在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造和全生命周期管理中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模處于龍頭地位。所謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模重要性的真實(shí)寫照，對于復(fù)雜殼體而言更是如此。

　　復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期長，是燃油附件產(chǎn)品研制生產(chǎn)的一個(gè)老大難問題。深入研究和探索復(fù)雜殼體建模技術(shù)無疑具有緊迫的實(shí)際意義。

　　本文所討論的建模，是指三維實(shí)體幾何模型，不包含二維制圖的內(nèi)容。

　　1 模型質(zhì)量的基本要求

　　本文所指的復(fù)雜殼體，是指發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件中需要模具設(shè)計(jì)和數(shù)控加工的殼體類零件，它具有孔系特征多、鑄造表面形狀復(fù)雜的特點(diǎn)(圖1)。因此，對模型質(zhì)量的要求比一般簡單零件更嚴(yán)格。

　　圖1：典型殼體零件(局部)

　　復(fù)雜殼體模型質(zhì)量的基本要求：

　　·正確性：模型應(yīng)準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)意圖，對其內(nèi)容的技術(shù)要求理解不能有任何歧義。要確立“面向制造”的新的設(shè)計(jì)理念，充分考慮模具設(shè)計(jì)、工藝制造等下游用戶的應(yīng)用要求，做到與實(shí)際的加工過程基本匹配。

　　·相關(guān)性：應(yīng)用主模型原理和方法，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)化建模，正確體現(xiàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證產(chǎn)品信息在產(chǎn)品數(shù)據(jù)鏈中的正確傳遞。

　　·可編輯性：模型能編輯修改，整個(gè)建模過程可以回放(Playback)。模型可被重用和相互操作。重用性和相互操作性是由可編輯性派生出來的重要特性。

　　·可靠性：模型通過了UG的幾何質(zhì)量檢查，拓?fù)潢P(guān)系正確，實(shí)體嚴(yán)格交接，內(nèi)部無空洞，外部無細(xì)縫，無細(xì)小臺階。模型文件大小得到有效控制，模型沒含有多余的特征、空的組和其他過期的特征，總能在任何情況下正確的打開。

　　2 建模的思路和策略

　　設(shè)計(jì)意圖決定建模的思路和策略。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師應(yīng)首先十分清楚理解自己的設(shè)計(jì)意圖，不能在沒有統(tǒng)一規(guī)劃的情況下就盲目的急于建模。

　　一個(gè)比較清晰完整的設(shè)計(jì)意圖至少應(yīng)包括：

　　·殼體以及與之有關(guān)的零部件在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的功能和作用。

　　·殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形輪廓、表面形狀、定位孔(面)和主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　·模具設(shè)計(jì)的有關(guān)信息：模具類型、結(jié)構(gòu)、分型面、型芯、拔模角等。

　　·工藝設(shè)計(jì)的有關(guān)信息：工藝方案、工藝路線、工藝基準(zhǔn)、數(shù)控加工要求等。

　　·模型中特征的相互關(guān)系。

　　·模型潛在的改變區(qū)域，改變的幅度大小。

　　·模型被另一項(xiàng)目拷貝和修改的可能性。

　　當(dāng)明確了設(shè)計(jì)意圖以后，就需要建立整體的建模思路，依次是：

　　1) 進(jìn)行特征的分解：分析零件的形狀特點(diǎn)，然后把它隔離成幾個(gè)主要的特征區(qū)域，接著對每個(gè)區(qū)域再進(jìn)行粗線條分解，在腦子里形成一個(gè)總的建模思路以及一個(gè)粗略的特征圖。同時(shí)要辨別出難點(diǎn)和容易出問題的地方。

　　2) 基礎(chǔ)特征——根特征設(shè)計(jì)：確立建模的起點(diǎn)。在選定好設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通常情況下用草圖而不是用體素特征(UG的體素特征有長方體、圓柱、圓錐、球)作為模型的根特征。

　　3) 詳細(xì)設(shè)計(jì)：

　　先粗后細(xì)——先作粗略的形狀，再逐步細(xì)化;

　　先大后小——先作大尺寸形狀，再完成局部的細(xì)化;

　　先外后里——先作外表面形狀，再細(xì)化內(nèi)部形狀。

　　4)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)：最后進(jìn)行倒圓角、斜角、各類孔系，各類溝槽……UG軟件功能十分強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)同一功能往往有多種途徑和方法，可謂“條條大路通羅馬”。不同的命令選擇，雖然可能實(shí)現(xiàn)同一目的，其方法卻有優(yōu)劣之分，這就需要找出最合適的建模方法來。

　　·建模策略重點(diǎn)考慮的具體方面是：

　　1)如何選擇特征類型(成型特征、特征操作、草圖);

　　2)如何建立特征關(guān)系(尺寸、附著性、位置、時(shí)序);

　　3)定義草圖約束;

　　4)創(chuàng)建表達(dá)式。

　　3 建模的一般步驟

　　復(fù)雜殼體通常為測繪設(shè)計(jì)或改進(jìn)改型設(shè)計(jì)，建模的步驟一般是：

　　·梳理設(shè)計(jì)意圖，規(guī)劃特征框架。

　　·打開種子文件，搭建建模環(huán)境。

　　·確定零件的原點(diǎn)和方向。

　　·建立最初始的基準(zhǔn)。

　　·創(chuàng)建草圖作為建模的根特征。

　　·在特征創(chuàng)建過程中，優(yōu)先添加增加材料的特征，再添加減少材料的特征。

　　·按加工過程進(jìn)行特征操作。

　　·堅(jiān)持邊建模邊分析檢查的原則。進(jìn)行過程檢查的目的，是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)糾正，以免造成因問題累積而導(dǎo)致·養(yǎng)成邊建模邊保存的良好習(xí)慣，防止意外事故(如停電)而丟失數(shù)據(jù)。

　　·輸入部件屬性。

　　·創(chuàng)建引用集。

　　·清理模型數(shù)據(jù)。File →Utilities →Part Cleanup，可以刪除不用的對象、不用的表達(dá)式、“撤銷”數(shù)據(jù)和清理特征數(shù)據(jù)。

　　·進(jìn)行模型總體檢查，提交模型。

　　4 建模技術(shù)(一)：實(shí)現(xiàn)相關(guān)性的方法和技巧

　　在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，零件不單單是孤立的幾何元素設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)到制圖、數(shù)控加工、分析、裝配，都存在著相關(guān)性。相關(guān)性設(shè)計(jì)為我們提供了非常方便的修改產(chǎn)品的方法，減少了重復(fù)性工作，保持了信息的一致性，是UG三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)技術(shù)之一。相關(guān)性體現(xiàn)在：

　　·對象之間的相關(guān)性：例如，一條直線可能是一個(gè)實(shí)體的一條棱邊，一條曲線可能是一個(gè)曲面的一個(gè)邊界曲線。

　　·繪圖對象與幾何或位置的相關(guān)性：在制圖中，有視圖、尺寸、符號等，這些對象與模型中的幾何是相關(guān)的，例如尺寸與模型中的幾何相關(guān)，幾何模型的修改使得尺寸可以自動(dòng)刷新;制圖對象與位置相關(guān)，例如文字說明、剖面線符號等與視圖位置相關(guān)，當(dāng)視圖位置移動(dòng)時(shí)，這些對象隨之移動(dòng)。

　　·對象與零件或視圖的相關(guān)性：對象是模型的一部分，或者與一個(gè)視圖有關(guān)。

　　·非幾何信息與零件的相關(guān)性：例如可以把屬性與零件、對象相關(guān)，如一個(gè)零件的材料、規(guī)格等信息作為屬性連接到零件上。

　　·零件與零件之間特征的相關(guān)性：一個(gè)零件的某個(gè)特征尺寸與另一個(gè)零件的特征尺寸具有相關(guān)性，例如一個(gè)銷釘?shù)闹睆脚c一個(gè)銷孔的直徑保持相關(guān)，當(dāng)孔的直徑改變，銷釘?shù)闹睆诫S之跟著變化。

　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模的目標(biāo)，是應(yīng)用UG主模型原理和方法，創(chuàng)建一個(gè)參數(shù)化的具有相關(guān)性和可編輯性的模型。

　　參數(shù)化與相關(guān)性密不可分，相關(guān)性是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的基本技術(shù)和條件。從本質(zhì)上來理解，相關(guān)性有兩個(gè)層次：設(shè)計(jì)意圖的相關(guān)性與UG軟件使用技術(shù)的相關(guān)性。

　　UG軟件能實(shí)現(xiàn)單一零件內(nèi)部的相關(guān)，也能實(shí)現(xiàn)部件間的相關(guān)(用Wave技術(shù))。本文不討論部件間的相關(guān)性。而部件內(nèi)部的相關(guān)性，可以用表達(dá)式的相互引用、草圖的幾何約束、特征的定位等許多技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　1)曲線(Curve)的相關(guān)性

　　·注意曲線(Curve)與曲線操作(Curve Operation)命令的區(qū)別。

　　一般的曲線相互之間不具有相關(guān)性，只有用曲線操作 →偏置(Offset)、投射(Project)、連接(Join)、交線(Intersect)、纏繞(Wrap)命令生成的曲線和添加抽取的曲線至草圖、偏置抽取的曲線才具有相關(guān)性。但必須記住在其對話框里將“關(guān)聯(lián)輸出”(一般為“Associative Output” )選項(xiàng)設(shè)置為ON。

　　·盡量不使用沒有相關(guān)性的曲線。

　　·不要用Edit →Transform(變換)，而要用Feature Operation(特征操作)→Instance(引用)。

　　·不要用Curve Operation →Extract(抽取)→Edge Curve(邊界曲線)，而要用Form Feature(成形特征)→Extract(抽取)→Curve(曲線)。

　　·通過Curve →Plane(平面)生成的平面對象，不保持與其他對象的相關(guān)性。原則上，應(yīng)在使用平面對象的場合使用相對基準(zhǔn)面代替。鼓勵(lì)使用與已有的相關(guān)面，如偏置的面來達(dá)到目的。

　　2)草圖(Sketch)

　　草圖是可以用于創(chuàng)建關(guān)聯(lián)到部件的二維輪廓特征的工具，是參數(shù)化建模的核心基礎(chǔ)。草圖具有自相關(guān)性，也與任何一個(gè)從它上面創(chuàng)建的特征相關(guān)。

　　·草圖應(yīng)用的場合

　　- 通常情況下，復(fù)雜殼體建模的根特征使用草圖。

　　- 對于復(fù)雜的幾何形狀，應(yīng)使用草圖，不要用一系列特征去綜合實(shí)現(xiàn)它。

　　- 不要用草圖建立鍵槽、退刀槽、倒圓、倒角等，應(yīng)在隨后的體上附加這些特征。

　　- 不要用草圖創(chuàng)建油路孔。

　　- 不要用草圖去生成螺紋表面，否則創(chuàng)建螺紋時(shí)會(huì)遇見麻煩。用草圖特征拉伸的圓柱體不能用螺紋表單提供的默認(rèn)Metric，因?yàn)槔祗w與旋轉(zhuǎn)體基于不同的數(shù)學(xué)模型(公式)。

　　·草圖的工作平面

　　作為根特征的草圖，其工作平面應(yīng)放在預(yù)先定義的基準(zhǔn)上，最好是種子文件的基準(zhǔn)上。其他草圖的工作平面根據(jù)設(shè)計(jì)意圖而定。

　　·草圖的定位

　　創(chuàng)建草圖時(shí)，先建立主要的幾何對象，并立即進(jìn)行草圖的定位。定位時(shí)，注意目標(biāo)對象不能是本草圖中的草圖對象。

　　·草圖的約束

　　○ 草圖約束追求的理想目標(biāo)，是完整表達(dá)設(shè)計(jì)者意圖，并可進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。

　　○ 草圖要進(jìn)行全約束。

　　○ 對于比較復(fù)雜的草圖，盡量“避免構(gòu)造完所有的曲線然后再加約束”，這會(huì)增加全約束的難度。

　　○ 草圖應(yīng)先進(jìn)行幾何約束，再進(jìn)行尺寸約束。

　　○ 一般不用修剪(Trim)操作，而是在創(chuàng)建期間用線串方法(Curve String)，或在修訂期間用同心(Concentric)、點(diǎn)在線上(Point On Curve )等約束來代替。

　　3)表達(dá)式

　　表達(dá)式是一個(gè)功能強(qiáng)大的工具，可以使UG實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。表達(dá)式可分為三種類型：數(shù)學(xué)表達(dá)式、條件表達(dá)式、幾何表達(dá)式。

　　復(fù)雜殼體的表達(dá)式既可用手工創(chuàng)建，也可由系統(tǒng)自動(dòng)建立。要注意對重要的表達(dá)式進(jìn)行注釋。

　　4)基準(zhǔn)的使用策略

　　·在種子文件里，一般可預(yù)設(shè)3個(gè)固定基準(zhǔn)面和3個(gè)由之派生的固定基準(zhǔn)軸。不要?jiǎng)?chuàng)建更多的固定基準(zhǔn)，因?yàn)樗驍嗔颂卣髦g的相關(guān)性，由于不是相互定位，所以無法進(jìn)行參數(shù)化編輯。

　　·盡量使用相對基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸，因?yàn)橄鄬鶞?zhǔn)是與已有的實(shí)體或基準(zhǔn)相關(guān)，可以隨時(shí)編輯。

　　5)其他注意事項(xiàng)

　　·特征操作時(shí)禁止使用分割實(shí)體命令(Split Body)，此操作會(huì)使分割后的實(shí)體參數(shù)全部消失。

　　·復(fù)雜殼體建模一般不使用自由形狀特征(Free Form Features)。如果使用，請注意：

　　○ 避免使用非參數(shù)化命令構(gòu)造曲面(Through Point, From Pole, From Point Cloud, Foreign)。

　　○ 構(gòu)造曲面的曲線盡可能采用草圖方法生成。

　　○ 編輯曲面時(shí)盡可能采用參數(shù)化的編輯方法，即使用Edit →Feature →Parameters，而不使用Edit →Free Form Feature非參數(shù)化方法。

　　○ 曲面的階次(Degree)盡可能采用三次片體。

　　5 建模技術(shù)(二)：實(shí)現(xiàn)可編輯性的方法和技巧

　　復(fù)雜殼體由于特征多、文件大，還要滿足模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等下游用戶的建模需求，其可編輯性成為至關(guān)重要的指標(biāo)。一個(gè)理想的模型，可以編輯修改各種參數(shù)和表達(dá)式，可以進(jìn)行重排特征時(shí)序，插入特征等操作。總之，參數(shù)化模型里的每一項(xiàng)內(nèi)容都可以進(jìn)行修改。

　　因?yàn)橄嚓P(guān)參數(shù)化是可編輯性的基礎(chǔ)，所以前面討論相關(guān)性時(shí)已涉及到不少可編輯性的內(nèi)容。下面就可編輯性問題再作進(jìn)一步探討，相同的地方不再重復(fù)。

　　·重視特征的先后依附關(guān)系

　　在UG中，實(shí)體里各種特征的先后依附關(guān)系十分重要，時(shí)間戳計(jì)的概念必須十分清晰。后面特征的定位，只能同時(shí)引用比它出現(xiàn)早的特征。同時(shí)，刪除一個(gè)子特征時(shí)，其子特征往往也會(huì)被刪除，或變?yōu)檫^期的無效特征。

　　·模型中不得有多余的特征，也不要掩蓋以前實(shí)體的特征。如不要在原開孔的地方再覆蓋一個(gè)更大的孔以修訂圓孔的尺寸和位置。

　　·模型中不應(yīng)出現(xiàn)重復(fù)的未進(jìn)行布爾加操作的特征，例如實(shí)體的體積相重復(fù)。

　　·注意布爾操作的合理性，要將布爾操作的次數(shù)控制到最少，因?yàn)椴紶柌僮魇窃黾游募笮〉闹匾颉?/P>

　　·當(dāng)創(chuàng)建或編輯特征失敗或系統(tǒng)出現(xiàn)提示性警告時(shí)，一定要查清原因(例如精度問題)后對癥下藥，不要用重復(fù)的多個(gè)相同特征操作(例如Offset Face)去實(shí)現(xiàn)而造成不良后果。

　　·禁止采用移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方法來進(jìn)行定位和創(chuàng)建各種特征，否則會(huì)給以后的編輯帶來極大困難。

　　·以下技術(shù)對于創(chuàng)建可編輯的模型會(huì)有很好的幫助：

　　- 在建模的初期就創(chuàng)建一組基準(zhǔn)平面，用它們來做為安放平面或是定位。這將最小化特征依附的級數(shù)。

　　- 當(dāng)定位特征時(shí)，如果能滿足設(shè)計(jì)意圖，就采用正交尺寸(perpendicular dimensions )代替水平(horizontal)或垂直(vertical)。正交尺寸不需要水平參考，水平參考也是將來編輯失敗的原因。

　　- 試著參考穩(wěn)定的邊緣。有些邊緣是由屬于不同特征的面的交線構(gòu)成，在之后編輯時(shí)很可能被移去斷開，這也是將來編輯失敗的原因。

　　盡可能晚的進(jìn)行倒圓。

　　- 如果要改變一個(gè)倒圓，編輯半徑以確認(rèn)半徑的改變在一個(gè)允許的區(qū)間范圍內(nèi)。

　　- 如果有拓?fù)涓淖兊念A(yù)期，考慮使用草圖及拉伸特征(或通用凸墊及通用腔)代替成型特征，這樣在改變特征外形或是修剪面時(shí)就會(huì)更靈活。

　　- 當(dāng)定義拉伸及旋轉(zhuǎn)特征時(shí)，考慮選擇建立(Create)作為最初方式，然后再執(zhí)行布爾運(yùn)算，之后布爾運(yùn)算可以單獨(dú)被抑制，也可以替換目標(biāo)或工具體(如果被抑制的工具體在它當(dāng)初的創(chuàng)建層上)。

　　- 考慮使用修剪(trim)而不是求減(subtract)操作。用作修剪的曲面可被替換，不丟失其依附特征(如倒圓挖空)，修剪操作還可同時(shí)保留原來的片體。

　　·介紹幾點(diǎn)操作技巧

　　- 倒圓技巧

　　◇ 倒圓順序一般由大半徑到小半徑;

　　◇ 倒圓失敗時(shí)，嘗試檢查一下公差設(shè)定;

　　◇ 邊緣倒圓失敗時(shí)，嘗試一下其他的倒圓方法如face blending(面倒圓), soft blending(軟倒圓);

　　- 每個(gè)草圖要盡可能簡單，可以將一個(gè)復(fù)雜草圖分解為若干簡單草圖(閉合輪廓)，以支持通過掃描形成多個(gè)高低不一樣的實(shí)體，也便于約束，便于修改。

　　- 零厚度的處理

　　當(dāng)使用布爾操作時(shí)，工具實(shí)體的頂點(diǎn)或邊界可能接觸不到目標(biāo)實(shí)體的頂點(diǎn)或邊界，這可能使得最終實(shí)體的一些部分成為零厚度。如果有零厚度出現(xiàn)，UG會(huì)發(fā)出以下的錯(cuò)誤信息：

　　Non-Manifold Solid (非復(fù)合實(shí)體)

　　一般地，可將工具實(shí)體和目標(biāo)實(shí)體的相關(guān)尺寸縮小或擴(kuò)大0.0001mm (數(shù)據(jù)精度的1/10)，以避免出現(xiàn)此種情況。

　　6 模型質(zhì)量的分析和檢查

　　模型質(zhì)量檢查根據(jù)不同的方法進(jìn)行分類：

　　按檢查的范圍分，可以分為總體檢查和局部檢查。

　　按檢查的階段分，可以分為建模過程檢查和模型交付檢查。

　　模型交付檢查應(yīng)進(jìn)行總體檢查，檢查的內(nèi)容包括：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、圖層設(shè)置、顏色設(shè)置與種子文件的相符性，Part 屬性、引用集、幾何和幾何體檢查等。

　　建模過程檢查一般只進(jìn)行局部檢查，即使用 Analysis →Examine Geometry 進(jìn)行幾何體檢查(圖2)。

　　圖2：檢查幾何體對話框

　　檢查幾何體對話框各選項(xiàng)的含義如下：

　　1)對象(Objects)：

　　·微小的(Tiny)：在選中體或幾何體中查找所有微小的體、面、邊或曲線。

　　- 曲線、邊和體，其包圍對象所用框的對角線長度小于指定距離公差。

　　- 面，其曲面面積小于指定距離公差的平方。

　　- 面，其面積與周長的比率(2倍面積/周長)小于指定公差(這可以發(fā)現(xiàn)長條面)。

　　·未對齊的(Misaligned)：檢查所有與工作坐標(biāo)系接近正交但又未與之精確對齊的選中幾何體。

　　- 直線：矢量為直線方向。

　　- 弧和圓：矢量垂直于曲線所在的平面。

　　- 平面: 法向矢量。

　　- 圓柱、圓錐、圓環(huán)、旋轉(zhuǎn)曲面: 軸矢量

　　- 拉伸曲面：拉伸矢量

　　- 矢量與XC、YC或ZC未精確平行的對象標(biāo)志為未對齊。

　　2)體(Bodies)

　　·數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(Data Structures)：檢查每個(gè)選中體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題，如數(shù)據(jù)損壞。

　　·一致性(Consistency)：

　　- 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否一致。

　　- 幾何體對象是否合法以及面和邊是否有G1(一階導(dǎo)數(shù))連續(xù)體。

　　- 幾何體對象是否一致：頂點(diǎn)的幾何體點(diǎn)是否位于連接它們的邊和面上;邊幾何體是否位于連接它們的面內(nèi);邊是否只在頂點(diǎn)處相交。

　　·面-面相交(Face-face Intersections)：檢查每個(gè)選中體的面-面相交情況和所有面的不一致性。例如，將一個(gè)立方體挖空到1mm的厚度，然后將一條外部邊修成5mm半徑的圓角，內(nèi)殼就會(huì)與外殼相交產(chǎn)生面-面相交的情況。

　　·片體邊界(Sheet Boundaries)：查找選中體的所有邊界(或縫隙)。

　　3)面(Faces)

　　·光順性(Smoothness)：檢查B曲面沿其面片邊界光順。

　　·自相交(Self-intersection)：檢查自相交的面。

　　·銳刺/細(xì)縫(Spikes/cuts)：檢查選中面上可能有的銳刺或細(xì)縫。

　　 　4)邊界(Edges)

　　·光順性(Smoothness)：檢查所有與相鄰面不光順聯(lián)接的邊。

　　·公差(Tolerances)：根據(jù)距離公差字段中指定的值檢查所有選中的邊的公差。

　　幾何體檢查不單是事后進(jìn)行校驗(yàn)的工具，更鼓勵(lì)設(shè)計(jì)者在建模過程中不斷進(jìn)行，對于復(fù)雜殼體更是如此。