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三维CAD模型形状结构分析方法

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摘要

可重用性设计在机械设计中占有重要地位，它是一种重要的提高企业核心竞争力的手段。随着数字化设计在企业中的广泛应用并逐渐成为主要的设计手段，企业内部积累了大量的三维数字化模型，对它们可重用性分析和利用是提高设计效率、加快设计进度、缩短产品开发周期的有效途径。形状结构信息构成了数字化模型中最主要的工程信息，因此对模型的形状结构分析是解决模型重用的主要突破口。据此，本文对工程中的数字化设计模型的形状结构进行系统地研究，提出面向重用的三维CAD模型的形状结构分析方法。
　　 本文在总结和分析相关领域国内外现状的基础上，提出基于空间变换思想的一般性形状分析原则。一般地，CAD模型的分析通常转化为其对应的图的分析，面关系图和体关系图是两类最为常用的描述CAD模型的图结构。面关系图中节点表示模型中的面信息，边表示面之间的连接信息；体关系图中节点表示模型中的体信息，边表示体之间的关联信息。针对面关系图中的曲线曲面信息，提出一套系统的CAD模型点特性理论，并结合空间变换的思想将曲线曲面的形状信息用一组向量描述。另一方面，针对体关系图中的实体信息，提出一种基于编码的形状描述方法。结合形状分析原则，同样把模型的形状描述转化为向量描述。
　　 通常，在机械零件设计中经常会采用已有的设计结构并导致大量的CAD模型中反复出现相同的局部结构。这些公共局部设计结构是重要的可重用设计资源，因此提出一种多模型公共结构自动识别和提取方法。基于相同的结构具有相同的形状信息的认识，局部设计结构提取等价于具有相同形状特征的局部结构提取。采用CAD模型的面关系图的表述以及相应的形状描述，将公共结构提取问题转化为图的公共子图提取问题。同时采用约束的方式表达子图以及之间的关系，并给出约束等价的判别方法，从而有效地提取多模型之间的公共局部结构。
　　 提出一种基于设计模板识别的多模型统一表达和整合方法，通过大量零件模型中的设计模板提取，可以将模型表达为模板的设计组合，从而将看似无关的模型进行统一的表达和整理，有利于模型资源的管理、模型数据库的压缩以及基于模块化的快速设计。在该方法中，首先采用基于切割环收缩的体分割算法将所有的CAD模型统一的表示为体关系图并进行相应地形状描述。其次，基于数据挖掘理论中的最小描述长度(MDL，Minimum Description Length)原则，将模板提取转化为基于图的MDL的优化问题。采用一种基于图节点合并的贪心策略，对MDL优化问题进行求解得到模板提取结果。
　　 针对机械零件中存在着结构包含关系的特点，从多模型组织层面上，研究模型之间的层次组织结构关系，提出多模型结构包含关系的识别方法。该方法中CAD模型经过边界分割以后同样用图数据结构描述其形状结构关系，从而将模型结构包含转变成图的包含问题。然后，采用图的匹配手段对模型包含关系进行判定。
　　 为验证本文所提出的方法和理论，在Visual C++6.0的开发环境下结合ACIS几何引擎和HOOPS显示核心开发了CAD模型形状结构分析的原型系统。实现了公共结构识别、设计模板提取、包含性关系分析等系统模块，用实例验证了研究成果的正确性和有效性。

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