年代，美国宇航局 (NASA) 及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术 的研究，并

129

取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。

(6) 1985年，Scott Fisher等研制了著名的称之为 VIEW 的一种“数据手套(Data Glove)”, 这种柔

性、轻质的手套装置可以测量手指关节的动作、手掌的弯曲以及手指间的分合，从而 可编程实现各种“手语” 。

(7) 1986 年，第一套基于 HMD 数据手套的 VR 系统 VIEW 研制成功。这是世界上第一

个较为完整的多用途、多感知的 VR 系统，它使用了头盔显示器、数据手套、语音识别与跟 踪等技术，并应用于空间技术、科学数据可视化、远程操作等领域，被公认为当初 的发源地。

VR 技术

(8) 1990 年，在美国达拉斯召开的 SIGGRAPH 会议上，对 VR 技术进行了讨论，明确 提出了 VR

技术的主要内容是实时三维图形生成技术，多传感交互技术，以及高分辨显示技 术。这为 VR 技术的发展确定了研究方向。

(9) 20世纪 90年代以来，在“需求牵引”和“技术推动”下， VR 取得了突飞猛进的发

展，并将技术成果成功地集成于—些很有实用前景的应用系统中，如

Apple 公司的人机接口

实验组(ATG)建立一个基于实景的成像环境， 用户能在其中用 Quick Time数字视频数据交互， 用虚拟现实技术设计波音 777 获得成功，这是引起科技界瞩目的一项工作。

几十年来，计算机辅助设计和制造技术取得了重大成功，虚拟现实则提供了一个通向虚 拟工程空间的途径。在虚拟工程空间中，我们可以设计、生产、检测、组装和测试各种模拟 物体。

虚拟现实技术广泛应用于航天发动机设计、 潜艇设计、建筑设计、 工业概念设计等领域。 1997年 5月福特公司宣布，其已成为第一个着眼于“地球村”概念，采用计算机虚拟设计装 配工艺的汽车厂商。使用“虚拟工厂”的战略目标是减少其生产中采用的 这一目标的实现为福特公司每年节省

90％的实体模型，

2 亿美元。据估计，使用“虚拟工厂”将在推出一辆新

车的过程中， 至少减少 20％的因生产原因修改最初设计的事件。 美国通用汽车公司利用虚拟 现实系统

CAVE(Computer-Assisted Virtual Environment) 来体验置于汽车之中的感受，其目标 是减少或消除人体模

型，缩短开发周期。

而以虚拟现实技术为基础的虚拟设计是 20世纪 90年代发展起来的一个新的研究领域。 所谓虚拟设计就是利用“仿真”与“虚拟现实”技术，在高性能计算机及高速网络的支持下， 采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的 问题，在计算机上实现产品制造的本质的设计过程。

与传统的 CAD 软件相比， 虚拟设计有很大的优势。 CAD 软件基本上只起到 “电子图板” 的作用，在设计方面功能甚弱。而虚拟设计技术可考虑到受力、变形分析或与其它应用软件 的集成，其辅助设计功能大大增强，更有利于计算机辅助设计／制造／装配的集成。

5.1.2 虚拟设计的特点

虚拟设计具有以下特点。

(1) 与真实相对的虚拟化 虚拟设计最主要的特征就是虚拟化。虚拟设计集三维动态显示、仿真、实际工

况模拟等 多媒体技术于一体，设计者感受视觉、听觉、触觉和嗅觉等多种信息，发挥其多种潜能，增 加设计的成功性。在科技用语中，把一个可能存在的特性理解为虚拟的，即它在一定的条件 下可能真实的出现。虚拟设计的各个环节都具有虚拟性的特点，它们也具有真实世界中一切 有价值的特性。虽然它们的存在某种程度上是虚假的，但人们却可以真实地感受到它们，以 一种双方都能够理解的交流方式进行沟通。当设计阶段的任务完成以后，这些虚拟的模型可 以通过一些设备（如快速成型）转化为真实的存在。虚拟是相对于真实而存在的，虚拟与真 实存在着相互转化的双向可能性。

130

（2） 由信息技术所达成的集成化 集成化是虚拟设计的根基所在，没有技术设备的集成，就不会有虚拟

设计的形成基础， 也就确立不了虚拟设计的基本原则。信息技术的发展把各个断续的、形不成联系的计算机辅 助过程集成为一体化的系统，把以前的单独的过程作为整体中的子系统，在各个子系统形成 可以共享的信息流。 这些信息适应不同子系统的数据标准 （或可以方便的转换） ，流通中的信 息内容也是一致的。这样一来，各个子系统之间互为支撑，它们获得其它子系统的信息时， 不会由于标准的差异遭到拒绝，也不用费时费力地对获得的信息进行复查。子系统间经常不 断的进行信息交流，也不断更新、丰富着整个系统的信息库。这不仅对于虚拟设计有重要意 义，也是虚拟设计与虚拟产品开发其它阶段进行交流的依据。集成化从技术上保证了虚拟设 计的内外信息交流，有利于设计师不断地调整自己的航向。

（3） 人机交互的动态化

虚拟设计是一个动态思维、操作的过程。运用多种交互手段

（数据手套、声音、命令等 ）

支持更多的设计行为 （建模、仿真、预测、评估等 ），设计师可以对虚拟模型进行修改，虚拟 模型也会马上做出相应的反应，设计师能够时刻看到自己修改的结果。这种人机互动的过程 有利于设计师充分表达自己的想法——成熟的或者不成熟的，虚拟模型也因此而更加细致。 使用计算机建模可以方便地把虚拟摄像机摆在任何位置，既可以在人们惯常的视平线上，也 可以是真实世界中达不到的位置。从这些视点上，人们可以看到习以为常的场景效果，也会 看到难以想象的画面。多媒体技术的发展使人们观察模型从静态转向动态，可以观看流畅的 模型动画， 而且多媒体技术还可以刺激人的其它感官系统。 人们不仅仅是对模型本身的赏析， 深入了解设计的创意，甚至还是对设计过程、生产过程的享受。

（4） 信息互动的数字化 虚拟设计的信息都是以数字信息方式存储的，数字化是虚拟设计形成信息流的

关键。以 数字化为基础的虚拟设计数据具有相关性，每个子系统对数据的修改，马上就会影响到整个 虚拟设计过程，过程中每个与此有关的数据都会做出相应的反应。这种数据间的关联性，可 以使设计师很快知道自己的修改会对全局造成什么样的影响。这与以前完全不同，那时还要 把图形重新描过，而且还不能保证相关的数据都因此发生了正确的变化。数字化的另一个好 处是可以方便地存储、调用，用不大的空间就可以记录下设计过程的整个历史。有了历史记 录，就有了积累，这使得设计可以在以往经验的基础上，根据设计过程的历史，做出符合要 求的调整，如 Pro/E 中 Model Tree 。良好的可修改性，保证了设计和开发产品的效率。

虚拟技术提供的可视化，不只是一般几何型体的空间显示，而且也可对噪声、温变、力 变、磨损、振动等予以可视化，还可以把人的创新思维表达为可视化的虚拟实体，促进人的 创造灵感进一步升华。 因此，在虚拟状态下， 可以对产品生命周期的全过程 （ 设计、加工制造、 装配、性能分析、 使用及回收等各个环节 ）进行可视化跟踪描述， 更加强调在物料未形成物理 模型，即产品加工之前，产品设计的高度可行性和可靠性，使在投入资金比例大的制造等后 续阶段的产品开发风险降到最低限度。

克莱斯勒汽车公司为迅速推出新产品，应用了虚拟原型技术。该公司的工程师应用虚拟 环境实施一个名为克莱斯勒数据可视化 (CDV) 的项目。通过这个项目的实施，工程师可以检 查 Catia 软件所建模型的干涉情况，当找到零件发生互相干涉的地方，工程师可圈出该部位， 并加上批注，便于修改设计。其在 98 型汽车设计过程中，借助虚拟原型发现了

部件干涉，并在制作第一个物理原型之前就进行了改正，避免了几百万美元的损失。

目前，虚拟设计对传统设计方法的性影响已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基 本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与加工过程在计算机上 的实现，即完成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比较，虚拟设计具有高度集成、 快速成型、分布合作等特征，具体的优点如下：

1500多处零

1) 虚拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点；

2) 虚拟设计继承了传统 CAD 设计的优点，便于利用原有成果； 3) 具有仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计；

131

4) 支持协同工作和异地设计，利于实现资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期； 5) 便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。 5.1.3

虚拟设计的发展趋势

(1) 全新的 VR —CAD 系统 高交互、沉浸式、三维设计环境，可以进行诸如虚拟曲面造型，在三维空

间中拖动曲面 的控制顶点； 虚拟雕塑造型，“虚拟手” 修改、 操纵三维物体的表面几何形状；虚拟实体造型 (概念设计 )，三维感知、三维操作和快速草绘三维形状。

(2) 协同式虚拟设计

沉浸式 (有利于真实现场感 )与半沉浸式 (有利于用户间交流 )协同虚拟设计， 有利于优化设 计。 知识经济时代为我们革新设计思想和设计手段提供了契机，我们必须充分利用现代的、 高科技的创新设计手段和技术来改造传统的产品设计方法，提高设计效率和设计质量，开发 出更多具有市场竞争能力的、拥有自主知识产权的产品。虚拟设计技术不仅在科技界，而且 在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。

5.2

虚拟设计的关键技术

虚拟设计的关键技术包括以下内容：

(1) 全息产品的建模理论与方法。

(2) 基于知识的设计 包括设计知识的获取、 表达与应用： 设计信息和知识的合理流向、 转换与控

制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。

(3) 设计过程的规划、集成与优化 包括设计活动的预规划和实时动态规划、设计活动 的并行运作以及

设计过程的冲突管理与协商处理。

(4) 虚拟环境中的人机互动工程学。 (5) 虚拟环境与设计过程的相互联系。

(6) 产生虚拟环境的工具集 包括一般所需要的软件支撑系统以及能够接受各种高性

132

能传感器信息，能生成立体的显示图形，能调用和互连各种数据库和

CAD软件的各种系统。

5.2.1建模技术

(1)几何建模

几何建模在广义上包括在计算机上处理几何对象的所有方法。几何建模的基础汇集了多 门学科，如拓扑学、解析几何学、微分几何学、投影几何学、数字数学法、集合论和矩阵代 数学等，从而形成理论和应用信息科学专业领域，如软件工程、数据结构和图论等。各种领 域的这种组合构成几何建模的基础。

三维几何体 的基本兀素是点、 线、面和体。如图 5-1所示，根据基 本构型的复杂程度 不同，可将几何模

别一个物体，是以其棱边的组合结构表示的。顶点与棱边一经确定，物体就被唯一地确定。 线框模型仅能描述物体的框架结构，而没有面的信息，故不能进行隐藏线面的消除，不能显 示物体的真实图像。

型分为线框模型、 表面模型和实体模 型三种形式。

(a)线框建模

(b)表面建模 图5-1 三维建模

(c)实体建模

1)线框模型

线框模型是表面模型与实体模型的基础，通过点元素和棱边元素定义并按层次排列成体一一 边一一点关系，用物体的棱边或轮廓线

(曲线、直线、圆弧)描述零件或产品的形状特征。识

2)表面模型 用一组表面表示物体的外形，将棱边有序连接而构成实体的表面结构。表 面模型由于增加了

面与棱边的关系，所以在数据结构上比线框模型复杂，表面模型所定义的 表面实际上完全定义了物体的边界，但是物体的实心部分在边界表面的哪一侧是不明显的。 表面模型比线框模型增加了更多的几何信息，可以实现图形的消隐，产生色调图，计算表面 积以及数控加工轨迹。但表面模型没有体的信息，因此，表面模型难以保证被描述实体的拓 扑一致性，不能完整描述产品的几何特征和物理特征。

表面模型可以主要由表面特征确定，

是曲面也可以是平面。 对于曲面是自由曲面的情况，

表面模型就理解为曲面模型。曲面模型在数学表示上有一套完整的理论和方法。曲面模型强 调表面的性质，如光滑性、连续性、凸凹性。这里，表面模型主要是指曲面模型。图 明了自由曲面是如何生成的。

在表面模型的基础上可以构造复杂的、具有美观性的表面。除了用交互的方式生成自由 表面以外，大多数三维表面建模系统都提供了生成标准表面的可能性，

如平面、柱面、锥面、

5-2说

球面和环面。视系统的不同，这些表面可以利用解析法， 或者插补法，亦或是逼近法来计算。

表面模型的最大缺点在于表面无法自动形成一个实体，无法区别面的哪一侧是体内还是 体外。在设计时，设计者必须自己注意生成一个无缝隙的封闭的模型，其截面也不能被系统 识别，原因是表面模型只给出了外形特征而缺乏实体信息。

3)实体模型 用基本体素构造物体，是表达和处理三维物体的一种完整表达模型。虽然 曲线 控制点 两条曲线 曲线和点 • • •* 宀/ 133

/ / /・ 输 入 的 数 据

图5-2 自由曲面建模方法

实体模型表示仍以表面模型的表面作为边界，但从物体本身的意义讲，物体是实心的。它的 内部在表面的哪一侧是确定的，由表面围成的区域内部为物体的空间区域。在数据结构上实 体模型要比表面模型复杂，它将表面模型的表面定义成有向面，从而定义体在面的哪一侧。 实体模型完整描述了物体的几何信息和拓扑信息。一个有效实体具有如下的性质：

① 刚件，即形状与位置及方向无； ② 有限性，即占有限空间；

③ 封闭性，即集合运算与刚体运动不改变其有效实体的性质； ④ 边界确定性；

⑤ 维数一致性，即没有悬面和悬边。

可见这些模型的区别在于建模基本元素和基本数据的维数以及在于隐式或显式描述拓

扑关系的程度。建模几何基本元素的维数是应当区别于物体的维数和包围空间的维数的，它 是根据模型形式区别的。不同的几何模型对应着不同的造型方法，例如曲面模型的造型方法 适合自由曲面类表面的处理，在曲面的数控加工中有着广泛的应用。实体模型的造型方法则 更适合于规则物体的处理。对于造型方法来说，主要是将各种模型的表示转换成计算机能够 处理的形式，同时加入输入及输出功能，以配合造型所需的数据信息的处理。

(2)实体建模

实体指的是在空间具有有限体积的物体，它既具有几何特性，如面积、形状和中心等，

又有物理特性，如质量、重心等。实体模型一般可以表示实体的几何和物理特性，采用这种 模型，可以得到如

NC编程、有限元分析、虚拟装配等工程应用所需要的各种信息。

三维实体建模也称体素建模，主要研究如何方便地定义简单的几何形体

(即体素)，以及

(CSG)、边界表示

如何经过适当的布尔集合运算构造出所需的复杂形体，并在图形设备上输出的方法。其核心 问题是采用什么方法来表示实体，应用较为广泛的方法有构造实体几何法 法(B-rep)、扫描法。

1) 构造实体几何法(CSG)将一简单的实体

(又称为基本体素)进行一定的集合运算构成 所需设计的复杂物体。这些体素可以是形状简单的规则物体 (如长方体、圆柱体等)，也可以

是由半空间构成的，如正方体是由半空间

x>0, xw 1 ； y>0, yw 1； z>0, z< 1经集合运算

构成。利用这种方法实现实体建模的过程就是集合运算过程，这一过程可以形象地用一棵二

134

叉树一一CSG树表示，CSG树定义了物体的构成体素和构造方式，如图 5-3所示。树中的非

终端结点表示操 作，如移动，正则 化交、并、差运算； 树的叶结点表示参 与运算的基本体 素；树的根结点表 示集合运算的最终 结果。CSG树表示 法本身就是用来说 明实体的构造过 程，记录实体中所 含体素的全部定义 参数，必要时还可 以附加实体和体素的各种属性及特征的描述，但不反映物体的面、边、顶点等有关信息。

（a）构造方式

图5-3 CSG操作生成实体

（b）实体

2）边界表示法（B-

rep）如图5-4所示，边界表示法通过描述物体的表面边界来表示一个物 体。一个物体的边界把物体分成物体

的内部和外部，同时边界也构成了物体与周围环境之间 的界面。边界表示包含了两类主要信息，一是几何信息一一物体几何元素的尺寸数据，它描 述物体的大 小、位置、形 状等；二是拓 扑信息 - 几 何元素之间的 连接关系，构 成物体的“骨 架”。物体的边 界一旦定义， 就唯一地定义 了该物体。边

界表示法的数据结构是一个层次结构，

图5-4

边界显示物体的层次结构

Point Curve Surface

以体——面——边——点的拓扑连接确定物体的形状。

B-rep描述法强调实体的外表细节，详细记录构成实体的几何信息与拓扑信息，可以直接取 得实体的各个组成

面、面的边界以及各个顶点的定义数据，有利于边和面的运算与操作。但 是，其数据量大，数据关系复杂，对几何特性的整体描述能力弱，不能反映实体的构造过程 和特点，也不能记录实体组成元素的原始特性。

3）扫描表示法 将一个点、一段直线或曲线、一个平面沿空间一定路径运动而生成一个

二维或三维形体。这种方法被认为是对某方向具有固定形状剖面的产品进行建模的实用而有 效的方法。扫描法有两种基本的类型：旋转扫描法和平移扫描法。如图

沿z轴正方向扫描，生成图（b），将（a）绕x-x '轴旋转360 °,生成图（c ）。

与线框建模、曲面建模等几种建模技术相比，实体建模的突出优点是计算机内真正存储 了物体的三维几何与拓扑信息，这使物体体积、

面积、重心、惯性矩等的自动计算，隐藏线、

5-5所示，将图（a）

135

隐藏面的消除，有限元网格自动划分，物体截切及碰撞干涉检查,

动画模拟，真实感图形 显示等成为可能，从而 使这一技术在 CAD / CAM模拟仿真、医学、 广告、计算机艺术等领 域获得了广泛的应用。

CAD / CAM 初步集成,

(3) 参数建模 除去前面

所描述的

显式几何建模外，对于 许多设计任务要有目的地采用参数化建模。虚拟设计中最主要的任务在于设计要适应新的要 求。

(a) (b) (c) 对现代设计系统的一个主要要

求在于辅助变量设计和已有设图5-5扫描生成实体 计的可再使用性。用构造复 杂

的模型辅助设计部件，为此部件必须要具有合适的描述形式，允许以各种表达方式进行设 计。

参数化建模或参数化设计是虚拟设计的一个发展方向， 消除传统CAD系统的一系列缺陷。

它可以达到满足上述要求的目的,

1) 参数化设计(Parametric Design)在生产设计中，设计人员经常遇到这样的情况，许多 零件(如标准零

件)的形状具有相似性，仅尺寸的大小不同，或者一个新产品的设计是在一个 原有产品的基础上做一些小的改动，希望修改后马上产生新的模型。这样的要求在传统的几

何模型基础上难以实现，一般只能重新建模。也就是说，传统的建模方法

(线框建模、曲面建

模、实体建模)只能建立固定的设计模型，不能够满足设计自动化的要求，模型一旦建立，修 改时则需更新建模，设计效率低。

参数化设计是以规则或代数方程的形式定义尺寸间的约束关系，建立相应的推理和求解 驱动机制，把实体模型和曲面模型归于统一的系统，

实施模型变换，并力图形成统一的数据，

以使几何造型、工艺规划生成参数化，使尺寸变化与工艺规程的改变、零件装配信息的改变、 加工编程的改变实现自动或部分自动化。

参数化设计可直接面向工程应用，当模型修改或变形时，设计者可以分析修改某些数值 的参数(如长度、角度)的值，得到相应的几何模型，并保持原有模型中相互的约束关系不变， 从而实现动态修改产品几何模型的需要。

2) 参数化设计的实现 要实现参数化设计，必须先建立零件的参数化模型。所谓参数化

模型，就是标有参数名的零件草图，由用户输人，并在屏幕上显示出来。一般情况下，模型 的结构(即拓扑信息)是不变的，各个参数值是可变的，通过改变参数可再生成同一结构不 同尺寸的新模型。在某些情况下，拓扑结构也可改变。

目前较为成熟的参数化设计方法是基于约束的尺寸驱动方法和基于特征的参数化建模方 法。基于约束的尺寸驱动方法的基本原理是：

对初始图形施加一定的约束(以尺寸进行约束或

即尺寸驱

实体关系进行约束)，模型一但建好后，尺寸的修改立即会自动转变为模型的修改，

动模型(Dimension Driven Geometry)。如一个长方体，对其长 L、宽 W、高H赋予一定的尺 寸，它的大小就确定了。当改变

L、W、H的值时，长方体的大小随之改变。这里，不但包

含了尺寸的约束，而且包含了隐含的几何关系的约束，如相对的两个面互相平行，矩形的邻 边互相垂直等。

136

基于约束的尺寸驱动是将几何模型中的一些基本图素进行约束，当尺寸变化时，必须仍 满足其约束条件，从而达到新的平衡。

约束一般分为两类：一类为尺寸约束，包括线性尺寸、角度尺寸等一般尺寸标注中的尺 寸约束，也称显式约束；另一类称为几何约束，它包括水平约束、垂直约束、平行约束、相 切约束等，这类约束称为隐式约束。图

5-6表示了约束的几种类型。约束时可能存在过约束

与欠约束问题。过约束是指对一个图形的几何形状及关系设定了过多的约束，而欠约束则是 约束未给够，这些都可能导致求解时出现错误。

L

垂直线

角度

(f)

(g)

图5-6约束的几种类型

常用的基于约束的尺寸驱动方法有三种：

1) 变动几何法(Variation Geometry) 是基于几何约束的数学方法，是较早使用的参数化 建模方法。它

将给定的几何约束转化为一系列以特征点为变元的非线性方程组，通过数值方 法求解非线性方程组确定几何细节。

2) 几何推理法(Geometric Reasoning)是根据几何模型的几何特征，和各约束之间的相互 关系，对给定

的一组约束采用匹配方法，将约束条件与规则库中的推理规则进行匹配，逐步 得到几何模型的一种方法。

3) 参数驱动法 是一种基于对图形数据库的操作和对几何约束处理。使用驱动树来分析

几何约束，对图形进行编程处理的方法。首先将复杂的物体逐步分解为相对简单的几何体素， 然后对图形数据库进行操作，再通过图形之间的约束对生成的简单几何体素进行处理，得到 所需的几何模型。这种方法不涉及复杂的方程组的求解问题，简单易用，能够很好地处理相 对复杂物体的三维建模问题。

在参数概念设计基础上，大部分创造性的面向概念设计的设计工作都可以采用计算机辅 助的方法来完成。由此，概念设计的多样性和灵活性也会有极大的提高。

(4) 特征建模

为了提高建模的效率，一种新的建模方法被研制出来。

这种方法既可以减少输入的费用，

又可以增加几何设计的多样性。与此同时，在制订设计方案时设计者的创造性思维有了更广 阔的空间。这种新的建模方法就是特征建模法。

特征建模(Feature— based Modeling)是将一门新技术 ----- 特征 (Feature)技术 ----- 引入到产 品设计中，用更高一层次的具有工程意义的特征体素来描述零件的一种建模方法。特征建模 从工程的角度讲是对形体的组成及整体信息完整表达，使所描述的信息更具工程含义，而且

面向加工。建模时以特征为操作对象，工艺设计时以特征为基本单位，加工时以特征为基础。

137

1）特征的含义特征是具有工程含义的几何实体，为了表达产品的完整信息而提出的一个 概念。特征是对

诸如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述，是反映 零件特点的可按一定的规则分类的产品描述信息。

特征是产品信息的集合，不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状，而且反映特定的工 程语义，所以兼有形状和功能两种属性。从其名称和语义足以联想其特定几何形状、拓扑关 系、典型功能、绘图表示方法、创造技术、公差要求，适宜在设计、分析和制造中使用。

特征的分类方法有很多，主要有按产品定义数据的性质分类，按几何形状分类，按功能 分类，按制造方法分类等。

各方面的信息有机地结合在一起，构成了基于特征的零件信息模型，如图

5-7所示。

2）基 于特征的 模型生成 方法基 于特征的 建模方法 中对于特 征的描述 是关键， 特征描述 应该包

含 几何形状 的表示和 相关的处理机制以及特征高层语义信息。目前主要探讨机构形状特征，其常用描述方法主要 有基于B-

rep的方法、基于CSG的方法、基于

混合 CSG/B-rep的方法等三种方法。其中混合

图5-7基于特征的零件信息模型级

CSG/B-rep的方法是设计系统中表示特征的较好方法， 这是因为它同时兼有 CSG模型及B-rep 模型的优

点，CSG模型易于对高层元素操作，B-rep模型易于与低层元素（点、线、面）附加尺 寸、公差和其它属性。

基于特征的模型生成方式主要有以下三种：

1）交互式特征定义（Interactive Feature Definition） 如图5-8所示，交互式特征定义总是在

一个以定义的几何模型的基础上实现的，以人机交互的方式辅助识别特征，这种方式首先建 立产品的几何模型，然 后由用户直接通过图形 来提取定义特征所需的 几何要素，输入工艺信 息，建立零件或产品描 述的数据结构。

交互式特征定义 的原理利用B-rep数据 结构可以很好地

实现，但是效率低，且几何信息与非几何信息是分离的，产品的数据难以实 现共享。利用这种方法其结果取决于用户的正确选择，如果选择了错误的元素或选择的元素

138

数量不恰当，就不可能对元素进行定义，必须重新进行选择。因此，使用人员必须掌握系统 和现行的匹配模型方面的精确知识。

2) 自动的特征识别(Feature Recognition)在建立几何模型后，通过启动专门的程序，利

用实体建模信息, 如图5-9所示。 特征识别方法主 要有匹配、边面 延伸、体分解以 及CSG识别等。 这种方式应用面 广，但识别能力 有限，且提取特 征信息很困难，应用的零件范围狭小。 特征识

图5-9自动特征识别

自动地处理几何数据库, 识别特征，搜索并提取特征信息， 产生特征模型,

别通常只对简单形状有效， 难以处理复杂情况, 处理结果也未必与原意图相符，有很大的局限性。自动的特征识别是通过利用一个几何建模 器自动的生成加工计划的第一步。与在铳削加工时直接从建模器数据结构求得工件的合适区 域的加工区识别方法不同，特征识别的任务是寻找一个几何模型的范围，这个范围应与先前 定义的一般特征相符合。

总之，存在一个成熟的构件模型是先决条件，一个特征识别系统的任务主要有以下几方 面：

① 按照与预定义模型的拓扑/几何一致性原则搜寻数据结构； ② 从数据结构中分离和抽取已被识别的特征； ③ 求得特征参数(例如孔径和槽深)； ④ 完备几何特征模型；

⑤ 把简单的几何特征组合成高价值的特征。

特征识别还有一系列其它的问题，比如在难以区别特征的语义方面；还有，用于完整识 别在其中所含有特征的几何模型必须由预定义的特征组成。特征识别在应用复杂的、用户定 义的特征时会引起问题。特征识别的优点在于在不同的应用领域之间转换时其原理上具有多 面性。只要建模器数据本身的交换能够得到保证，特征识别可以使得随后的应用与模型生成 的类型无关，并因此也与所应用的设计系统无关。

3) 基于特征的设计(Design by Feature) 大

量的标准特征或用户自定义的特征 存储进特征库，在设计阶段就调出特 征库中的特征，将之作为基本建模单 元进行建模，再逐步输入几何信息、 工艺信息建立起零件的特征数据模 型，并将其存入数据库。由于这种方 法适用范围广，易于实现数据共享， 因此，得到了广泛的应用。

在基于特征的设计过程中，特征 已经融通在设计过程中，因此，在特征中含有的几何的、拓扑的和语义的信息保持在产品模 型中。由此，尽管在

如图5-10所示，利用特征进行零件设计，预先将

后续安排的加工和过程计划系统中仍需进行特征识别，却不需唯一地通 过建模器内部的数据结构实现，而是可以在特征数据库中实施。只要数据库保证必要的一致 性，通过特征的支持帮助，设计人员可以得到远比在一种简单的几何和拓扑确定时更多的建 模自由空间。基于特征的设计更多的是通过设计模型的一致性来支持设计人

139

员，通过与特征 联系的语义可以确定信息、文件功能的关系并存储在计算机内部，并可以在进一步的处理系 统中得到利用，使设计人员有更多的使用空间及给出严格的格式化工作方式。

采用特征时的一个关系重大的问题是在每种情况下的特征干扰问题，它可能产生不合适 数据结构的后果，导致模型的不—致性。这个问题一般可以通过对相应规范和强制条件的动 态审查来避免。如果违反了建模时的规范，就会产生一个与相应的问题处理有关联的通告， 把强制性条件直接分配给特征，这样就可以对每项措施进行检验。然而，执行这样的算法和 设计所必需的规范是困难的，至今尚没有完整实现上述功能的商用系统，这是在产品和过程 建模模型系统方面需要加强研究的课题。

(5) 基于特征的参数化建模 基于特征的参数化建模是将特征造型技术与参数化技术有机地结合起来，实

现对多种设 计方式 (自顶向下或自底而上等 )和设计形式 (初始设计、 相似设计和变异设计等 )的支持的一种 建模方法。

基于特征的参数化建模主要过程如下：

1) 基于约束的特征描述； 2) 特征结构图元参数化建模； 3) 特征之间的约束建模。

基于特征的参数化设计过程中，最主要的是基于约束的特征描述，主要包括以下内容：

1) 将产品描述为几何形状特征的集合；

2) 将形状特征分解为具有一定几何体素的特征结构图元，结构图元一般可以是由线段、 圆、圆弧、样条

曲线等组成的特征框模型；

3) 根据几何体素及位置关系进行分析结构图元的几何构成及其位置。

在 CAD 参数化设计系统中，产品的主特征和辅助特征均要实现参数化，特征结构图元 参数化一般为—个主特征和部分辅助特征参数化。参数化定义过程可以描述如下：

1) 首先选择并创建结构特征的几何体素，使用参数完整表达几何形状的结构模型； 2) 指定足够的测量实体，如组成实体的点、线、圆弧、倒角等测量基准； 3) 建立定形尺寸，即各个标注的尺寸单元；

4) 建立定位尺寸，以定位点为基准，确定各个特征点的对应位置； 5) 确定尺寸约束和位置约束，建立约束方程，并对约束方程进行求解。

针对某一类产品的部分辅助特征还应单独定义，如轴类零件，其中的键槽、中心孔就应 作为辅助特征单独定义，以满足特殊主特征的需要。辅助特征实现参数化主要是将辅助特征 用计算方程和逻辑方程表达，参数可以是逻辑谓词或计算关系式的变量。

在设计过程中，特征之间的约束建模主要包括下列三个方面：

1) 针对不同类型的产品，建立产品的形状特征分解简图；

2) 分析构成此类产品的各个特征之间的拓扑结构关系，并用二叉树表示特征模型之间的 拓扑结构关系； 3) 分析构成此类产品的各个特征之间的约束关系，显式地指定以完全满足产品建模所需

确定的约束，这些约束主要是特征的空间位置关系、公差、装配结构等几何约束。

(6) 环境建模 虚拟环境是虚拟现实系统的核心，是虚拟现实系统人机交互的交互环境。虚拟环境的创 建

包括实景虚化与虚景实化两个方面。实景虚化是将现实世界的感知信息映射到计算机 的数字空间生成相应的虚拟世界，主要包括虚拟景物模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉 跟踪等关键技术，这些技术使得真实感虚拟环境生成、虚拟环境对用户实时交互信息的检测 与获取成为可能；虚景实化是通过各种高性能计算和仿真

140

技术使计算机生成的虚拟环境中的 景物或客体能够产生各种逼真的感官刺激，并以尽可能自然的方式反馈给用户，主要包括具 有真实感的视觉感知、听觉感知、力觉和触觉感知等技术，例如 HMD 、立体眼镜、大屏幕 投影等立体显示技术，三维立体声音技术，力反馈手套、力反馈操纵杆等。

当前的虚拟环境建模方法一般分为以下三类：

1)基于几何 造型 (Geometry-based VE) 基于几何造 型方法 通常 利用 造型软 件(如 3DSMAX 、AutoCAD 等 )手工搭建模型；或者通过对三维物体表面直接测量，获得离散的三 维数据，然后将这些三维数

据进行三角剖分，得到景物的多边形描述。虚拟环境由各类三维 几何体合成，在虚拟环境中漫游是根据观察点及其观察方向通过实时计算、实时绘制三维几 何体来实现的。

2)基于图像绘制 (Image-based VE) 基于图像绘制方法利用全景图集合来构建虚拟环境， 在虚拟环境中

漫游相当于选择不同的全景图。全景图可用计算机生成，也可用全景相机拍摄 或用普通相机拍摄后再加以镶嵌。这种方法制作简单，场景逼真自然，能实时地显示构建的 环境。

3) 基于几何造型和图像绘制的混合方法 (Hybrid VE) 这种方法通过组合上述两种建模

方法的优点而开发出更为优化的虚拟环境。混合方法利用基于图像绘制的虚拟环境建模的快 速、低价、方便的优点，营造主体场景，在此基础上能融合计算机绘制的几何三维模型，实 现互动式交互。

5.2.2 基于知识的虚拟设计

虚拟设计必须是根据产品与零件的功能、 强度、刚度、稳定性、 疲劳和动平衡等的设计， 决定产品零部件的结构、造型和尺寸，即基于知识的虚拟设计。反之，只有基于知识的虚拟 设计才能符合真实制造的要求，能更深入地发展虚拟设计技术，使虚拟制造各阶段的数据相 互关联、继承、可重用和共享。为此，必须建立合适的设计系统模型。

基于知识的虚拟设计过程中要用到各种标准和准则，设计时要用到各种材料参数、图表 集等制作成基础数据库， 以便设计时进行调用。 每个零件的模型实际上是一个小的专家系统， 根据不同零件设计要求，其结果是形成反映零件的尺寸、特征、形状、功能、行为、意图等 属性的数据，其特征包括方位特征、形状特征、精度特征和技术管理特征等。图 型的结构。

5-11 为元模

(1) 元模型及基于知识的元模型建模

1) 元模型的结构 产品设计的元模型为系统的基础层，对应机械零件的模型。区别于 般 CAD 的直接几

何造型方法，元模型的建模是先采用人工设计零件时的标准化设计方法， 应用理论计算、经验公式、循环修改、有限元法、边界元法、分布参数、实验推理等知识， 对零件进行强度、刚度、疲劳、稳定、动平衡等设计，从而确定零件的材料、几何形状特征

和尺寸数据，然后用计算出的数据选择合适的计算机坐标，利用图形学的不同算法，如多边 形的顶点法、各种曲面曲线的样条法、

OpenGL函数库法等形成零件的几何造型，并加适当

的光照，使实际尺寸与计算机坐标尺寸有一个映射，再根据材料参数进行表面纹理映射和渲 染，从而得到零件在计算机上的元模型。

141

2)元模型的建模 一个基于知识的元模型的建模可由

EDA (Pn,De,En, , ,T)来描

述，其中，Pn为零件类的名称符号集合， 巳{NI,N2,L ,Nn}，例如可设齿轮类为 Ni集合,

轴类为N2集合等，Ni m，n2，L ,nk表示零件子类集合；T是受力分析，其结果是得到所 设计零件的载荷

P , PR ;

为输入集，

{ 1, 2,L , k} , i是设计过程中所需的常

De为设计种类的

数，如标准参数、经验参数、材料参数、工作环境等数据和图表参数等；

集合，De {MI,M2,L ,Mm}，这里Mi是某种设计，可以为空，即有些零件的设计不是每 种设计都要求的，但不

全为空，例如假定

Mj为强度设计，M2为刚度设计，M3为疲劳设计

等，Mj可表示为 Mj m2丄，g , mi又是某种设计的不同公式或不同对应规律

形状、尺寸、功能、行为、

mi(p,)。通过mi,m2,L , mn个设计，可求出某零件的一组特征、

142

意图等参数；En是元模型，即En （Ui,U2丄，山）,U.为元模型的各种属性，由一些几何

物理特征参数、材质、光照等来描述；

为状态转移函数，也就是一个映射 :pn De En。

（2）机构模型及建模方法 1）机构模型的结构

机构模型的结构见图5-12。对于机构的虚拟设计，要将现有的实际

机构分类分级，不同机构可能有不同的类、级、层，然后由零件构造机构，又由子机构构造 父机构，在此基础上构造机构模型的结构。机构模型呈树形，元模型作为叶节点，机构模型 要调用零件元模型的数据，父机构要用到子机构模型的数据，再上层的爷节点调用父节点的 数据，依此类推，一直到一个的部件或产品的部分为止，而且各层机构模型中要有 一个机构专家系统模块， 以便对各层机构的组成、 功能及机理进行映射。 这样分解机构模型, 即可使机构机理清晰，又能降低建模难度。

2）机构模型的建 模方法产品设计通 常是多人在计算机网 络上同时进行的，为 此，机构模型可采用 Age nt系统的方法建 模，每一个机构可以 成为一个 Age nt，— 个大的Age nt包含多 个小的Age nt。多 Age nt系统正好满足 机构模型中的多

个子 机构组成一个父机构 的模式，不同粒度的 Age nt恰好能表明机 构的不同层次。在设 计时，不同设计人员可分别基于

从而形成多Age nt系统。机构虚拟设计的基本

色分工列表和通信管理模块组成，见

图 感知器是Age nt接受外部世界

信息的感觉通道，可以感知其它

Age nt结构由感知器、效应器、任务求解、角

Internet/Intranet作为同一或不同 Agent同时进行机构设计,

5-13。

Age nt已成功设计的机构对本机构 设计的影

响。通信管理模块实际上 是一个通信控制器，负责与其它

Age nt进行交互的机制或协议，还 可调用外

部元模型库中的元模型， 它包括用来具体控制消息传递的消 息门和对消息内容进行的解释器。

图5-13机构模型的基本 Agent结构

143

角色列表是本Age nt在系统中所承担的任务列表，并将任务定义成可求解的具体冋题。任务 求解模块是Age

nt的基于知识的设计核心部分，将从任务列表模块中传来的问题分别或同时 指定给推理引擎和核心算法，推理

引擎是利用元模型库、机构组成专家知识库和数据库等进 行设计求解；核心算法主要依赖载荷分析和数据库进行强度、刚度等设计求解，任务求解主 要包括求解管理、推理引擎/核心算法、数据库、知识库及其管理系统，此知识库包括机构设 计时所用到的多种专家系统，如某层机构的组成、功能及机理等。效应器是本 Age

nt影响或

改变其它Age nt及环境的界面，完成的设计任务由它输出给系统并被其它

Age nt所感知。

（3）产品模型及建模方法 1）产品模型的结构

产品模型可能是多个模型的集合，应根据不同类型产品建立不同类

型的模型集合，即要进行集成化建模。产品模型应是产品最高一个层次的模型，其结构见图

5-14。

般情况下，将整个系统按不同功能的不同性质划分为几大模块

法），如机电 产品模型的 结构有动力 模块、电气 及控制模 块、传动变 速模块、执 行模块等， 然后再根据 产品不同功 能目的，为其建立产品的各方面性能的虚拟仿真模型；在各部件模型基础上，继承、归纳、 综合、抽象、提炼各机构部

图5- 14产品模型结构

（不同于机构的划分方

件模型的信息而形成产品的装配模型，从而形成集成化的产品模 型。

考虑到集成化的产品模型的多目的虚拟仿真、虚拟装配要求，即每一模型可以完成某一 或多个仿真的目的，其中有可能包含面向结构的、面向几何的、面向特征的及面向知识的产 品模型。对于具体仿真模型来说，它可能是连续的，也可能是离散的，可能是时变的，也可 能是时不变的，基于不同目的仿真算法要根据具体情况来定，但总体上产品模型与元模型和 机构模型不同，它侧重的是基于产品各方面性能的仿真模型。

2）产品模型的建模 集成化产品模型中各模型的数据传输、交换和共享是极为重要的，

它本身也是建模的一部分。为实现集成化产品建模，一种重要方法是使用 ISO的产品数据交

换标准一一STEP,STEP标准定义了一种中性的格式，用于产品数据的表达与交换。 使用STEP 标准可在产品生命周期中实现所有与产品相关的数据的完整表达，

设S MI,M2,L ,Mn,D为集成化的模型，其中，

因此，它适合于集成建模。

D为基于特征的产品虚拟装配模

Mi为基于某一目的的仿真模型,

型，M「M2丄,Mn为基于不同目的的仿真模型，

Mi = Mi{F1,F2,L ,Fs,t,

} , F为基于知识的仿真表达式，t为仿真时间，

1, 2,L k 为仿真参数集，若 F F1,F2,L ,Fs ， F M i，由此n个仿真模

型，得到n组动态模型数据，通过t触发和推进仿真进程。每个性能仿真模型的数据格式都 采用 STEP 标准，在产品层面上，由系统开发者根据开发目标，对产品特征、性能仿真的需

144

要进行基于不同目的信息建模和集成，参照 STEP应用协议AP214，建立面向并行工程应用

的特征信息模型， 用 Express 表达， 该模型经 Express2expg 处理后， 可以转换成 Express-G 的 图形化模型，以便于虚拟现实的可视化。

装配模型 D 可用基于约束的层次方法建模。 若干个元模型组成机构模型， 若干机构模型 组成产品的部件模型集，部件模型再构成整个产品的装配树模型。根节点为产品，中间节点 是部件和机构，叶节点是元模型。

5.3 虚拟设计软件

完整意义上的虚拟环境由硬件、软件和用户界面三个部分组成。如果把虚拟环境的硬件 部分看作其肢体，则虚拟现实环境的软件控制部分就是其大脑。

(1) 语言类软件

语言类软件如 VRML 、Fortran、C＋＋、 Java、OpenGL 等都可以作为开发应用程序的语 言工具。下面主要介绍 VRML 。

虚拟现实造型语言 VRML(Virtual Reality Modeling Language) 是描述 3D 虚拟场景的一种 标准，利用它可以在 Internet 上建立交互式的三维多媒体的境界。虚拟现实造型语言定义了 三维应用系统中常用的语言描述，如层次变换、光源、试点、几何、动画、雾、材料特性和 纹理映射等，并具有简单的行为特征描述功能。

VRML 的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维场景、多媒体集成、逼真自然

等，被称为“第二代 WEB ”，其应用范围相当广泛。 VRML技术诞生于1994年，1997年 VRML2.0 成为第一个在网页上发布的 ISO 国际标准 (ISO/IECl4772) 。发展至今， VRML 已经 有了不少成功的案例。例如在美国火星探测器的行动中，人们用

VRML 实现了该探测器的

3D 动画现实，从而使无数人得以在网上观察这—探险过程。

VRML 的作用就是用来创建 VRML 虚拟现实场景， 它把“虚拟世界” 看成一个“场景”， 而场景中

的一切都看成 “对象” (也就是一个 “节点” )，对每一个对象的描述就构成了 VRML 文件。 VRML 的目的主要是为了在网页中实现三维动画效果及其与三维对象的交互，应用

VRML 动态显示的功能如能够实现虚拟设计中的动态仿真，应用 VRML 具有交互性的功能 可实现用户参与的

虚拟设计。

VRML 本质上是一种用于造型的脚本语言，与目前比较成熟的造型软件如 AutoCAD 、

3D Studio MAX 等相比，其最大特色是实时渲染。使用已有的造型软件可以制作出效果极为 丰富的三维效

果，但不能实时渲染和实时交互，只能预渲染后，以一种旁观者的身份观看渲 染效果，而不能以参与者的身份参与到虚拟环境中。

VRML 文件的基本单元是节点， 每个节点都可以有五个方面的特征， 即名字、 类型、域、 事件、实

现。

1) 节点的命名是通过 DEF 语句来实现的，节点命名后可通过 USE 语句引用，达到共享 的目的。 2) 每个节点都属于某个类型， VRML2.0 共定义了 种基本节点类型，同时用户还可通

过 PROTO 和 EXTERN-PROTO 来定义自己的节点类型。

3) 各种类型的节点都可能包含一套可以接收和发送的事件，事件又分为入事件 (eventIn) 和出事件

(eventOut),节点利用出事件报告自身的状态变化，

而入事件将导致节点状态的改变。

VRML通过ROUTO语句把事件入口联系起来， 构成事件体系。如口： ROUTO TouchBox isActive To Viewpoint set-bind 就是把接触检测器节点 TouchBox 的事件出口 isActive 连结到视点节点 Viewpoint 的事

145

件入口 set-bind。

4) 节点的实现包括如下的内容：

① 节点在虚拟世界中展现给浏览者的视觉外观和听觉外观； ② 对接收到的入事件做何反映，以及如何产生出事件。

除此之外， VRML 节点之间的层次关系是用编组节点把一组节点组织起来，通过节点定 义的特定域包含特定的节点，也就是说节点类型定义的域可以引用特定的节点。而在

定义了 8 个组节点，每个组节点都有一个 children 域，它又可以包含一组子节点。例如：

VRML

#VRMLV2.0utf8 Group{ Children{ Shape{ Appearance{

Material{diffuseColor1 0 0}

}

#组节点 #组节点的子域

#Shape节点为children引用的节点

geometryBox{}

} }

}

在这个场景中，一个红色的立方体将位于屏幕的中心， Material 节点的漫反射域

0〜1

diffuseColor中的1、0、0依次表示红、绿、蓝的当前取值(红、绿、蓝可根据需要在

取值)。

虚拟现实作为一种全新的人——机接口技术，必须研究用户和计算机之间的协调关系问 题，这样一个问题只有通过大量的使用才能逐步解决， VRML 以因特网作为应用平台，最有 希望成为构筑虚拟现实应用的基本构架。 VRML 在电子商务、 教育、 工程技术、 建筑、 娱乐、 艺术等领域的广泛应用，将会促使它迅速发展，并成构建虚拟现实应用系统的基础。

将创造一种融多媒体、三维图形、网络通讯、虚拟现实为一体的新型媒体，兼具先进性和普 及性。

VRML

(2) 建模软件

建模软件有 AutoCAD 、SolidWorks、Catia、Pro/Engineer 等。现有 3D 建模软件，一般是基 于ACIS或Parasolid实体建模功能建立几何模型， 或是生成经裁剪和非经裁剪的 NURBS IGES 曲面。

应用 3D 建模软件生成的模型具有以下特性：

1) 准确性 因为三维模型都是基于现有模型数据生成的；

2) 真形性 正因为其准确，故而模型与真实模型具有几何拓扑结构相似性，也就产生出

146

视觉效果的外形真形性；

3) 工程属性 工程属性是CAD模型的固有属性，CAD模型的几何造型同于真实模型， 本身也具有物理

属性，如质量、材质、转动惯量、一定的刚性和柔性；

4) 数据的一致性 通常CAD建模软件提供标准的接口，可以令该软件和其它相关软件无

缝连接，有效实现 CAD、CAM、CAE的集成和统一。

AutoCAD技术利用计算机运算速度快、计算精度高、存储信息量大和逻辑推理能力强等

优点，优化设计产品，缩短产品设计周期，降低产品设计成本，使工程师们从繁重的体力劳 动中出来，大大提高了设计效率，最大限度地发挥设计人员的创造性和经验。

AutoCAD是通用的CAD系统软件，是事实上的通用图形平台。 AutoCAD是一个开放环 境，它能让

用户根据需要定制许多功能。

体中获取点的能力使所建模型十分精确。 语言，作为一个静态设计软件，

AutoCAD建模用键盘输入坐标、位移、角度、从物

它具有强大的三维造型能力和强化的

AutoLisp编程

AutoCAD无疑是一个极佳的通用图形平台。

AutoCAD不能用于三维动态领域， Autodesk公司另一产品3D StudioMax填补了这个空 白。3D StudioMax是一个优秀的三维建模及动画编辑、 制作软件。它可将编剧、导演、灯光、 摄影、合成等动画的

专业工作集成到计算机上完成。 建模方面不精确。

尽管3D StudioMax功能很强大，但它在

AutoCAD的有利特点之一是它能与 3D StudioMax的坐标系统兼容。两个程序的坐标系 统兼容，在加

载或合并时DXF输出能位于同一位置。这样就能让

AutoCAD模型改进、改

版并将它结合到 3D StudioMax模型中。AutoCAD是精确的建模软件，主要用于设计各种复

杂的几何图形；3D StudioMax是功能强大的建模程序，它能让用户方便地建立各种图形并将 其形成动画，构成虚拟现实效果。

在信息时代，随着数字技术的发展，机械产品的 设计正逐步由传统二维设计逐步向三维造型设计发 展。将机械设计分解成若干个子模块，在基于

PC机

的windows环境下，先用 AutoCAD对每个子模进行 精确的三维建模，再将三维模型导入到 3D StudioMax 中进行定位装配、虚拟动态设计，最后经过适当调整 而得到所需的二维视图，从而完成机械产品的设计， 设计流程图见图5-15所示。

其它 3D 设计软件，如 Catia、Solidworks、UG、

Pro/E等进行产品开发设计的主要优点在于能够实时 地评价零部件

的结构工艺性、可装配性和可制造性等。 由于3D设计软件一般都采用基于特征的参数化造型

方法，因此，特别容易对三维虚拟实体零部件的结构特征进行修改，

以满足可装配性、可制 造性等方面的要求；利用装配技术，得到三维虚拟样机，通过运动仿真和干涉检验、修改和 完善设计方案；一些 3D软件提供了基于 Web的数据共享技术和直接转换成 的接口，使CAD/CAM/CAE 甚至CAPP等能够集成在一个平台上。

CAM/CAE数据

(3) 应用类软件

应用类软件有基于多刚体动力学理论的

ADAMS、VisualNastran和基于有限元理论的分

析软件NASTRAN、ANSYS等，以下主要介绍 ADAMS。

机械系统自动动力仿真程序 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) 采用模拟样机技术，将强大的大位移、非线性分析求解功能与使用方便的用户界面相平衡， 并提供与其它

147

CAE 软件，如控制分析软件 MatriXx 、有限元分析软件 ANSYS 等的集成模块 扩展设计手段。 ADAMS 是

世界范围内广泛使用的机械系统仿真分析软件，在汽车、航天等 领域有着广泛的应用。

ADAMS 包括近 20 个功能各异的模块， 其中 ADAMS/Solver （求解器） 与 ADAMS/View （图形

建模模块）是核心模块，它们如同人体的心脏及外表一样以最友好的交互处理界面， 担负着最关键的求解分析职责，其它诸模块分别是基于这两核心模块之上不同领域中专业化 的建模、 仿真求解工具， 如行业化模块有

ADAMS/Car （轿车分析模块） 、ADAMS/Driver （驾 驶员分析模块） 、 ADAMS/Tire （轮胎仿真分析模

块） 、 ADAMS/Rail （铁路分析模块） 、 ADAMS/Engine （引擎分析模块）等；功能化模块有

ADAMS/Pre （前处理模块）、ADAMS/Insight （实验设计模块） 、ADAMS/Hy-draulics （ 液压分析模

块） 、ADAMS/Flex （柔体仿真分析模块） 、 ADAMS/Controls （控制分析模块）等。

总的来说 ADAMS 将完成如下功能：

1） 实时模拟功能 以最低的成本、尽可能高的精度、较好的准确性完成费用高昂的物理样机所能完成的

功

能，即对所研究的系统进行实时的动态检测。

ADAMS 的动态检测相对于一般静态检测的明显优势在于，它能动态地测量信号在某一 时刻的大小，从

而有利于分析信号发生的规律，同时，动态测量是以信号的不失真复现作为 基础，重点研究测试系统的动态响应、信号的不失真传递、噪声的耦合和消除等等与信号有 关的一系列问题。 动态检测数据可以包括有关动力学、 运动学、 静态与动态性能的所有问题， 如速度、加速度、力响应、效率、能量等极其丰富的内容。

2） 建立对系统的“透视”与“听觉”能力 物理样机的致命缺陷是封装信息，也就是说在现实系统中，

很多情况下难以运用理想的

方式来测试其工作情况或局部信息， 而由 ADAMS 所建立的虚拟样机仿真系统能给机械设备 进行任意时间任意位置的行为 “透视”，从而建立现实物理样机根本无法获得的系统分析的第 一手数据。

近代信号处理技术的快速发展为 ADAMS 提供了进一步冲浪的空间。当仿真完成之后再 利用 ADAMS 可对数据做出相应的信号处理，常用的策略是频谱分析及数据滤波处理，这一 方法在信号分析技术中已成为一个重要的手段，并成为“倾听”系统振动、噪音、排除“白 噪声”影响的首选方案；另一措施是根据输入 输出关系确定传递函数，从而总体描述系统的 整体行为特征，为用户建立系统档案。

/

3） 系统“病情诊断”及优化 从系统工程角度来讲，任何工程信号的提取，如果只停留在查看系统的工作

状况而不进

行诊断与优化，那么所有的工作将变的毫无实际意义。 ADAMS 仿真可以增设传感器、模拟 系统的故障状态、 提供故障仿真信息从而帮助用户建立系统 “病历档案” ，以此预先确定系统 在发生故障时的行为特征，最后运用故障诊断的逆推理机制进行故障预测与故障定位。

对于系统的优化更充分显示了高速计算机与 ADAMS 系统相结合的魅力。 在 ADAMS 中 用户可以直观地看到不同的参数（如几何参数、驱动力矩、约束副的位置及系统的初始状态 等）对目标函数（系统某种综合性能指标，如重量）影响的大小，并把这种影响定量化，从

148

而为精确确定参数的优化方案奠定了坚实的基础，最终完成各影响因素与目标之间的最佳组 合。

4） 广告、宣传及项目竞选的攻关能力

逼真的实体与接近现实的背景画面以及准确而直观的行为动作，再配上极有说服力的数 据图表、一组动画、一副图像就能传递所有的将要表达的信息一一无需语言，企业产品就能 够跨越虚拟与现时的界限，这是很好的宣传与攻关策略，而

ADAMS可提供这一表现手段。

5） 友好的接口

ADAMS 可通过相应接口与 CATIA、UG、PRO/E、ANSYS 等优秀的 CAD/CAE/CAM 工

具联合使用，使它的功能从多体动力学分析直接扩展到在可变实验条件下对柔体、流体等的 仿真。

总之，ADAMS结合了各领域丰富的实践经验，融合了信息技术、仿真技术、计算机技 术等高新技术，借助于高速计算机与机械系统运动学、动力学、弹塑性力学、系统工程学、

计算机仿真等相关科学技术，从而构造出的一个能模拟现实系统的虚拟样机的建造与 CAE/CAM全真仿真分析环境。

ADAMS用刚体i的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角

（或广义欧拉角）作为广义坐

标，即q [x, y, z, , , ]Ti，q [qT,L ,qnT]T。由于采用了不的广义坐标，系统动 力学方程是最大数量但却高度稀疏耦合的微分代数方程，适于用稀疏矩阵的方法高效求解。

ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程

（矩阵形式）：

r d

-（T/ q）T （ T/ q）T T 百 Q dt * （q,t） 0 （完整约束方程）

B

I

（

(5-1)

，q，t） 0

（非完整约束方程）

式中T ――系统功能；

q ――系统广义坐标列阵；

Q ――广义力列阵；

――对应于完整约束的拉氏乘子列阵； ——对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。

重新改写式（5-1 ）成更一般形式为

F q,u,u, ,t 0 [G u,q u q 0

I q,t 0

式中q ――广义坐标列阵；

(5-2)

u ――广义速度列阵；

——约束反力及作用力列阵；

F ――系统动力学微分方程及用户定义的微分方程

整约束方程）；

149

（如用于控制的微分方程、非完

G ――系统运动学微分方程；

描述约束的代数方程列阵。

如定义系统的状态矢量 y [qT,uT, T]T ，式( 5-2)可写成单一矩阵方程。

g y,y,t 0

在进行动力学分析时， ADAMS 采用下列两种算法：

1)提供三种功能强大的变阶、 变步长积分求解程序， 即 GSTIFF 积分器、 DSTIFF 积分器 和 BDF

积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程。这种方法适于模拟刚性系统 变化范围大的系统 )。

( 特征值

2) 提供 ABAM(Adams-Bashforthand Adams-Moulton) 积分求解程序，采用坐标分离算法， 来求解

坐标的微分方程。这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。

(4) 图像编辑软件

图像编辑软件有 Adobe Photoshop、Paint Shop ProPhortoimpact等。从本质上而言，图像 编辑软件共分为标量图和矢量图两类。

应用图像编辑软件所编辑的二维图像，形成虚拟环境中景物的表面纹理、图片等，使虚 拟环境更加形象生动，同时利用图像和图形相结合的技术，增加系统实时渲染速度。

(5) 虚拟环境化软件 帮助用户创造虚拟环境的通用和商业化软件，可以帮助用户节约开发时间，减少建

模成 本。常用软件如 WorldToolKit TM(WTKTM)、World UP、World To World 、Mock UP、Product

View Safe Work VRT 等。这类软件通常有三个功能：构造虚拟环境、创建树状结构的虚拟世界、 模拟虚拟

世界的物理行为。

5.4 虚拟设计实例

举一个虚拟设计的实例： 往复活塞式内燃机的曲轴系是由曲轴及连于其上的活塞、

连杆、

飞轮等构件组成的，其动力学分析主要包括各构件的运动与受力分析、发动机的平衡性分析 以及曲轴系的扭振分析等内容。作用于系统上的力来自两个方面，一是气缸内的气体爆发压 力，二是运动质量产生的惯性力，它们会对机体产生作用力和力矩。由于这些力和力矩是不 可能完全平衡的，就会造成发动机及其支架的振动，导致紧固件松动，个别零件过载损坏， 噪音增大，车辆乘员疲劳等不良后果。因此有必要在发动机设计阶段进行平衡性分析和曲轴 系的振动分析，为设计选型和具体的结构设计提供依据。运用机械系统仿真软件

ADAMS通

过建立包括活塞、连杆、曲轴、飞轮在内的整个曲轴系的多体系统动力学模型，不仅可以计 算出各构件的运动规律和构件间的作用力，还可以进一步进行平衡性分析和振动分析。

(1) 发动机曲轴系的建模方法

根据分析的具体内容不同，发动机曲轴系可以建为不同的模型。对于平衡性分析而言， 由于考虑的是运动构件惯性力的平衡，可采用多刚体系统模型计算，刚体的质量、质心位置 及惯性矩可利用 CAD软件(如

Pro/E )建立其精确实体模型后分析得到。

而要分析曲轴系的振动，则需要将曲轴建为柔性体。曲轴柔性体的建模也可以采用不同 的方法。一种方法是根据传统的将曲轴系简化为盘轴系统的思想，将曲轴划分为由自由端、 曲柄段、主轴颈段和尾段等若干刚性段组成的系统，每段之间采用弹性联接，其刚度就是被 连接两轴段之间的刚度，刚度值可运用有限元分析得到。另一种是采用相对描述的方法，将 构件的运动分解为刚性整体的牵连运动和相对动参考系的变形运动两部分，其中变形运动采

150

用模态向量及相应的模态坐标来描述，即

Uf q

其中 [i 2L N]为模态向量矩阵，q q （t）为模态坐标，N为模态向量数。模态 分析可利用有限元分析软件来完成，通过生成模态中性文件（ 建立柔性体模型。

由此可以看出，发动机曲轴系的建 模综合使用了 CAD软件、有限元分析软件 和机械系统仿真软件，三者之间的数据传 递关系如图5-16所示。

系统中各构件间的约束视分析的问 题可采用理想约束，但在计算机体的支承 力时应计及支承刚度，即采用弹性支承。

作用于系统的外力主要是气体的爆 发压力，该力是曲轴转角的函数， 可根据 示功图得出，沿气缸轴向施加于活塞顶部。

（2）某型车辆 V型六缸发动机曲轴系的 多

体系统模型

图5-16 CAD软件、有限元分析软件 和系统动力学分析软件的数据流

.mnf文件）可直接输入 ADAMS

1）多刚体系统模型

该模型可用于计算系统中各构件的运动规律及构件间的相互作用力，进行平衡性分析。

图5-17就是某型车辆 V型六缸发动机曲轴系的多刚体系 统模型，其中活塞、连杆、曲轴等构件的质量、质心位置 及惯性矩是采用 Pro/E软件建立了相应零件的精确实体 模型后分析得到的。

2）含曲轴柔性体的多体系统模型

曲轴的柔性体是利用有限元分析软件 ANSYS寸曲轴 建立有限元模型，并进行模态分析计算出曲轴的前

20

阶模态之后，产生一个模态中性文件（.mnf文件）输入 ADAMS中建立的。在建立曲轴的有限元模型时，需要在 主轴颈与机体以及曲柄销与连杆相连的位置设置结点， 便在该处施加约束。图5-18就是在

以

图5-17 多刚体系统模型

ANSYS中建立的曲轴有限元模型。其它零件在系统中的作用只是传递气体爆发压力和由于运

动产生惯性力，建为刚体即可。将多刚体系统中的刚体曲轴换为柔性曲轴就得到多体系统模 型，如图5-19所示。

图5-18 曲轴的有限元模型 图5-19 含曲轴柔性体的多体系统模型

151

（3）分析结果

1）发动机的平衡性分析

采用多刚体系统模型，对曲轴施以速度为发动机额定转速的旋转运动激励，求得活塞、 连杆、曲柄等运动质量产生的惯性力在曲轴尾端（飞轮端）主轴颈中点处沿 曲轴轴向）的合力和合力矩如图

丫、Z方向（X为

5-20所示：

图5-20 惯性力系在曲轴尾端主轴颈中点处的合力

图 5-21 惯性力系在曲轴尾端主轴颈中点处的合力矩

由图5-21可以看出，该曲轴系的惯性力系在曲轴尾端主轴颈中点处的合力矩非常小, 接近于零，可以认为该惯性力系是通过该点的一个力。

2）曲轴的扭振分析

往复活塞式发动机各缸的工作是周期性的，气缸内的气体压力和活塞、连杆等运动质量 产生的惯性力传递到曲轴上，使曲轴承受着周期性交变载荷的作用。这个载荷可以分解为切 向力和径向力。切向力产生扭矩，带动发动机运转，不均匀的扭矩将引起曲轴的扭振。径向 力将使曲轴发生弯曲变形，产生弯曲振动。由于曲轴弯曲振动的自振频率相当高，其共振转 速比发动机常用转速高得多，因此在初步计算中可不予考虑。而扭振的自振频率一般较低， 往往会落在发动机的常用转速范围内，对其工作造成危害，因此必须对其进行分析。本文利 用某型车辆V型六缸发动机曲轴系的多体系统模型，计算得到发动机以其额定转速运行时自 由端产生的扭转变形。如图 5-22所示：

图5-22 曲轴自由端的扭转变形图

通过FFT变换后得到的频域响应如图 5-23所示:

由图5-23可以看出，由于该发动机的功率较大，曲轴的扭振响应较为强烈，在设计应 予以重视。

152

通过上面的例子可以看出，结合 CAD软件和有限元分析软件，运用 ADAM对发动机曲轴 系进行多体系统动力学分析，不仅可以计算出各构件的运动规律和构件间的作用力，还可以 进行平衡性、扭振等动力学分析；发动机曲轴系的多体系统动力学分析根据其内容的不同 可以建立不同的模型。

153