CN101256600A - 复杂产品变异设计中的结构移植方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂产品变异设计中的结构移植方法。该方法的步骤如下：根据产品变异要求对零件进行虚拟切割；以变异设计语义和形态分布图为检索索引对可移植结构库进行三维形状相似性检索，获得移植结构；提取虚拟切割面与移植结构间搭接的拓扑信息，根据两者的拓扑匹配判别相应的替换式或桥接式搭接形式；基于知识关联实现不同拓扑与结构的搭接与融合重用。采用本发明可实现具有不同拓扑结构的移植，通过结构移植改变零件的结构形状，实现产品变异设计，解决现有方法只能改变大小不能改变结构形状的问题。本发明提出的替换式与桥接式搭接方式，根据不同搭接的要求，基于知识关联可自适应地实现，对提高复杂产品变异设计效率起到了重要作用。

Description

复杂产品变异设计中的结构移植方法

技术领域

本发明涉及产品设计方法，尤其是涉及一种复杂产品变异设计中的结构移植方法。

背景技术

产品变异设计是在产品基型基础上，为满足客户需求而进行变结构、变拓扑的一种支持产品创新的智能设计方法。当前机械制造企业中定制产品进行的大多数设计是产品变异设计，如工业汽轮机、大型电除尘器等产品变异设计达90％以上。就是在许多标准化的机械产品开发中，为了满足个性化需求仍然需要进行大量的零部件变异设计，而且变异零部件往往结构复杂、决定着产品整个设计周期的长短，因此，产品变异设计已成为企业新产品开发中的一个瓶颈问题。本发明的背景技术为：

产品变异设计往往需对零件结构形状进行改变，传统参数化设计遵循的“变参数、不变拓扑”方法，该方法只能改变产品零件结构尺寸大小，但无法改变结构的形状。传统参数化设计是通过建立尺寸与几何的约束来实现尺寸驱动的，无法实现产品结构的变异。

目前对产品结构修改因缺乏相应方法的支持，只能通过几何层的人工交互进行，使得复杂产品结构修改工作量大，效率低。结构之间由于缺乏不同拓扑间的搭接方法，无法将不同结构的拓扑融合起来，而形成统一的产品模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂产品变异设计中的结构移植方法，基于移植结构间的替换式与桥接式搭接实现结构变异。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤如下：

第一步，根据产品变异要求对零件进行虚拟切割；

第二步，通过可移植结构的相似性检索，获得移植结构，相似性检索以变异设计语义和形态分布图为检索索引；

第三步，提取虚拟切割面与移植结构间搭接的拓扑信息，根据两者的拓扑匹配判别相应的替换式或桥接式搭接形式；

第四步，基于知识关联与检索进行不同拓扑与结构的搭接与融合重用。

所述的虚拟切割，是对零件三维几何模型需改变的局部结构部位进行切割，根据切割需要选用平面虚拟切割、棱柱虚拟切割、棱锥虚拟切割、棱台虚拟切割、圆柱虚拟切割、圆锥虚拟切割和圆台虚拟切割进行。

所述的可移植结构是指可以用来进行移植的结构体，可移植结构的相似性检索是指在建立可移植结构库的基础上，以变异设计语义和三维模型形态分布图为检索索引从可移植结构库中检索出所需的移植结构，按照相似度从大到小排序，供设计者有选择地进行结构移植。

所述的用于结构移植的自适应拓扑搭接方法，包括复杂产品结构移植的替换式搭接方法与复杂产品结构移植的桥接式搭接方法。

所述的复杂产品结构移植的替换式搭接方法的步骤如下：

第一步，对零件中需替换的局部结构进行虚拟切割，提供给用户设计的操作有平面虚拟切割、棱柱虚拟切割、棱锥虚拟切割、棱台虚拟切割、圆柱虚拟切割、圆锥虚拟切割和圆台虚拟切割；

第二步，零件虚拟切割面与移植结构搭接面拓扑间存在一致时，进入下一步，否则采用桥搭式搭接方法进行搭接；

第三步，对搭接面进行几何大小的匹配，若匹配则直接进行搭接；

第四步，搭接面间几何不匹配，以零件结构为基准提取对应的缩放因子，对移植结构进行整体或局部缩放，完成替换式搭接。

所述的复杂产品结构移植的桥接式搭接方法的步骤如下：

第一步，判别需用桥搭式搭接方法进行搭接时，提取虚拟切割面与移植结构的拓扑信息；

第二步，建立相应的移植结构搭接知识与搭接形式；

第三步，根据虚拟切割面与移植结构的拓扑按搭接知识选择相应的搭接形式，形成搭接体；

第四步，采用两层分别进行搭接，第一层为搭接体与移植结构搭接，第二层为带搭接体的移植结构与零件切割面进行搭接。

所述的基于知识关联与检索的搭接与融合重用方法的步骤如下：

第一步，移植结构的检索包括变异设计语义和三维形状相似性检索，三维形状相似性检索是通过建立三维模型形态分布图作为检索索引来进行；

第二步，从统一的复杂产品可移植结构库中检索出三维形状相似结构，按照相似度从大到小排序，供设计者有选择地进行结构移植；

第三步，由于变异设计的结构移植过程具有时序性，被记录的变异设计的结构移植过程事件可形成一个有序序列。在此有序序列中，抽取施动者或受动者，可用新的对象来操作，而不改变结构移植具体过程。通过重新运算便得到新的设计结果，实现变异设计中移植结构的过程重用。

本发明具有的有益效果是：

1.采用本发明可实现具有不同拓扑结构的移植，通过结构移植改变零件的结构形状，实现产品变异设计，解决现有方法只能改变大小不能改变结构形状的问题。

2.本发明提出的替换式与桥接式搭接方式，根据不同搭接的要求，基于知识关联可自适应地实现，对提高复杂产品变异设计效率起到了重要作用。

3.本发明提出的结构移植过程重用，可克服传统设计重用方法只能重用设计结果，无法重用设计过程的问题。采用本发明结构移植过程重用可根据移植要求，快速实现不同的移植方案。

附图说明

图1是本发明的原型系统程序流程总图。

图2是本发明的可移植结构的自适应虚拟切割图。

图3是本发明的可移植结构的三维形状相似性检索图。

图4(a)是变异操作前曲轴前端结构图。

图4(b)是变异操作后曲轴前端结构图。

图5(a)是变异操作前曲轴轴身结构图。

图5(b)是变异操作后曲轴轴身结构图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，是本发明的原型系统程序流程总图。

原型系统主要有复杂产品可移植结构库、移植结构的自适应虚拟切割、可移植结构的三维形状相似性检索、变异设计语义知识库、复杂产品变异设计过程的重用五大模块。复杂产品可移植结构库分为通用库和专用库，是在对机械零件CAD/CAM/CAE/CAPP等产品全生命周期分析的基础上进行分类、归纳和提取多粒度结构而建立的。数据库平台具有较好可靠性、完整性、安全性及可伸缩性，用于复杂产品的三维形状相似性检索、局部移植和结构变异，是结构移植的复杂产品变异设计的重要支撑。移植结构的自适应虚拟切割是通过生成自适应虚拟切割体对结构进行切割获得可移植结构。可移植结构的三维相似性形状的核心是构建可移植结构的变异设计语义和形态分布图作为检索索引。变异设计语义知识库与可移植结构的关联是通过对可移植结构的拓扑元素添加变异设计语义实现的。复杂产品变异设计过程的重用是通过记录和关联变异设计过程实现的。

原型系统的用户界面为多文档界面应用程序。基本功能有：文件打开、关闭、新建、保存及另存为等文件操作；拉伸、平移、旋转、缩放、扫描等基本造型操作；阵列、投影、混合、基于规则的曲面生成等高级造型操作；实体拓扑分析、实体网格化、曲面离散化、长度测量、查看任意截面等实用操作。通过为一个文档类对象添加多个视图类对象，扩展原型系统的三维浏览能力。视图窗口的视角模式有ISO、FRONT、BACK、RIGHT、LEFT、TOP和BOTTOM七种。实体的渲染显示模式有Wireframe、Hidden Line、Gouraud Shaded、Triangulated和Phong Shaded五种。鼠标的交互选择有体、面、边和顶点四个层次。原型系统具有健壮的布尔操作功能，进行布尔操作的实体既可以是鼠标交互选择的一个或多个实体也可以是可移植结构库中任意选择的结构，这是实现结构移植的变异设计的重要保证。

复杂产品变异设计中的结构移植方法操作过程是首先从可移植结构库导入零件模型，对零件结构分析，通过虚拟切割确定变异结构直到细分满足要求为止，对可移植结构库进行移植结构检索，选择移植结构，将其映射到设计中心，预览变异操作，不满足要求，重新进行三维形状相似性检索，不断改变移植结构，直到满足变异要求为止，最后确定变异进行模型结构更新、零件模型更新，完成结构移植的复杂产品变异设计过程。

如图2所示，是本发明的可移植结构的自适应虚拟切割图。

其中：(a)、平面虚拟切割，(b)、棱柱虚拟切割，(c)、圆柱虚拟切割。通过鼠标选定需要切割的结构，自动生成虚拟切割体。自适应是指虚拟切割体的大小和位置在选定需要切割的结构后，均可以自动产生。这是通过遍历三维几何结构的边界表达数据结构，生成其对应的凸包围盒实现的。可以依据切割需要选择平面虚拟切割、棱柱虚拟切割、棱锥虚拟切割、棱台虚拟切割、圆柱虚拟切割、圆锥虚拟切割和圆台虚拟切割。通过虚拟切割确定变异结构直到满足要求为止。切割前、后的所有结构均同步通过自定义文件名命名方式保存到统一可移植结构库中，实现后续所有变异设计访问的实时同步更新。

如图3所示，是本发明的可移植结构的三维形状相似性检索图。

其中：(a)、查询模型，(b)、相似度96.23％，(c)、相似度93.85％，(d)、相似度92.01％，(e)、相似度90.19％，(f)、相似度83.75％，(g)、相似度79.68％，(h)、相似度75.10％，(i)、相似度73.24％，(j)、相似度72.10％，(k)、相似度71.92％，(l)、相似度70.49％。可移植结构间的相似度是指可移植结构间的三维形状相似程度，是一个应用驱动、用户感知的概念，一个描述相似度的统一表达式难以被定义，需根据不同的变异设计需求和工程应用背景确定。为获得与虚拟切割得到的变异结构三维形状相似的结构，对可移植结构库进行三维形状相似性检索，其核心是构造实体对应的形态分布图，并将其存储到可移植结构库的表中。通过变异设计语义和形态分布图构建紧致、鲁棒的检索索引，使设计者可从统一的复杂产品多粒度可移植结构库中检索出三维形状相似的三维结构，按照相似度从大到小排序输出检索结果，供设计者有选择地进行重用，对检索结果选择后，被选择的结构映射到设计中心，提高结构移植的复杂产品变异设计效率。

如图4所示，是本发明的方法在曲轴零件前端轴的变异设计应用图。

图4(a)是变异操作前曲轴前端轴结构图，图4(b)是变异操作后曲轴前端轴结构图。通过替换式结构移植实现可移植结构与曲轴前端轴的单面搭接。从可移植结构的三维形状相似性检索结果中，选择需要的结构映射到设计中心，以零件结构为基准提取对应的缩放因子，对移植结构进行整体或局部缩放，利用尺寸驱动机制实现可移植结构的尺寸驱动。通过可移植结构的法线对齐、顶点对齐和角度对齐三个平面搭接基本操作实现可移植结构的三维定位。尺寸驱动和三维定位完成后通过布尔运算，实现曲轴前端轴变异设计。

如图5所示，是本发明的方法在曲轴零件轴身的变异设计应用图。

图5(a)是变异操作前曲轴轴身轴结构图，图5(b)是变异操作后曲轴轴身轴结构图。通过桥接式结构移植实现可移植结构与曲轴轴身的双面搭接。采用两层分别进行搭接，第一层为搭接体与移植结构搭接，第二层为带搭接体的移植结构与零件切割面进行搭接。每一层的搭接都通过尺寸驱动和三维定位实现。如果记录了其中一层的变异过程，则可用与被记录的相同的变异过程作用在不同的设计对象上，获得不同的变异设计结果，从而实现变异设计中移植结构的过程重用。

Claims (7)

1、一种复杂产品变异设计中的结构移植方法，其特征在于该方法的步骤如下：

第一步，根据产品变异要求对零件进行虚拟切割；

第二步，以变异设计语义和形态分布图为检索索引对可移植结构库进行三维形状相似性检索，获得移植结构；

第三步，提取虚拟切割面与移植结构间搭接的拓扑信息，根据两者的拓扑匹配判别相应的替换式或桥接式搭接形式；

第四步，基于知识关联与检索实现不同拓扑与结构的搭接与融合重用。

2、根据权利要求1所述的一种复杂产品变异设计中的结构移植方法，其特征在于：所述的虚拟切割，是对零件三维几何模型需改变的局部结构部位进行切割，根据切割需要选用平面虚拟切割、棱柱虚拟切割、棱锥虚拟切割、棱台虚拟切割、圆柱虚拟切割、圆锥虚拟切割和圆台虚拟切割进行。

3、根据权利要求1所述的一种复杂产品变异设计中的结构移植方法，其特征在于：所述的可移植结构是指可以用来进行移植的结构体，可移植结构的三维形状相似性检索是指在建立可移植结构库的基础上，以变异设计语义和形态分布图为检索索引对可移植结构库进行三维形状相似性检索，获得移植结构，按照相似度从大到小排序，供设计者有选择地进行结构移植。

4、根据权利要求1所述的一种复杂产品变异设计中的结构移植方法，其特征在于：所述的用于结构移植的自适应拓扑搭接方法，包括复杂产品结构移植的替换式搭接方法与复杂产品结构移植的桥接式搭接方法。

5、根据权利要求4所述的一种复杂产品变异设计中的结构移植方法，其特征在于，所述的复杂产品结构移植的替换式搭接方法的步骤如下：

第一步，对零件中需替换的局部结构进行虚拟切割，提供给用户设计的操作有平面虚拟切割、棱柱虚拟切割、棱锥虚拟切割、棱台虚拟切割、圆柱虚拟切割、圆锥虚拟切割和圆台虚拟切割；

第二步，零件虚拟切割面与移植结构搭接面拓扑间存在一致时，进入下一步，否则采用桥搭式搭接方法进行搭接；

第三步，对搭接面进行几何大小的匹配，若匹配则直接进行搭接；

第四步，搭接面间几何不匹配，以零件结构为基准提取对应的缩放因子，对移植结构进行整体或局部缩放，完成替换式搭接。

6、根据权利要求4所述的一种复杂产品变异设计中的结构移植方法，其特征在于，所述的复杂产品结构移植的桥接式搭接方法的步骤如下：

第一步，判别需用桥搭式搭接方法进行搭接时，提取虚拟切割面与移植结构的拓扑信息；

第二步，建立相应的移植结构搭接知识与搭接形式；

第三步，根据虚拟切割面与移植结构的拓扑按搭接知识选择相应的搭接形式，形成搭接体；

第四步，采用两层分别进行搭接，第一层为搭接体与移植结构搭接，第二层为带搭接体的移植结构与零件切割面进行搭接。

7、根据权利要求1所述的一种复杂产品变异设计中的结构移植方法，其特征在于，所述的基于知识关联与检索的搭接与融合重用方法的步骤如下：

第一步，移植结构的检索包括变异设计语义和三维形状相似性检索，三维形状相似性检索是通过构造三维模型形态分布图作为检索索引来进行；

第二步，从统一的复杂产品可移植结构库中检索出三维形状相似结构，按照相似度从大到小排序，供设计者有选择地进行结构移植；

第三步，由于变异设计的结构移植过程具有时序性，被记录的变异设计的结构移植过程事件可形成一个有序序列。在此有序序列中，抽取施动者或受动者，可用新的对象来操作，而不改变结构移植具体过程。通过重新运算便得到新的设计结果，实现变异设计中移植结构的过程重用。

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