專利名稱：復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法
技術領域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)品設計方法，尤其是涉及一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移 植方法。
技術背景產(chǎn)品變異設計是在產(chǎn)品基型基礎上，為滿足客戶需求而進行變結構、變拓 撲的一種支持產(chǎn)品創(chuàng)新的智能設計方法。當前機械制造企業(yè)中定制產(chǎn)品進行的 大多數(shù)設計是產(chǎn)品變異設計，如工業(yè)汽輪機、大型電除塵器等產(chǎn)品變異設計達90%以上。就是在許多標準化的機械產(chǎn)品開發(fā)中，為了滿足個性化需求仍然需要 進行大量的零部件變異設計，而且變異零部件往往結構復雜、決定著產(chǎn)品整個 設計周期的長短，因此，產(chǎn)品變異設計已成為企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)中的一個瓶頸問 題。本發(fā)明的背景技術為產(chǎn)品變異設計往往需對零件結構形狀進行改變，傳統(tǒng)參數(shù)化設計遵循的"變 參數(shù)、不變拓撲"方法，該方法只能改變產(chǎn)品零件結構尺寸大小，但無法改變 結構的形狀。傳統(tǒng)參數(shù)化設計是通過建立尺寸與幾何的約束來實現(xiàn)尺寸驅動的， 無法實現(xiàn)產(chǎn)品結構的變異。目前對產(chǎn)品結構修改因缺乏相應方法的支持，只能通過幾何層的人工交互 進行，使得復雜產(chǎn)品結構修改工作量大，效率低。結構之間由于缺乏不同拓撲 間的搭接方法，無法將不同結構的拓撲融合起來，而形成統(tǒng)一的產(chǎn)品模型。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法，基于移 植結構間的替換式與橋接式搭接實現(xiàn)結構變異。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案的步驟如下 第一步，根據(jù)產(chǎn)品變異要求對零件進行虛擬切割；第二步，通過可移植結構的相似性檢索，獲得移植結構，相似性檢索以變 異設計語義和形態(tài)分布圖為檢索索引；第三步，提取虛擬切割面與移植結構間搭接的拓撲信息，根據(jù)兩者的拓撲匹配判別相應的替換式或橋接式搭接形式；第四步，基于知識關聯(lián)與檢索進行不同拓撲與結構的搭接與融合重用。 所述的虛擬切割，是對零件三維幾何模型需改變的局部結構部位進行切割，根據(jù)切割需要選用平面虛擬切割、棱柱虛擬切割、棱錐虛擬切割、棱臺虛擬切 割、圓柱虛擬切割、圓錐虛擬切割和圓臺虛擬切割進行。所述的可移植結構是指可以用來進行移植的結構體，可移植結構的相似性 檢索是指在建立可移植結構庫的基礎上，以變異設計語義和三維模型形態(tài)分布 圖為檢索索引從可移植結構庫中檢索出所需的移植結構，按照相似度從大到小 排序，供設計者有選擇地進行結構移植。所述的用于結構移植的自適應拓撲搭接方法，包括復雜產(chǎn)品結構移植的替 換式搭接方法與復雜產(chǎn)品結構移植的橋接式搭接方法。所述的復雜產(chǎn)品結構移植的替換式搭接方法的步驟如下-第一步，對零件中需替換的局部結構進行虛擬切割，提供給用戶設計的操 作有平面虛擬切割、棱柱虛擬切割、棱錐虛擬切割、棱臺虛擬切割、圓柱虛擬 切割、圓錐虛擬切割和圓臺虛擬切割；第二步，零件虛擬切割面與移植結構搭接面拓撲間存在一致時，進入下一 步，否則采用橋搭式搭接方法進行搭接；第三步，對搭接面進行幾何大小的匹配，若匹配則直接進行搭接；第四步，搭接面間幾何不匹配，以零件結構為基準提取對應的縮放因子， 對移植結構進行整體或局部縮放，完成替換式搭接。所述的復雜產(chǎn)品結構移植的橋接式搭接方法的步驟如下第一步，判別需用橋搭式搭接方法進行搭接時，提取虛擬切割面與移植結 構的拓撲信息；第二步，建立相應的移植結構搭接知識與搭接形式；第三步，根據(jù)虛擬切割面與移植結構的拓撲按搭接知識選擇相應的搭接形 式，形成搭接體；第四步，采用兩層分別進行搭接，第一層為搭接體與移植結構搭接，第二 層為帶搭接體的移植結構與零件切割面進行搭接。所述的基于知識關聯(lián)與檢索的搭接與融合重用方法的步驟如下第一步，移植結構的檢索包括變異設計語義和三維形狀相似性檢索，三維 形狀相似性檢索是通過建立三維模型形態(tài)分布圖作為檢索索引來進行；第二步，從統(tǒng)一的復雜產(chǎn)品可移植結構庫中檢索出三維形狀相似結構，按 照相似度從大到小排序，供設計者有選擇地進行結構移植；第三步，由于變異設計的結構移植過程具有時序性，被記錄的變異設計的 結構移植過程事件可形成一個有序序列。在此有序序列中，抽取施動者或受動者，可用新的對象來操作，而不改變結構移植具體過程。通過重新運算便得到 新的設計結果，實現(xiàn)變異設計中移植結構的過程重用。 本發(fā)明具有的有益效果是1. 采用本發(fā)明可實現(xiàn)具有不同拓撲結構的移植，通過結構移植改變零件的 結構形狀，實現(xiàn)產(chǎn)品變異設計，解決現(xiàn)有方法只能改變大小不能改變結構形狀 的問題。2. 本發(fā)明提出的替換式與橋接式搭接方式，根據(jù)不同搭接的要求，基于知 識關聯(lián)可自適應地實現(xiàn)，對提高復雜產(chǎn)品變異設計效率起到了重要作用。3. 本發(fā)明提出的結構移植過程重用，可克服傳統(tǒng)設計重用方法只能重用設 計結果，無法重用設計過程的問題。采用本發(fā)明結構移植過程重用可根據(jù)移植 要求，快速實現(xiàn)不同的移植方案。


圖1是本發(fā)明的原型系統(tǒng)程序流程總圖。 圖2是本發(fā)明的可移植結構的自適應虛擬切割圖。 圖3是本發(fā)明的可移植結構的三維形狀相似性檢索圖。 圖4(a)是變異操作前曲軸前端結構圖。 圖4(b)是變異操作后曲軸前端結構圖。 圖5(a)是變異操作前曲軸軸身結構圖。 圖5(b)是變異操作后曲軸軸身結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。 如圖1所示，是本發(fā)明的原型系統(tǒng)程序流程總圖。原型系統(tǒng)主要有復雜產(chǎn)品可移植結構庫、移植結構的自適應虛擬切割、可 移植結構的三維形狀相似性檢索、變異設計語義知識庫、復雜產(chǎn)品變異設計過 程的重用五大模塊。復雜產(chǎn)品可移植結構庫分為通用庫和專用庫，是在對機械 零件CAD/CAM/CAE/CAPP等產(chǎn)品全生命周期分析的基礎上進行分類、歸納和 提取多粒度結構而建立的。數(shù)據(jù)庫平臺具有較好可靠性、完整性、安全性及可 伸縮性，用于復雜產(chǎn)品的三維形狀相似性檢索、局部移植和結構變異，是結構 移植的復雜產(chǎn)品變異設計的重要支撐。移植結構的自適應虛擬切割是通過生成 自適應虛擬切割體對結構進行切割獲得可移植結構?？梢浦步Y構的三維相似性 形狀的核心是構建可移植結構的變異設計語義和形態(tài)分布圖作為檢索索引。變 異設計語義知識庫與可移植結構的關聯(lián)是通過對可移植結構的拓撲元素添加變異設計語義實現(xiàn)的。復雜產(chǎn)品變異設計過程的重用是通過記錄和關聯(lián)變異設計 過程實現(xiàn)的。原型系統(tǒng)的用戶界面為多文檔界面應用程序?；竟δ苡形募蜷_、關 閉、新建、保存及另存為等文件操作；拉伸、平移、旋轉、縮放、掃描等基本 造型操作；陣列、投影、混合、基于規(guī)則的曲面生成等高級造型操作；實體拓 撲分析、實體網(wǎng)格化、曲面離散化、長度測量、查看任意截面等實用操作。通 過為一個文檔類對象添加多個視圖類對象，擴展原型系統(tǒng)的三維瀏覽能力。視 圖窗口的視角模式有ISO、 FRONT、 BACK、 RIGHT、 LEFT、 TOP和BOTTOM 七種。實體的渲染顯示模式有Wireframe、 Hidden Line、 Gouraud Shaded、 Triangulated和Phong Shaded五種。鼠標的交互選擇有體、面、邊和頂點四個層 次。原型系統(tǒng)具有健壯的布爾操作功能，進行布爾操作的實體既可以是鼠標交 互選擇的一個或多個實體也可以是可移植結構庫中任意選擇的結構，這是實現(xiàn) 結構移植的變異設計的重要保證。復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法操作過程是首先從可移植結構庫導入 零件模型，對零件結構分析，通過虛擬切割確定變異結構直到細分滿足要求為 止，對可移植結構庫進行移植結構檢索，選擇移植結構，將其映射到設計中心， 預覽變異操作，不滿足要求，重新進行三維形狀相似性檢索，不斷改變移植結 構，直到滿足變異要求為止，最后確定變異進行模型結構更新、零件模型更新， 完成結構移植的復雜產(chǎn)品變異設計過程。如圖2所示，是本發(fā)明的可移植結構的自適應虛擬切割圖。 其中(a)、平面虛擬切割，(b)、棱柱虛擬切割，(c)、圓柱虛擬切割。通過 鼠標選定需要切割的結構，自動生成虛擬切割體。自適應是指虛擬切割體的大 小和位置在選定需要切割的結構后，均可以自動產(chǎn)生。這是通過遍歷三維幾何 結構的邊界表達數(shù)據(jù)結構，生成其對應的凸包圍盒實現(xiàn)的。可以依據(jù)切割需要 選擇平面虛擬切割、棱柱虛擬切割、棱錐虛擬切割、棱臺虛擬切割、圓柱虛擬 切割、圓錐虛擬切割和圓臺虛擬切割。通過虛擬切割確定變異結構直到滿足要 求為止。切割前、后的所有結構均同步通過自定義文件名命名方式保存到統(tǒng)一 可移植結構庫中，實現(xiàn)后續(xù)所有變異設計訪問的實時同步更新。如圖3所示，是本發(fā)明的可移植結構的三維形狀相似性檢索圖。 其中(a)、査詢模型，(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%，(1)、相似度70.49%?？梢浦步Y構間的相似度是指可移植結構間的三維形狀相似 程度，是一個應用驅動、用戶感知的概念， 一個描述相似度的統(tǒng)一表達式難以 被定義，需根據(jù)不同的變異設計需求和工程應用背景確定。為獲得與虛擬切割 得到的變異結構三維形狀相似的結構，對可移植結構庫進行三維形狀相似性檢 索，其核心是構造實體對應的形態(tài)分布圖，并將其存儲到可移植結構庫的表中。 通過變異設計語義和形態(tài)分布圖構建緊致、魯棒的檢索索引，使設計者可從統(tǒng) 一的復雜產(chǎn)品多粒度可移植結構庫中檢索出三維形狀相似的三維結構，按照相 似度從大到小排序輸出檢索結果，供設計者有選擇地進行重用，對檢索結果選 擇后，被選擇的結構映射到設計中心，提高結構移植的復雜產(chǎn)品變異設計效率。 如圖4所示，是本發(fā)明的方法在曲軸零件前端軸的變異設計應用圖。 圖4(a)是變異操作前曲軸前端軸結構圖，圖4(b)是變異操作后曲軸前端軸結 構圖。通過替換式結構移植實現(xiàn)可移植結構與曲軸前端軸的單面搭接。從可移 植結構的三維形狀相似性檢索結果中，選擇需要的結構映射到設計中心，以零 件結構為基準提取對應的縮放因子，對移植結構進行整體或局部縮放，利用尺 寸驅動機制實現(xiàn)可移植結構的尺寸驅動。通過可移植結構的法線對齊、頂點對 齊和角度對齊三個平面搭接基本操作實現(xiàn)可移植結構的三維定位。尺寸驅動和 三維定位完成后通過布爾運算，實現(xiàn)曲軸前端軸變異設計。如圖5所示，是本發(fā)明的方法在曲軸零件軸身的變異設計應用圖。 圖5(a)是變異操作前曲軸軸身軸結構圖，圖5(b)是變異操作后曲軸軸身軸結 構圖。通過橋接式結構移植實現(xiàn)可移植結構與曲軸軸身的雙面搭接。采用兩層 分別進行搭接，第一層為搭接體與移植結構搭接，第二層為帶搭接體的移植結 構與零件切割面進行搭接。每一層的搭接都通過尺寸驅動和三維定位實現(xiàn)。如 果記錄了其中一層的變異過程，則可用與被記錄的相同的變異過程作用在不同 的設計對象上，獲得 的變異設計結果，從而實現(xiàn)變異設計中移植結構的過 程重用。
權利要求
1. 一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法，其特征在于該方法的步驟如下第一步，根據(jù)產(chǎn)品變異要求對零件進行虛擬切割；第二步，以變異設計語義和形態(tài)分布圖為檢索索引對可移植結構庫進行三維形狀相似性檢索，獲得移植結構；第三步，提取虛擬切割面與移植結構間搭接的拓撲信息，根據(jù)兩者的拓撲匹配判別相應的替換式或橋接式搭接形式；第四步，基于知識關聯(lián)與檢索實現(xiàn)不同拓撲與結構的搭接與融合重用。
2、 根據(jù)權利要求l所述的一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法，其特 征在于所述的虛擬切割，是對零件三維幾何模型需改變的局部結構部位進行 切割，根據(jù)切割需要選用平面虛擬切割、棱柱虛擬切割、棱錐虛擬切割、棱臺 虛擬切割、圓柱虛擬切割、圓錐虛擬切割和圓臺虛擬切割進行。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法，其特 征在于所述的可移植結構是指可以用來進行移植的結構體，可移植結構的三 維形狀相似性檢索是指在建立可移植結構庫的基礎上，以變異設計語義和形態(tài) 分布圖為檢索索引對可移植結構庫進行三維形狀相似性檢索，獲得移植結構， 按照相似度從大到小排序，供設計者有選擇地進行結構移植。
4、 根據(jù)權利要求l所述的一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法，其特 征在于所述的用于結構移植的自適應拓撲搭接方法，包括復雜產(chǎn)品結構移植 的替換式搭接方法與復雜產(chǎn)品結構移植的橋接式搭接方法。
5、 根據(jù)權利要求4所述的一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法，其特 征在于，所述的復雜產(chǎn)品結構移植的替換式搭接方法的步驟如下第一步，對零件中需替換的局部結構進行虛擬切割，提供給用戶設計的操 作有平面虛擬切割、棱柱虛擬切割、棱錐虛擬切割、棱臺虛擬切割、圓柱虛擬 切割、圓錐虛擬切割和圓臺虛擬切割；第二步，零件虛擬切割面與移植結構搭接面拓撲間存在一致時，進入下一 步，否則采用橋搭式搭接方法進行搭接；第三步，對搭接面進行幾何大小的匹配，若匹配則直接進行搭接；第四步，搭接面間幾何不匹配，以零件結構為基準提取對應的縮放因子， 對移植結構進行整體或局部縮放，完成替換式搭接。
6、 根據(jù)權利要求4所述的一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法，其特 征在于，所述的復雜產(chǎn)品結構移植的橋接式搭接方法的步驟如下第一步，判別需用橋搭式搭接方法進行搭接時，提取虛擬切割面與移植結 構的拓撲信息；第二步，建立相應的移植結構搭接知識與搭接形式；第三步，根據(jù)虛擬切割面與移植結構的拓撲按搭接知識選擇相應的搭接形 式，形成搭接體；第四步，采用兩層分別進行搭接，第一層為搭接體與移植結構搭接，第二 層為帶搭接體的移植結構與零件切割面進行搭接。
7、 根據(jù)權利要求l所述的一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法，其特 征在于，所述的基于知識關聯(lián)與檢索的搭接與融合重用方法的步驟如下-第一步，移植結構的檢索包括變異設計語義和三維形狀相似性檢索，三維 形狀相似性檢索是通過構造三維模型形態(tài)分布圖作為檢索索引來進行；第二步，從統(tǒng)一的復雜產(chǎn)品可移植結構庫中檢索出三維形狀相似結構，按 照相似度從大到小排序，供設計者有選擇地進行結構移植；第三步，由于變異設計的結構移植過程具有時序性，被記錄的變異設計的 結構移植過程事件可形成一個有序序列。在此有序序列中，抽取施動者或受動 者，可用新的對象來操作，而不改變結構移植具體過程。通過重新運算便得到 新的設計結果，實現(xiàn)變異設計中移植結構的過程重用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復雜產(chǎn)品變異設計中的結構移植方法。該方法的步驟如下根據(jù)產(chǎn)品變異要求對零件進行虛擬切割；以變異設計語義和形態(tài)分布圖為檢索索引對可移植結構庫進行三維形狀相似性檢索，獲得移植結構；提取虛擬切割面與移植結構間搭接的拓撲信息，根據(jù)兩者的拓撲匹配判別相應的替換式或橋接式搭接形式；基于知識關聯(lián)實現(xiàn)不同拓撲與結構的搭接與融合重用。采用本發(fā)明可實現(xiàn)具有不同拓撲結構的移植，通過結構移植改變零件的結構形狀，實現(xiàn)產(chǎn)品變異設計，解決現(xiàn)有方法只能改變大小不能改變結構形狀的問題。本發(fā)明提出的替換式與橋接式搭接方式，根據(jù)不同搭接的要求，基于知識關聯(lián)可自適應地實現(xiàn)，對提高復雜產(chǎn)品變異設計效率起到了重要作用。
文檔編號G06F17/30GK101256600SQ20081006089
公開日2008年9月3日 申請日期2008年3月25日 優(yōu)先權日2008年3月25日
發(fā)明者伊國棟, 張樹有 申請人:浙江大學