Типы геометрических моделей

Типы  геометрических моделей

Подсистемы машинной графики  и геометрического моделирования (МГиГМ) занимают центральное место в машиностроительных САПР-К. Конструирование изделий в них, как правило, проводится в интерактивном режиме при оперировании геометрическими моделями, т.е. математическими объектами, отображающими форму деталей, состав сборочных узлов и возможно некоторые дополнительные параметры (масса, момент инерции, цвета поверхности и т.п.).

В подсистемах МГиГМ типичный маршрут обработки данных включает в себя получение проектного решения в прикладной программе, его представление в виде геометрической модели (геометрическое моделирование), подготовку проектного решения к визуализации, собственно визуализацию в аппаратуре рабочей станции и при необходимости корректировку решения в интерактивном режиме. Две последние операции реализуются на базе аппаратных средств машинной графики. Когда говорят о математическом обеспечении МГиГМ, имеют в виду прежде всего модели, методы и алгоритмы для геометрического моделирования и подготовки к визуализации. При этом часто именно математическое обеспечение подготовки к визуализации называют математическим обеспечением машинной графики.

Различают математическое обеспечение  двумерного (2D) и трехмерного (3D) моделирования. Основные применения 2D-графики —  подготовка чертежной документации в машиностроительных САПР, топологическое проектирование печатных плат и кристаллов БИС в САПР электронной промышленности. В развитых машиностроительных САПР используют как 2D, так и 3D моделирование для синтеза конструкций, представления траекторий рабочих органов станков при обработке заготовок, генерации сетки конечных элементов при анализе прочности и т.п.

В процессе 3D моделирования  создаются геометрические модели, т.е. модели, отражающие геометрические свойства изделий. Различают геометрические модели каркасные (проволочные), поверхностные, объемные (твердотельные).

Каркасная модель представляет форму детали в виде конечного множества линий, лежащих на поверхностях детали. Для каждой линии известны координаты концевых точек и указана их инцидентность ребрам или поверхностям. Оперировать каркасной моделью на дальнейших операциях маршрутов проектированиянеудобно, и поэтому каркасные модели в настоящее время используют редко.

Поверхностная модель отображает форму детали с помощью задания ограничивающих ее поверхностей, например, в виде совокупности данных о гранях, ребрах и вершинах.

Особое место занимают модели деталей с поверхностями  сложной формы, так называемыми скульптурными поверхностями. К таким деталям относятся корпуса многих транспортных средств (например, судов, автомобилей), детали, обтекаемые потоками жидкостей и газов (лопатки турбин, крылья самолетов), и др.

Объемные модели отличаются тем, что в них в явной форме содержатся сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему по отношению к детали пространству.

Рассмотренные модели отображают тела с замкнутыми объемами, являющиеся так называемыми многообразиями (manifold). Некоторые системы геометрического моделирования допускают оперирование немногообразными моделями (nonmanifold), примерами которых могут быть модели тел, касающихся друг друга в одной точке или вдоль прямой. Немногообразные модели удобны в процессе конструирования, когда на промежуточных этапах полезно работать одновременно с трехмерными и двумерными моделями, не задавая толщины стенок конструкции, и т.п.

Системы геометрического  моделирования

Системы геометрического  моделирования позволяют работать с формами в трехмерном пространстве. Они были созданы для того, чтобы  преодолеть проблемы, связанные с  использованием физических моделей  в процессе проектирования, такие  как - сложность получения сложных  форм с точными размерами, а также  сложностью извлечения необходимых  сведений из реальных моделей для  их точного воспроизведения.

Эти системы создают среду, подобную той, в которой создаются  физические модели. Другими словами, в системе геометрического моделирования  разработчик изменяет форму модели, добавляет и удаляет ее части, детализируя форму визуальной модели. Визуальная модель может выглядеть  также как и физическая, но она  нематериальна. Однако трехмерная визуальная модель хранится в компьютере вместе со своим математическим описанием, благодаря чему устраняется главный  недостаток физической модели - необходимость  выполнения измерений для последующего прототипирования или серийного производства. Системы геометрического моделирования делятся на каркасные, поверхностные, твердотельные и немногообразные.

Системы каркасного моделирования

В системах каркасного моделирования  форма представляется в виде набора характеризующих ее линий и конечных точек. Линии и точки используются для предоставления трехмерных объектов на экране, а изменение формы осуществляется путем изменения положения и  размеров отрезков и точек. Другими  словами, визуальная модель представляет собой каркасный чертеж формы, а  соответствующее математическое описание представляет собой набор уравнений  кривых, координат точек и сведений о связности кривых и точек. Сведения о связности описывают принадлежность точек к конкретным кривым, а также  пересечение кривых друг с другом. Системы каркасного моделирования  были популярны в ту пору, когда  ГМ только начало зарождаться. Их популярность объяснялась тем, что в системах каркасного моделирования создание форм выполнялось через последовательность простых действий, так что пользователям  было достаточно легко создавать  формы самостоятельно. Однако визуальная модель, состоящая из одних лишь линий, может быть неоднозначной. Более  того, соответствующее математическое описание не содержит сведений о внутренних и внешних поверхностях моделируемого  объекта. Без этих сведений невозможно рассчитать массу объекта, определить траектории перемещения или создать  сетку для конечноэлементного анализа, несмотря на то, что объект кажется трехмерным. Поскольку эти операции являются неотъемлемой частью процесса проектирования, системы каркасного моделирования были постепенно вытеснены системами поверхностного и твердотельного моделирования.

Системы поверхностного моделирования

В системах поверхностного моделирования математическое описание визуальной модели включает в себя не только сведения о характеристических линиях и их конечных точках, но и  данные о поверхностях. При работе с отображаемой на экране моделью  изменяются уравнения поверхностей, уравнения кривых и координаты точек. Математическое описание может включать сведения о связности поверхностей - как поверхности соединяются  друг с другом и по каким кривым. В некоторых приложениях эти сведения могут оказаться очень полезными.

Существуют три стандартных  метода создания поверхностей в системах поверхностного моделирования:

1) Интерполяция входных  точек.

2) Интерполяция криволинейных  точек.

3) Трансляция или вращение  заданной кривой.

Системы поверхностного моделирования  используются для создания моделей  со сложными поверхностями, потому что  визуальная модель позволяет оценить  эстетичность проекта, а математическое описание позволяет построить программы  с точными расчетами траекторий движения.

Системы твердотельного моделирования

Предназначены для работы с объектами, состоящими из замкнутого объема, или монолита. В системах твердотельного моделирования, в отличии от систем каркасного и поверхностного моделирования, не допускается создание набора поверхностей или характеристических линий, если они не образуют замкнутого объема. Математическое описание объекта, созданного в системе твердотельного моделирования содержит сведения, по которым система может определить, где находится линия либо точка: внутри объема, снаружи него или на его границе. При этом можно получить любую информацию об объеме тела, а значит, могут быть использованы приложения, работающие с объектом на уровне объема, а не на поверхностях.

Однако системы твердотельного моделирования требуют большего количества входных данных по сравнению  с количеством данных, дающих математическое описание. Если бы система требовала  от пользователя ввода всех данных для полного математического  описания, она стала бы слишком  сложной для пользователей, и  они бы отказались от нее. Поэтому  разработчики таких систем стараются  представить простые и естественные функции, чтобы пользователи могли  работать с объемными формами, не вдаваясь в подробности математического  описания.

Функции моделирования, поддерживаемые большинством систем твердотельного моделирования, могут быть разделены на пять основных групп:

1) Функции создания примитивов, а также функции добавления, вычитания  объема - булевские операторы. Эти  функции позволяют проектировщику  быстро создать форму, близкую  к окончательной форме детали.

2) Функции создания объемных  тел путем перемещения поверхности.  Функция заметания позволяет  создавать объемное тело трансляцией  или вращением области, заданной  на плоскости.

3) Функции, предназначенные  главным образом для изменения  существующей формы. Типичными  примерами являются функции скругления или плавного сопряжения и поднятия.

4) Функции позволяющие непосредственно манипулировать составляющими объемных тел, то есть по вершинам, ребрам и граням.

5) Функции, используя которые  проектировщик может моделировать  твердое тело при помощи свободных  форм.

Немногообразные системы моделирования

Системы твердотельного моделирования  позволяют пользователю создавать  тела с замкнутым объемом, то есть, говоря математическим языком, тела, представляющие собой многообразия. Другими словами, такие системы запрещают создание структур, не являющихся многообразными. Нарушениями условия многообразности  являются, например касание двух поверхностей в одной точке, касание двух поверхностей вдоль открытой или замкнутой  кривой, два замкнутых объема с  общей гранью, ребром или вершиной, а также поверхности, образующие структуры типа сот.

Запрет на создание немногообразных моделей считался одним из достоинств систем твердотельного моделирования, поскольку благодаря этому любую созданную в такой системе модель можно было бы изготовить. Если же пользователь хочет работать с системой геометрического моделирования на протяжении всего процесса разработки, это достоинство оборачивается другой стороной.

Абстрактная модель со смешением  измерений удобна тем, что она  не стесняет творческую мысль конструктора. Модель со смешанными измерениями может  содержать свободные ребра, слоистые поверхности и объемы. Абстрактная  модель полезна также тем, что  она может служить основой  для проведения анализа. На каждом этапе  процесса проектирования могут применяться  свои аналитические средства. Например, методом конечных элементов, непосредственно на исходном представлении модели, что позволяет автоматизировать обратную связь между этапами проектирования и анализа, которая в настоящий момент реализуется конструктором самостоятельно. Немногообразные модели незаменимы как этап развития проекта от неполного описания на низких уровнях до готового объемного тела. Системы немногообразного моделирования позволяют использовать каркасные, поверхностные, твердотельные и сотовые модели одновременно в одной и той же среде моделирования, расширяя диапазон доступных моделей.

Описание поверхностей

Важной составной частью геометрических моделей является описание поверхностей. Если поверхности детали -- плоские грани, то модель может быть выражена достаточно просто определенной информацией о гранях, ребрах, вершинах детали. При этом обычно используется метод конструктивной геометрии. Представление с помощью плоских граней имеет место и в случае более сложных поверхностей, если эти поверхности аппроксимировать множествами плоских участков -- полигональными сетками. Тогда можно поверхностную модель задать одной из следующих форм:

1) модель есть список  граней, каждая грань представлена  упорядоченным списком вершин (циклом  вершин); эта форма характеризуется  значительной избыточностью, так  как каждая вершина повторяется  в нескольких списках;

2) модель есть список  ребер, для каждого ребра заданы  инцидентные вершины и грани.  Однако аппроксимация полигональными  сетками при больших размерах  ячеек сетки дает заметные  искажения формы, а при малых  размерах ячеек оказывается неэффективной  по вычислительным затратам. Поэтому  более популярны описания неплоских  поверхностей кубическими уравнениями  в форме Безье или 5-сплайнов.

Знакомство с этими  формами удобно выполнить, показав  их применение для описания геометрических объектов первого уровня -- пространственных кривых.

Примечание. Геометрическими  объектами нулевого, первого и  второго уровней называют соответственно точки, кривые, поверхности.

В подсистемах МГиГМ используются параметрически задаваемые кубические кривые

геометрический конструктивный моделирование поверхность

x(t) = axt3 + bxt2 + cxt + dx ;

y(t) = ay t3 +X by t2 + cy t + dy ;

z(t) = a.t3 + b_t2 + cj + d_,

где 1 > t > 0. Такими кривыми описывают сегменты аппроксимируемой кривой, т. е. аппроксимируемую кривую разбивают на сегменты и каждый сегмент аппроксимируют уравнениями (3.48).

Применение кубических кривых обеспечивает (соответствующим выбором  четырех коэффициентов в каждом из трех уравнений) выполнение четырех  условий сопряжения сегментов. В  случае кривых Безье этими условиями  являются прохождение кривой сегмента через две заданные концевые точки  и равенство в этих точках касательных  векторов соседних сегментов. В случае 5-сплайнов выполняются условия непрерывности  касательного вектора и кривизны (т. е. первой и второй производных) в  двух концевых точках, что обеспечивает высокую степень гладкости кривой, хотя прохождение аппроксимирующей кривой через заданные точки здесь  не обеспечивается. Применение полиномов  выше третьей степени не рекомендуется, так как велика вероятность появления  волнистости.

В случае формы Безье коэффициенты в (3.48) определяются, во-первых, подстановкой в (3.48) значений (=0к(=1и координат заданных концевых точек Р, и Р4 соответственно, во-вторых, подстановкой в выражения производных

dx/dt = За t2 + 2b + с , X X х'

dy/dt = За, Г2 + 2byt + с ,

dz/dt = 3a.t2 + 2b.t + с.

тех же значений / = 0 и / = 1 и  координат точек Р2 и Р3, задающих направления касательных векторов (рис. 3.27). В результате для формы Безье получаем

Кривая Безье. (3.27)

для которых матрица М  имеет иной вид и представлена в табл. 3.12, а векторы Gx, Gy, G содержат соответствующие координаты точек Р, 1; Р, Р, + 1, Р, + 2.