[科普中國]-實體造型

實體造型（英語：Solid modelling）是用于數(shù)學(xué)和電腦建模的三維實體上的一組連貫原則，它和幾何模型以及計算機(jī)圖形的差別主要在于它對物理尺度保真度的強(qiáng)調(diào)。幾何模型和實體模型一同構(gòu)成電腦輔助設(shè)計的根基，一般可以協(xié)助物理實體的創(chuàng)造、交換、可視化、制作動畫、檢查和注解。1

實體造型的主要應(yīng)用領(lǐng)域是計算機(jī)輔助設(shè)計、工程分析、計算機(jī)圖形學(xué)、動畫、快速原型（rapid prototyping）、醫(yī)療測試和科學(xué)研究的可視化（visualization）。

基本概念掃掠(Sweeping)

把一個元素沿著一條路徑"掃出"的一個立體特征叫做面特征。這些體積要么加到物體上("拉伸(extrusion)")要么切除材料("切割路徑(cutter path)").

也叫做'基于草圖的造型(sketcher based modelling)'.

和各種制造技術(shù)類似，例如擠壓(extrusion),銑(milling),車削(lathe)等等。

邊界表示(Boundary representation)

一個立體可以用其邊界表面表達(dá)，然后填充成為實體.

也成為'曲面造型surfacing'。

和各種制造技術(shù)類似；射出成型(Injection moulding)、鑄造(casting)、鍛造(forging)、熱塑加工(thermoforming)等等。

參數(shù)化體素(也稱基元)實例化Parameterized primitive instancing.

從一個參數(shù)化的體素庫中挑出并指定參數(shù)得到一個物體

例如，螺栓在庫中有一個模型，通過修改它的參數(shù)集合這個模型可以用于所有螺栓的尺寸

空間占領(lǐng)(Spatial occupancy,或空間枚舉)

整個空間子分成規(guī)則塊(cell，或細(xì)胞，胞腔)，物體通過指定它占據(jù)了那些塊來表示。

這樣表示的物體可用于有限差分析。

這通常是在模型完成之后作的，作為分析軟件的預(yù)處理的一部分。

分解Decomposition

和"空間占據(jù)"類似，但是塊可以不規(guī)則，也不用"預(yù)編織"。

這樣表示的模型可以用于有限元分析。

這通常是在模型完成之后作的，作為分析軟件的預(yù)處理的一部分。

構(gòu)造實體幾何(Constructive solid geometry).

用象并，差，交這樣的布爾操作把簡單的物體組合起來，通常有樹形的等級結(jié)構(gòu)(組合體可以再組合)。

基于特征的造型(Feature based modelling)

物體和操作的復(fù)雜組合可以作為一個單元一起修改和復(fù)制。

操作的順序存儲在一個樹狀結(jié)構(gòu)(boolean tree or feature tree)中，參數(shù)的改變可以在樹中傳播(propagate)。

參數(shù)化造型(Parameteric modelling)

特征的屬性被參數(shù)化，并給予標(biāo)簽(變量名)而不僅是固定的數(shù)字尺寸，整個模型的參數(shù)間的關(guān)系也記錄下來，使得參數(shù)值的改變變得更簡單。

幾乎總是和特征聯(lián)合使用，稱為基于特征的參數(shù)化造型系統(tǒng)。

實體造型 CAD因為PC的高速發(fā)展和有競爭力的軟件價格，實體造型系統(tǒng)在過去十年中成了工程專業(yè)的常識課。它們是機(jī)器設(shè)計者的重要工具。

實體造型軟件為機(jī)器設(shè)計和分析創(chuàng)造了一個虛擬現(xiàn)實。和操作者的界面得到了高度優(yōu)化，包括可編的宏命令，鍵盤快捷鍵和動態(tài)模型操作。動態(tài)轉(zhuǎn)動模型，實時三維明暗圖的功能得到了強(qiáng)調(diào)，以幫助設(shè)計者維持思考中的三維視頻。

設(shè)計者通?？梢栽谄渌艘苍谕瑫r工作的時候?qū)δＰ瓦M(jìn)行處理。例如，幾個人同時設(shè)計一臺有很多零件的機(jī)器。新零件創(chuàng)建后加入到裝配模型。每個設(shè)計者都可以處理裝配模型，并一邊工作和加工他們自己的零件。整個設(shè)計的演變對所有參與者都是可見的。

一個實體模型通常由一組特征組成，一個一個加上去，直到模型完成。工程實體模型通常主要由基于草圖的特征組成；二維草圖沿著路徑掃掠形成三維特征。這些可以是切割，也可以是拉伸等等。

另一類建模技術(shù)是'曲面造型'。其中，先定義曲面，然后裁剪，合并，最后填充成為實體。曲面通常由空間中的數(shù)據(jù)曲線和很多不同的復(fù)雜指令定義。曲面造型更困難，但是對于注模之類的制造技術(shù)應(yīng)用起來更好。注模零件的實體模型通常既有曲面造型也有基于草圖的特征。

另一個曲面造型很有優(yōu)勢的例子是車身面板。如果兩塊面板有不同的曲率半徑，并融合在一起，保持切向連續(xù)性(意思是融合的表面方向不會突然改變只會光滑的改變)是不夠的。在兩塊區(qū)域之間必須有連續(xù)的曲率變化率，否則他們的反射看起來會斷開。

工程圖紙是通過索引實體模型半自動的創(chuàng)建的。

這些軟件包的學(xué)習(xí)曲線很陡，但是能夠掌握這些軟件的熟練機(jī)械設(shè)計者會有很高的效率。

實體造型軟件(至少)必須做到以下這些:

對實體零件建模

對零件的裝配建模

維護(hù)零件和裝配件的庫

計算零件和裝配件的質(zhì)量屬性

反映建造零件所需的'材料表'

從實體模型創(chuàng)建工程圖紙

通過明暗圖，轉(zhuǎn)動，隱藏線消除等技術(shù)幫助更好的顯示模型

多數(shù)現(xiàn)代的軟件包還包括附加的功能:

雙向參數(shù)關(guān)聯(lián)(任何特征的改變會反映在所有和該特征有關(guān)的信息中:圖紙，質(zhì)量屬性，裝配，等等，反過來也是一樣)

裝配件的運動，碰撞，和間隙檢測。

專門的附加模塊(有限元分析，鈑金，曲面造型，管/纜布線，電子部件封裝...)

控制文檔和改版級別的管理

模型中包含可編程代碼以控制和關(guān)聯(lián)模型的相關(guān)屬性

數(shù)控機(jī)床的自動編程

真實感繪制

和其他軟件包交換數(shù)據(jù)用的引入/導(dǎo)出程序

可編程的設(shè)計學(xué)習(xí)和優(yōu)化

自動殼特征創(chuàng)建

自動軸特征創(chuàng)建

高級的視覺分析程序，用于軸，曲率，曲率連續(xù)性...

參數(shù)化實體造型三維CAD的一場革命始于1989年，當(dāng)時第一個參數(shù)化造型系統(tǒng)T-FLEX在PC上發(fā)布了。Pro/ENGINEER也于同年發(fā)行?，F(xiàn)在大部分實體造型系統(tǒng)都是參數(shù)化的。

參數(shù)化造型用參數(shù)來定義模型(例如尺寸)。參數(shù)可以以后修改，模型會更新以反映所作的改動。

例子：一個軸通過拉伸一個圓100mm產(chǎn)生。一個轂裝配在其尾端。后來，軸改成200mm長(點擊軸，選擇長度尺寸，改為200mm)。當(dāng)模型更新的時候軸變成200mm長，轂會重新定位到它所裝配到的那個尾端，工程圖紙和質(zhì)量屬性會自動反映所有的變化。

參數(shù)的例子有：用于創(chuàng)建模型特征的尺寸，材料密度，描述掃掠特征的公式，引入的數(shù)據(jù)(例如，描述參照曲面的數(shù)據(jù))。

參數(shù)化造型和明顯也很直觀。但是CAD的頭三十年卻不是這樣的。修改就意味著重化，或者在舊模型的上面增加新的切割或伸展。工程圖紙上的尺寸不是根據(jù)模型顯示,而是直接造出來的。

參數(shù)化造型功能強(qiáng)大，但是模型建造過程需要相當(dāng)?shù)募记伞橐粋€注模零件制作的復(fù)雜模型可能包含上千個特征，修改早先創(chuàng)建的特征可能導(dǎo)致后續(xù)特征創(chuàng)建失敗。有技巧的創(chuàng)建的參數(shù)化模型更易于維護(hù)和修改。

參數(shù)化模型易于數(shù)據(jù)重用。譬如一整族的帶頭螺釘可以從一個模型得到。

計算機(jī)產(chǎn)生的人物的動畫是參數(shù)化造型的一個例子。恰恰·賓克斯(Jar Jar Binks，星戰(zhàn)人物)用一組定位關(guān)鍵肢體位置的參數(shù)描述。模型從這些位置開始建造。對每一幀進(jìn)行參數(shù)修改和模型重建就得到了動畫。

醫(yī)用實體造型現(xiàn)代計算機(jī)斷層攝影(俗稱CT)和核磁共振掃描儀可以為體內(nèi)特征構(gòu)造實體模型

醫(yī)學(xué)實體造型的用途:

可視化

特殊組織的可視化(譬如血管和腫瘤)

為快速原型提供實體模型數(shù)據(jù)(例如，用以輔助外科醫(yī)生準(zhǔn)備困難的手術(shù)).

把醫(yī)學(xué)實體模型和計算機(jī)輔助設(shè)計實體模型結(jié)合起來(例如，用于設(shè)計髖關(guān)節(jié)替代部件)

另見計算機(jī)圖形學(xué)

計算幾何

歐拉邊界表示

線框模型

工程圖紙

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所