现代设计方法 虚拟设计.doc

虚拟设计 【摘要】介绍了虚拟设计的发展背景及应用领域，论述了以虚拟设计的技术基础和体系结构，虚拟设计的几何建模、基于图像的建模、图像与几何相结合的建模技术等基本的建模方法，以及应用前景。 【关键字】虚拟设计 体系结构 建模基础 1 虚拟设计的发展背景 虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，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，在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成、虚拟制造等。目前，虚拟设计对传统设计方法的革命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本质实现，即完成产品的数字化过程。与传统的的设计和制造系统相比较，它具有高度集中、快速成型、分布合作等特征。虚拟设计技术不仅在科技界，在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。 2 虚拟设计的技术基础“虚拟现实” 虚拟现实（virtual reality）是一种可创建和体验虚拟世界（virtual world）的计算机系统。 虚拟设计是基于虚拟现实理念和技术手段的设计，是在由高性能计算机和网络构成的虚拟空间中通过计算机仿真技术、专家系统的辅助进行产品研制的设计过程。 虚拟设计充分利用虚拟现实技术的多感知和沉浸感两个重要特征，构造当前不存在的环境、人类不可能到达的环境和耗资巨大的产品设计环境。 在虚拟设计过程中，设计对象可以通过极具沉浸感的显示系统呈现在人们的眼前，通过力反馈系统将设计对象的力学特性传递给设计者，通过专家系统对产品设计进行全方位的观察、检测、优化，从而在产品的设计阶段模拟出产品即虚拟样机开发的全过程并评估对产品设计的影响；预测产品功能、性能、制造成本、可制造性、可维护性、可拆卸性；提高产品设计的成功率，灵活经济地组织生产制造，提升产品质量和生产效率，缩短开发周期和降低成本，缩小产品设计与用户之间的距离。 虚拟设计的概念融入了虚拟现实技术的理念，同时具有计算机辅助设计及其方法的一些特点，侧重具体的设计、应用。虚拟设计技术需要借助虚拟现实的环境，借助虚拟现实的环境能更好地发挥虚拟技术的效能。 3 虚拟设计、制造系统的体系结构 3.1虚拟设计的特点 虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计。设计者可以在虚拟环境中用交互手段对在计算机内建立的模型进行修改。一个虚拟设计系统具备三项功能：3D用户介面；选择参数；数据表达与双向数据传输。 就“设计”而言，所有的设计工作都是围绕虚拟原型而展开的，只要虚拟原型能达到设计要求，则实际产品必定能达到设计要求；而进行传统设计时，所有的设计工作都是针对物理模型（或概念模型）展开的。 就“虚拟”而言，设计者可实时、交互、可视化地对原型在沉浸或非沉浸环境中进行反复改进，并能马上看到修改结果；传统设计时，设计者是面向图纸的，是在图纸上用线条、线框勾勒出概念设计。 3.2虚拟设计、制造的优点 虚拟设计具有以下优点:①虚有拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点②继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果；③具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计；④支持协同工作和异地设计，利用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。 图1所示为传统的现实制造，它需要从设计 试制 评价 制造反复循环，需要反复制造与实验物理样机，从试制阶段起就需要投入大量原料、人员、厂房、设备，时间长、成本高、效率低、风险大。 图2所示为虚拟制造，它的设计 加工 装配 评价阶段都可以在虚拟环境下进行，即所谓“数字样机”的反复设计 加工 装配 评价，得到的和传输的是数据信息；在实际制造阶段才需要投入原料、人员、厂房、设备，时间短、成本低、效率高、风险小，可以迅速对市场的需求作出反应。 4 虚拟设计建模基础 虚拟产品开发过程是在虚拟的条件下，对产品进行构思、设计、制造、测试和分析。它的显著特点之一就是利用存储在计算机内的数字化模型——虚拟产品来代替实物模型进行仿真、分析，从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标优化中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。 建模概念 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做其肢体，则虚拟现实环境的软件控制部分就是其大脑。 虚拟环境中采用的软件有以下四类： ⑴语言类 如C++、OpenGL、VRML等； ⑵建模软件类 如AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer、I-DEAS、CATIA等； ⑶应用软件类 指用户按自己的各种需求，