[发明专利]一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法

说明书

技术领域

本发明属于工业可变形产品设计中的造型设计技术领域，具体涉及一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法。

背景技术

在现代化设计中，产品的设计通常受到产品自身性能要求、装配环境以及加工工艺等因素的制约，是一个多约束作用下的空间设计问题。现代产品大多是集机、电、液于一体的复杂系统，其组成零件不仅数量众多，而且结构复杂。除标准化的组件，例如发动机、电气元件等以外，还包括部分可变形组件。该类组件在满足自身功能需求的前提下没有固定的外形，具有较大的设计自由度，但其设计约束通常又较为复杂，是产品设计中的一个难点。以汽车油箱设计为例，为实现整车的紧凑布局，在设计中既要保证油箱容积要求，又不能与汽车底盘上的其他零部件发生空间位置干涉，为了获得满意的设计效果通常需要设计人员对设计的三维模型进行反复修改。然而，在现有的三维造型软件中，自由曲面的创建和修改相当复杂，劳动强度较大，严重影响了产品设计的效率。

目前，关于模型虚拟变形建模的方法主要分为两类：基于几何的方法和基于物理的方法。基于几何的可变形物体建模方法的一种重要形式是基于网格模型的形变方法。如《Geometric modeling based on polygonal meshes》(Botsch M,Pauly M,Kobbelt L,et al.Proc of the Acm Siggraph Course Notes,2007,29(29):432-41.)中提到采用网格单元集合的形式来描述可变形物体，其主要特点是通过对网格顶点、边界等特征进行几何平移、旋转以及网格面片的合并和拆分等操作来达到改变模型形状的效果。然而由于表示物体的网格数量众多，直接建模比较困难，对单个点或者面片进行操作很难使模型产生显著并且有意义的形变。因此，基于物理的变形方法受到了越来越多的关注。其中的质点-弹簧模型方法，质点的受力是直接从受力分析中得到，因此计算效率较高。另外，质点-弹簧模型不但克服了几何建模时因构造复杂造型的控制节点大量增多而费时不直观的不足，也实现了对现实世界进行仿真，解决了最终形状未知的变形体对象的表达问题，因此在织物、面部仿真、外科手术领域受到了广泛的应用，但在工程造型领域的应用则较为罕见。如《Developing alternative design concepts in VR environments using volumetric self-organizing feature maps》(Igwe P C,Knopf G K,Canas R.Journal of Intelligent Manufacturing,2008,19(6):661-675.)将质点-弹簧可变形物理模型用于产品的概念设计，这是质点-弹簧模型在产品外观设计方面一次很好的尝试，但是他们仅考虑单个物体的受力形变，物体形变较难控制，不适合具有复杂空间约束的可变形组件的形变过程模拟。

综上所述，现有的具有复杂空间约束的可变形组件造型设计方法中，不足主要体现在以下两个方面：1.基于现有的三维造型软件对自由曲面的创建和修改相当复杂，存在耗时长、效率低的问题；2.当前研究中利用简化的质点-弹簧物理模型方法用于产品的概念设计存在设计范围窄、形变较难控制的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述问题，提供一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法，将柔性物体变形模拟技术应用于复杂产品中可变形组件的造型设计领域。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于空间约束的可变形组件快速设计方法，包括如下步骤：

步骤1：根据产品的设计要求和装配环境，提取目标组件的空间约束边界；

步骤2：建立简化的质点-弹簧模型，其质点全部分布在模型表面，并且只有相邻的两质点之间通过弹簧进行连接；在约束空间中初始化可变形组件，通过逐渐递增的气压来模拟可变形组件的自由膨胀，并进行质点受力分析；质点的重力和摩擦力对实现可变形组件设计没有实际意义，其值设定为0，故质点主要受力为弹簧弹力、质点运动阻尼力和内部气体压力；

步骤3：求解质点的运动方程，采用Verlet积分法来进行质点-弹簧系统运动方程的数值积分求解；

步骤4：进行碰撞检测，采用基于AABB包围盒树的碰撞检测方法来处理可变形组件与约束空间边界之间的碰撞问题，然后转至执行步骤5或步骤6；

步骤5：判断模型是否到达满意的形状，若满意则终止变形模拟，变形结束；若不满意则重新执行步骤2；