基于UG NX的錨曲面建模方法應(yīng)用研究

陳 希，陳國(guó)貴

(1.揭陽(yáng)安麥思科技有限公司，廣東 揭陽(yáng) 522000；2.揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 揭陽(yáng) 522000)

0 引言

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，促使產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，特別在曲面設(shè)計(jì)方面，采用流線型，不僅體現(xiàn)了時(shí)尚美，還體現(xiàn)了科技感。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD軟件對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)起到了很大的促進(jìn)作用。UGNX是一款面向設(shè)計(jì)、仿真和制造的高性能軟件，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，適用于現(xiàn)代工業(yè)的需求。近些年，國(guó)內(nèi)外UGNX研究應(yīng)用的工程技術(shù)人員做了大量有益的技術(shù)工作，其軟件版本不斷更新，為設(shè)計(jì)創(chuàng)新性產(chǎn)品的建模提供了更完善的方法，已有使用NX對(duì)復(fù)雜、不規(guī)則曲面建模的大量科技文獻(xiàn)發(fā)表，取得了非常好的效果。

UGNX在曲面建模中有拉伸、掃掠、網(wǎng)格曲面、N邊曲面、快速造面和填充曲面等多種命令。其中“填充曲面”是NX10.0及以上版本新增的命令，而“網(wǎng)格曲面”中的“通過(guò)曲線網(wǎng)格”是較靈活的曲面建模命令，掌握這兩種命令的曲面創(chuàng)建技巧可以大大提高建模效率。“通過(guò)曲線網(wǎng)格”功能即通過(guò)一個(gè)方向的截面網(wǎng)格和另一個(gè)方向的引導(dǎo)線創(chuàng)建體，它定義了兩個(gè)方向的控制曲線，分別是“主線串”和“交叉線串”，對(duì)應(yīng)參數(shù)方程的U、V兩個(gè)方向。通常曲面的引導(dǎo)線方向?yàn)閁方向，曲面的截面方向?yàn)閂方向，所以只要四條曲線在交叉處兩兩垂直，則使用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建的曲面不會(huì)收斂，較為光順，質(zhì)量高。

“填充曲面”功能即根據(jù)一組邊界曲線或邊自動(dòng)地創(chuàng)建曲面，對(duì)創(chuàng)建曲面邊的數(shù)量不受限制，但需形成封閉的區(qū)域，能夠按照制定的邊創(chuàng)建規(guī)則的網(wǎng)格面。“填充曲面”使用非常方便，但它不是萬(wàn)能的，不是所有的曲面都適合用它創(chuàng)建，對(duì)于一些較復(fù)雜的不規(guī)則邊，使用“填充曲面”設(shè)置邊“G1”相切時(shí)，創(chuàng)建的曲面可能會(huì)造成局部突起或下陷。

本文以錨的曲面作為建模對(duì)象，使用UGNX軟件的“通過(guò)曲線網(wǎng)格”和“填充曲面”兩種命令介紹不規(guī)則、復(fù)雜曲面的建模方法及應(yīng)用技巧。

1 錨的建模

錨外形是一種特殊的不規(guī)則曲面，可提供抓力，起固定作用，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)活動(dòng)中，常見(jiàn)于船只的停泊。錨的制造需要整體鑄造，不能存在褶皺、裂紋等缺陷，否則會(huì)大大降低錨的鑄造質(zhì)量。因此對(duì)錨的建模質(zhì)量有較高的要求，特別是曲面的建模，要進(jìn)行優(yōu)化，保證曲面在銜接處或彎曲過(guò)渡處能夠足夠光順。錨的平面圖如圖1所示，本文重點(diǎn)介紹錨曲面的建模方法。

圖1 錨的平面圖

根據(jù)錨平面圖的尺寸要求，創(chuàng)建整體平面圖一半的建模草圖，如圖2所示。使用“回旋”命令創(chuàng)建錨柄和錨尖兩部分實(shí)體；使用“標(biāo)準(zhǔn)螺紋”命令設(shè)置小徑、長(zhǎng)度、螺距、角度的參數(shù)創(chuàng)建螺紋；對(duì)A-A截面圖的斜面拉伸115.5 mm成片體。由于錨尖底面與截面A-A之間的彎曲程度較大，且兩個(gè)橫截面的形狀、大小相差較大，因此直接進(jìn)行曲面建模會(huì)造成曲面褶皺，故把剩余的草圖劃分成3個(gè)部分，采用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”和“填充曲面”兩種命令分別構(gòu)建曲面，如圖3所示。

圖2 錨的建模草圖 圖3 錨回旋拉伸及剩余草圖

1.1 錨曲面的“通過(guò)曲線網(wǎng)格”建模方法

1.1.1 “通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建錨曲面

(1) 第1個(gè)曲面的建模。先拉伸四條邊，再用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建，并設(shè)置各邊相切，如圖4所示。

圖4 “通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建第1個(gè)曲面

(2) 第2個(gè)曲面的建模。先在錨柄和A-A截面的拉伸邊作出截面曲線，并用“橋接曲線①”橋接，用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建第1個(gè)網(wǎng)格曲面；創(chuàng)建“橋接曲線②”，使與它相交的兩條曲線的夾角盡可能達(dá)到90°，使用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建第2個(gè)網(wǎng)格曲面；創(chuàng)建“橋接曲線③”，也使與它相交的兩條曲線的夾角盡可能達(dá)到90°，使用“修剪片體”命令將3條橋接曲線包圍部分進(jìn)行修剪刪除，用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建第3個(gè)網(wǎng)格曲面，并進(jìn)行縫合處理。“通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建第2個(gè)曲面如圖5所示。

圖5 “通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建第2個(gè)曲面

(3) 第3個(gè)曲面的建模。用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建第3個(gè)曲面，設(shè)置各邊相切。由于豎直截面的兩條對(duì)邊的長(zhǎng)度和形狀相差較大，生成的曲面有明顯褶皺，如圖6所示。

圖6 “通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建第3個(gè)曲面

1.1.2 “通過(guò)曲線網(wǎng)格”建模優(yōu)化技巧

在曲面作“等參數(shù)曲線”，如圖7所示。由圖7可以看出褶皺產(chǎn)生的原因：由于第3個(gè)曲面的兩條豎直邊曲線形狀相差較大，短邊是圓弧，長(zhǎng)邊是由多圓弧與直線構(gòu)成，且它們的最高點(diǎn)不在同一條“U”線上，造成了曲面從長(zhǎng)邊向短邊收斂時(shí)沿著最高點(diǎn)的方向錯(cuò)開(kāi)了，因此形成褶皺。

圖7 等參數(shù)曲線

為了進(jìn)一步改善褶皺，先將剛創(chuàng)建的第2個(gè)曲面刪除，在豎直邊曲線的最高點(diǎn)作一條“藝術(shù)樣條”，通過(guò)位置增減點(diǎn)數(shù)和參數(shù)化“次數(shù)”來(lái)調(diào)整藝術(shù)樣條的形狀，使其足夠光順。使用“通過(guò)網(wǎng)格曲面”，在“藝術(shù)樣條”兩邊創(chuàng)建兩個(gè)網(wǎng)格曲面，同樣由于曲線邊形狀和長(zhǎng)度的關(guān)系，曲面收斂產(chǎn)生了褶皺，如圖8(a)所示；在產(chǎn)生褶皺漸消處創(chuàng)建一直線，將曲面進(jìn)行分割，刪除有褶皺的曲面，如圖8(b)所示；再次用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建網(wǎng)格曲面，進(jìn)行接面，如圖8(c)所示，可以看出曲面褶皺沒(méi)有了，這就進(jìn)一步優(yōu)化了曲面的光順情況。

圖8 “通過(guò)曲線網(wǎng)格”建模優(yōu)化技巧

1.2 錨曲面的“填充曲面”建模方法

(1) 第1個(gè)曲面的建模。由于錨尖是旋轉(zhuǎn)的實(shí)體，其截面的邊無(wú)法被“填充曲面”直接選擇，不能設(shè)置面相切。因此第1個(gè)曲面的建模用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建比較方便。

(2) 第2個(gè)曲面的建模。采用“填充曲面”命令，選擇曲面的各邊并設(shè)置各邊“G1”相切，如圖9黑色部分所示。

(3) 第3個(gè)曲面的建模。采用“填充曲面”命令，設(shè)置各邊“G1”相切，褶皺明顯減少，曲面的光順度改善了很多，如圖10所示。

圖9 “填充曲面”創(chuàng)建個(gè)曲面 圖10 “填充曲面”創(chuàng)建第2第3個(gè)曲面

1.3 錨曲面建模效果分析

將“填充曲面”創(chuàng)建的第2個(gè)曲面和“通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建的第2個(gè)曲面進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。由圖11可以看出：兩種命令創(chuàng)建的曲面相貼近，相差不大。構(gòu)成曲面的邊在長(zhǎng)度和形狀相差不太大的條件下，這兩種方法創(chuàng)建的曲面質(zhì)量接近，但“填充曲面”建模的速度快、效率高。

將“填充曲面”創(chuàng)建的第3個(gè)曲面和“通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建的第3個(gè)曲面進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。由圖12可以看出：在“通過(guò)曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建“藝術(shù)樣條”處與“填充曲面”創(chuàng)建的曲面有較大區(qū)別，由于“藝術(shù)樣條”的作用，網(wǎng)格曲面比填充曲面要更加飽滿、光順。

完成曲面建模并優(yōu)化后，通過(guò)鏡像、有界平面、縫合、合并、渲染等命令完成整體的建模，如圖13所示。

圖11 兩種命令創(chuàng)建的第2個(gè)曲面對(duì)比

2 結(jié)論

(1) “通過(guò)曲線網(wǎng)格”是UGNX每個(gè)版本都有的命令，常用于復(fù)雜曲面的創(chuàng)建。運(yùn)用該命令的關(guān)鍵在于創(chuàng)建的主曲線與引導(dǎo)線的夾角能否達(dá)到90°。通過(guò)一個(gè)方向的截面網(wǎng)格和另一個(gè)方向的引導(dǎo)線創(chuàng)建體，如果這兩個(gè)方向能夠垂直，則創(chuàng)建的曲面就不會(huì)因?yàn)槭諗慷a(chǎn)生褶皺。對(duì)于不規(guī)則且數(shù)量多于四條邊的復(fù)雜曲面，通常要通過(guò)創(chuàng)建“橋接曲線”或“藝術(shù)樣條”等輔助曲線，將復(fù)雜曲面進(jìn)行多次的拆面和接面。拆面和接面的出發(fā)點(diǎn)是先做曲率平滑的大面，后做曲率陡峭的小面，再通過(guò)相切邊就能創(chuàng)建一個(gè)高質(zhì)量的曲面。所以對(duì)于任何復(fù)雜的曲面來(lái)說(shuō)，只要靈活構(gòu)建輔助線，所創(chuàng)建的網(wǎng)格曲面都是一個(gè)高質(zhì)量的合格曲面。

(2) “填充曲面”是UGNX10.0及以上版本新增的命令，它能夠根據(jù)封閉區(qū)域的邊創(chuàng)建規(guī)則的網(wǎng)格曲面，且取其中的一部分，創(chuàng)建的曲面光順度也很高。該命令簡(jiǎn)單實(shí)用，創(chuàng)建曲面速度快、效率高，常用于一般曲面的創(chuàng)建。但對(duì)于一些較復(fù)雜不規(guī)則邊，使用“填充曲面”可能會(huì)造成局部突起或下陷，這時(shí)需創(chuàng)建“橋接曲線”或“藝術(shù)樣條”等擬合曲線進(jìn)行形狀控制。使用“填充曲面”有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)無(wú)法創(chuàng)建曲面的情況，需改大公差才可能創(chuàng)建，這樣的曲面質(zhì)量就不高，需使用“通過(guò)網(wǎng)格曲面”進(jìn)行曲面優(yōu)化，才能創(chuàng)建高質(zhì)量的曲面。

圖12 兩種命令創(chuàng)建的第3個(gè)曲面對(duì)比

圖13 錨的建模效果