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几何模型参数化表达及其标准化现状
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2022.08.13 湖北

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几何模型参数化研究工作最早可追溯到60年代早期,在Utherland开发的Sketchpad系统中,首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。经过多年的发展,逐渐形成了固有的模式,用符号法来替代设计具体参数,用算法来替代约束,最终形成了现代的参数化设计方法,相应的标准也随之产生。近年来,船舶行业迎来了数字化转型发展的新阶段,工业软件作为行业知识的封装,在船舶设计、评估、制造等阶段发挥着重要作用,其核心技术之一的船舶产品几何模型参数化表达,也越来越受到各方关注。









一、几何模型参数化表达方法




随着现代科技的发展,应用二次开发技术可以很轻松的将符号和算法加入到现有的软件中,实现手算设计方式向计算机软件设计方式的转化。当前,能够实现模型参数化建立的方法主要有以下3种。

1.通过几何推理建立模型的人工智能法

这种方法是基于规则的推理方法,用一组约束描述几何模型。在推理过程中,利用专家系统将几何形体的约束关系用一阶谓词逻辑进行描述,然后将其存入事实库,通过推理机在规则库中选中规则,进而应用到现有事实;完成推理后,会将新结论作为当前的新事实,并得到重新构造出的实体。参数化模型由在构造设计计划中顺序算出的规则所决定。这种方法可以通过谓词表达“相切”等很复杂的约束,这一点在其他方法中是无法比拟的。但由于在推理过程中要查询对应的匹配规则,所以利用这种方法建立的系统过于庞大,而且响应速度较慢。

2.通过几何约束建立模型的变量几何法

该方法先将几何形状分散为特征点,然后把特征点作为变量构建非线性方程组,一旦几何约束发生改变,通过求解这些方程组即可得到新的特征点,最后建立出新的几何模型。此方法相对简单,但是会引起诸多问题,例如一旦出现复杂且约束过多的几何模型,求解非线性方程的难度会大大增加,得到的结果也不能保证是唯一解。因此,该方法适用于构建相对简单的参数化模型。

3.通过构造过程建立模型的构造法

基于parametric history即通常被称作参数化履历的机制,这种方法能够通过程序自动记录建模过程,并获取其中的定量信息。重新建模时,通过计算之前定量信息为变量的相关参数,便能自动依照之前的构建过程重建新的模型。






二、几何模型参数化表达标准化现状




1997年,美国机械工程师协会在波音公司的协助下,发起了三维标注技术及其标准化的研究,并于2003年形成了美国国家标准ASME Y14.41-2003《数字化产品定义数据实施规程》。

2006年,ISO借鉴ASME Y14.41-2003制定了ISO标准草案ISO 16792:2006《技术产品文件 数字产品定义数据通则》,为欧洲以及亚洲等国家的用户提供了支持。

2009年,我国SAC/TC 146“全国技术产品文件标准化技术委员会”以ISO 16792:2006标准为蓝本,制定了GB/T 24734.1~.11-2009《技术产品文件数字化产品定义数据通则》系列标准。此外,我国还先后制定了GB/T 26099.1~.4-2010《机械产品三维建模通用规则》系列标准、GB/T 26100-2010《机械产品数字样机通用要求》和GB/T 26101-2010《机械产品虚拟装配通用技术要求》,以及GB/T 24734.1~.11-2009系列标准等相关MBD标准,一些信息化程度比较高的企业也结合企业、行业的具体情况,制定了基于相关CAD平台的企业标准和行业标准。

尽管如此,当前我国制造领域的几何模型参数化表达应用技术还处于探索阶段,与国际标准ISO16792:2006、美国国家标准ASMEY14.41-2003等标准相比,国内制定的标准还不成熟,或者带有明显的行业特点和软件色彩,缺乏统一的对于标注信息表达、属性定义等方面的规定。






三、船舶制造领域应用前景




在信息化的大环境下,将几何模型参数化设计运用到船舶制造领域是一种必然趋势。这种设计手段在许多专业领域方面已经取得成功,但由于船舶结构包含不同于常规的结构物,而且有自身的特点,导致对船舶整体架构及零部件进行参数化表示时,简单的参数化方法难以发挥作用。例如一根角钢型肋骨,其剖面可由简单的几何尺寸参数确定,但其安装线却是样条函数决定,不便于由一个肋骨线的几个参数的修改生成另一肋位的肋骨。为了解决简单参数化建模方法在船舶领域不适用的问题,可以考虑建立船舶结构设计参数与几何尺寸参数的关系、二次参数化方法、三维参数化表示模型等。其中,三维参数化表示模型能够实现草图、零件、工程图、三维标注等功能的联动,是目前船舶领域几何模型参数化表示的研究重点。

使用三维模型进行参数化设计可以大大提高模型生成和修改的速度,在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。船舶产品几何模型参数化建模技术标准化,能够顺应当前工业数字化发展趋势,进一步提高建模能力,支持设计人员在产品研发过程中打通数据流动通道,从而显著提高产品设计、仿真、优化的效率。


 年度盘点 | 2021年度船舶国家标准发布和立项情况

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