逆向设计与数字化设计

第31篇 逆向设计

第1章概述



第2章逆向工程数字化数据测量设备

2.1逆向工程测量方法31-6

2.1.1接触式测量31-7

2.1.2非接触式测量31-8

2.2坐标测量机原理、结构与特点31-11

2.2.1坐标测量机原理31-11

2.2.2直角坐标测量机结构形式与特点31-13

2.2.3便携式关节臂坐标测量机结构形式与特点31-15

2.3坐标测量机主要生产商及部分产品31-15

2.4典型光学测量设备31-24



第3章逆向设计中的数据预处理

3.1测头半径补偿31-29

3.1.1拟合补偿法31-30

3.1.1.1B样条曲面补偿法31-30

3.1.1.2Kriging补偿法（参数曲面法）31-31

3.1.2直接计算法31-32

3.1.3三角网格法31-33

3.1.4半球测量法31-34

3.2数据的剔除31-35

3.3数据的平滑31-35

3.3.1数据平滑处理方法31-35

3.3.2数据平滑滤波方法31-35

3.4数据的拼合31-38

3.4.1数据拼合问题31-38

3.4.2基于三基准点对齐的数据拼合31-39

3.4.3多视数据统一31-40

3.4.4数据拼合的误差分析31-41

3.5数据的修补31-42

3.6数据的精简31-44

3.7数据的分割31-45

3.7.1点云数据分割方法31-46

3.7.2散乱数据的自动分割31-47



第4章三维模型重构技术

4.1曲线拟合造型31-50

4.1.1参数曲线的插值与拟合31-51

4.1.1.1参数多项式31-51

4.1.1.2数据点参数化31-51

4.1.1.3多项式插值曲线31-52

4.1.1.4*小二乘拟合31-52

4.1.2B样条曲线插值与拟合31-53

4.1.2.1B样条曲线插值31-53

4.1.2.2B样条曲线拟合31-53

4.2曲面拟合造型31-55

4.2.1有序点的B样条曲面插值31-55

4.2.1.1曲面插值的一般过程31-55

4.2.1.2双三次B样条插值曲面的反算31-56

4.2.2B样条曲面拟合31-58

4.2.2.1*小二乘曲面拟合31-58

4.2.2.2在规定精度内的曲面拟合31-58

4.2.3任意测量点的B样条曲面拟合31-58

4.2.3.1B样条曲线、曲面及*小二乘拟合定义31-58

4.2.3.2基本曲面参数化31-59

4.3曲线的光顺31-62

4.3.1能量光顺方法31-62

4.3.1.1能量法构造过程31-62

4.3.1.2迭代停止准则及方法31-63

4.3.2参数样条选点光顺31-63

4.3.3NURBS曲线选点光顺31-63

4.3.3.1曲线选点修改基本原理与光顺性准则31-63

4.3.3.2节点删除方法与光顺中的误差控制31-64

4.3.3.3曲线选点迭代光顺算法31-65

4.4曲面的光顺31-66

4.4.1网格法光顺31-66

4.4.2能量法光顺31-66

4.5曲线曲面编辑与曲面片重建方法31-67

4.5.1曲线的编辑31-67

4.5.2曲面的编辑31-67

4.5.3基于曲线的曲面片重建31-69

4.6模型重建质量与评价31-71

4.6.1工程曲面的分类31-71

4.6.2模型重建误差分析31-72

4.6.3曲线曲面的连续性与光顺性31-73

4.6.3.1曲线曲面的连续性31-73

4.6.3.2曲线曲面的光顺性31-74

4.6.4模型精度分析与评价31-75

4.6.4.1基于曲率的方法31-76

4.6.4.2基于光照模型的方法31-77

4.6.4.3任意点到曲面的距离31-77



第5章常用逆向工程设计软件

5.1逆向工程设计软件简介31-81

5.2Geomagic Wrap软件31-81

5.2.1软件介绍31-81

5.2.2工作流程31-82

5.2.3基本功能31-82

5.2.4主要数据处理模块31-82

5.2.5主要特点31-82

5.3Geomagic Design X软件31-84

5.3.1软件介绍31-84

5.3.2工作流程31-84

5.3.3基本功能31-84

5.3.4主要数据处理模块31-86

5.3.5主要特点31-87

5.4Geomagic Control X软件31-87

5.4.1软件介绍31-87

5.4.2工作流程31-87

5.4.3基本功能31-87

5.4.4主要数据处理模块31-88

5.4.5主要特点31-91

5.5UG/Imageware软件31-92

5.5.1软件介绍31-92

5.5.2工作流程31-92

5.5.3基本功能31-92

5.5.4主要数据处理模块31-94

5.5.5主要特点31-94

5.6Creo软件的逆向设计模块31-94

5.6.1软件介绍31-94

5.6.2扫描工具31-94

5.6.3小平面特征31-96

5.6.4重新造型31-97

5.7CATIA软件的逆向设计模块31-98

5.7.1软件介绍31-98

5.7.2工作流程31-98

5.7.3基本功能31-98

5.7.4主要数据处理模块31-99

5.7.5主要特点31-100



第6章逆向设计实例

6.1基于Geomagic Wrap的螺旋结构逆向设计31-101

6.1.1产品分析31-101

6.1.2点云的处理31-101

6.1.3多边形的处理31-102

6.1.4形状阶段处理31-104

6.1.5逆向结果的分析31-107

6.2基于Geomagic Design X的发动机叶轮模型逆向设计31-107

6.2.1叶轮模型领域划分与对齐摆正31-108

6.2.2叶轮基体的逆向设计31-109

6.2.3大小叶片的逆向设计31-110

6.2.4叶片阵列及叶轮缝合31-113

6.3基于Geomagic Control X的机车转向架构架焊接变形检测31-114

6.3.1点云预处理31-114

6.3.2点云与设计模型坐标系配准31-116

6.3.3检测结果分析31-117

6.4基于UG/Imageware的发动机气道逆向设计31-119

6.4.1输入和处理点云数据31-119

6.4.2模型重建31-121

6.5基于Creo的铸造件逆向设计31-124

6.5.1独立几何模块31-124

6.5.2扫描曲线的创建和修改31-124

6.5.3型曲线的创建和修改31-126

6.5.4型曲面的创建和修改31-126

6.5.5小平面特征31-126

6.5.6重新造型31-128

6.6基于CATIA的钣金件逆向设计31-129

6.6.1点云处理31-129

6.6.2创建空间曲线曲面31-131

6.6.3钣金件逆向品质分析31-135



参考文献31-136



第32篇数字化设计

第1章数字化设计技术概论

1.1数字化设计技术内涵32-3

1.1.1数字化设计技术的概念32-3

1.1.2数字化设计的主要内容32-4

1.1.3数字化设计的特点32-6

1.2数字化设计技术的相关技术32-7

1.2.1“工业4.0”与“中国制造2025”32-7

1.2.1.1“工业4.0”32-7

1.2.1.2“中国制造2025”32-8

1.2.2大数据、云计算和物联网技术32-8

1.2.2.1大数据32-8

1.2.2.2云计算32-9

1.2.2.3物联网技术32-10

1.2.3互联网 32-11

1.2.4虚拟现实技术32-12

1.2.53D打印技术32-13

1.3数字化设计技术的发展趋势32-17



第2章数字化设计系统的组成

2.1数字化设计系统的组成32-18

2.2数字化设计系统的硬件系统32-18

2.2.1主机32-18

2.2.2内存储器32-19

2.2.3外存储器32-19

2.2.4输入输出装置32-19

2.2.4.1输入设备32-19

2.2.4.2输出设备32-20

2.2.5网络互联设备32-21

2.2.6硬件系统配置32-22

2.3数字化设计系统的软件系统32-22

2.3.1常用操作系统32-23

2.3.2数据库32-23

2.3.3支撑软件32-24

2.3.4程序设计语言32-25

2.3.5数字化设计典型软件32-26

2.4数字化设计系统的建立32-29

2.4.1数字化设计软件系统的开发流程32-29

2.4.2数字化设计系统软硬件的选型32-30



第3章计算机图形学基础

3.1概述32-33

3.1.1计算机图形学的研究内容32-33

3.1.2计算机图形学的应用领域32-33

3.1.3计算机图形系统的硬件设备32-34

3.2图形变换32-34

3.2.1二维图形的基本几何变换32-34

3.2.1.1恒等变换32-34

3.2.1.2比例变换32-35

3.2.1.3反射变换32-35

3.2.1.4错切变换32-36

3.2.1.5旋转变换32-37

3.2.1.6平移变换及齐次坐标32-37

3.2.2二维图形的组合变换32-38

3.2.2.1平面图形绕任意点旋转的变换32-38

3.2.2.2平面图形以任意点为中心的比例变换32-39

3.2.3三维图形的几何变换32-39

3.2.3.1平移变换32-39

3.2.3.2比例变换32-40

3.2.3.3旋转变换32-41

3.2.4正投影变换32-42

3.2.5复合变换32-43

3.2.5.1主视图变换矩阵32-44

3.2.5.2俯视图变换矩阵32-44

3.2.5.3左视图变换矩阵32-44

3.2.5.4三视图变换矩阵应注意的问题32-44

3.2.6复合变换轴测图投影变换32-44

3.3三维物体的表示32-45

3.3.1曲线32-45

3.3.1.1参数曲线32-45

3.3.1.2Hermite曲线32-46

3.3.1.3Bezier曲线32-46

3.3.1.4B样条曲线32-47

3.3.1.5非均匀有理B样条曲线（NURBS）32-48

3.3.2曲面32-48

3.3.2.1Coons曲面32-48

3.3.2.2Bezier曲面32-49

3.3.2.3B样条曲面32-49



第4章产品的数字化造型

4.1概述32-50

4.2形体在计算机内部的表示32-50

4.2.1几何信息和拓扑信息32-50

4.2.2形体的定义及表示形式32-50

4.3线框造型系统32-51

4.4曲面造型系统32-52

4.5实体造型系统32-54

4.5.1实体造型的定义32-54

4.5.2构建实体几何模型（CSG）32-54

4.5.3边界表示几何模型（B-Rep）32-55

4.5.4空间位置枚举法（spatial occupancy enumeration）32-55

4.5.5实体空间分解枚举（八叉树）表示法(spatial partitioning representations)32-55

4.5.6扫描表示法（sweep representations）32-56

4.6基于特征的实体造型32-56

4.6.1特征造型的定义32-56

4.6.2特征的分类32-57

4.6.3特征造型技术的实施32-57

4.6.4特征造型的优点32-57

4.6.5参数化造型32-57

4.6.6参数化特征造型系统32-58

4.7装配造型32-58

4.7.1装配造型的功能32-58

4.7.2装配浏览32-58

4.7.3装配模型的使用32-59



第5章计算机辅助设计技术

5.1概述32-60

5.1.1CAD技术的内涵32-60

5.1.2CAD技术的特点与应用32-61

5.1.2.1CAD技术的特点32-61

5.1.2.2CAD技术的应用32-61

5.2CAD图形标准32-62

5.2.1计算机图形接口和图形元文件32-62

5.2.1.1计算机图形接口（CGI）32-63

5.2.1.2计算机图形元文件（CGM）32-63

5.2.2计算机图形软件标准32-64

5.2.2.1GKS标准（GKS和GKS-3D）32-64

5.2.2.2PHIGS标准（程序员层次交互图形系统）32-66

5.2.2.3OpenGL标准（开放图形库）32-67

5.2.3产品数据交换标准32-73

5.2.3.1DXF（图形交换文件）32-74

5.2.3.2IGES（初始图形交换规范）32-77

5.2.3.3STEP（产品模型数据交换标准）32-83

5.3工程数据的计算机处理32-86

5.3.1数表的程序化32-86

5.3.1.1数表的存储32-86

5.3.1.2一元数表的查取方法32-87

5.3.1.3二元数表的查取方法32-88

5.3.1.4数表的公式化32-90

5.3.2线图的程序化32-91

5.3.3建立数据文件32-92

5.3.4数表的数据库管理32-93

5.3.4.1数据库系统简介32-93

5.3.4.2数据库管理系统在CAD中的应用32-93

5.3.5工程数据库32-94

5.3.5.1工程数据库的概念32-94

5.3.5.2工程数据库的特点32-94

5.4CAD软件工程技术32-95

5.4.1软件工程的基本概念32-96

5.4.2CAD应用软件开发32-97

5.4.3软件开发流程32-97

5.4.4CAD软件的文档编制规范32-100

5.4.4.1可行性研究报告32-100

5.4.4.2项目开发计划32-101

5.4.4.3软件需求说明书32-101

5.4.4.4数据要求说明书32-101

5.4.4.5概要设计说明书32-101

5.4.4.6详细设计说明书32-102

5.4.4.7测试计划32-102

5.4.4.8测试分析报告32-102

5.4.4.9项目开发总结报告32-102



第6章有限元分析技术

6.1弹性力学基础32-103

6.1.1弹性力学的主要物理量32-103

6.1.2弹性力学的基本方程32-104

6.1.3弹性力学问题的主要解法32-105

6.2有限元法基础32-105

6.2.1有限元法的基本思想32-105

6.2.2有限元法的基本步骤32-106

6.2.3常用单元的位移模式32-107

6.2.4非节点载荷的移置32-108

6.2.5有限元分析应注意的问题32-109

6.2.6有限元法的应用32-109

6.3各类问题的有限元法32-110

6.3.1平面问题的有限元法32-110

6.3.2轴对称问题的有限元法32-117

6.3.3杆件系统的有限元法32-117

6.3.4空间问题的有限元法32-120

6.3.5等参数单元32-123

6.3.6板壳问题的有限元法32-126

6.3.6.1平板弯曲问题的有限元法32-126

6.3.6.2壳体弯曲问题32-128

6.3.7稳态热传导问题的有限元法32-129

6.3.8动力学问题的有限元法32-131

6.3.8.1质量矩阵与阻尼矩阵32-132

6.3.8.2直接积分法32-133

6.3.8.3振型叠加法32-133

6.3.8.4大型特征值问题的解法32-134

6.3.8.5缩减系统自由度的方法32-134

6.3.9材料非线性问题的有限元法32-135

6.3.9.1材料非线性本构关系32-135

6.3.9.2弹塑性增量分析有限元格式32-136

6.3.9.3非线性方程组的解法32-136

6.3.10几何非线性问题的有限元法32-136

6.3.10.1大变形情况下的应变和应力32-136

6.3.10.2几何非线性问题的表达格式32-138

6.3.10.3大变形条件下的本构关系32-139

6.3.10.4几何非线性问题的求解方法32-139

6.4有限元分析算例32-140

6.4.1结构线性静力分析算例32-140

6.4.1.1平面问题的有限元分析32-140

6.4.1.2桁架和梁的有限元分析32-143

6.4.1.3多体装配有限元分析32-145

6.4.1.4静力学分析综合应用实例——矿井提升机主轴装置静力学分析32-147

6.4.1.5静力学分析综合应用实例——材料非线性有限元分析32-152

6.4.2结构线性动力学分析算例32-155

6.4.2.1模态分析32-155

6.4.2.2瞬态分析32-159

6.4.2.3热分析32-162

6.4.2.4流体动力学分析32-169

6.4.3结构疲劳分析算例32-180

6.4.4结构优化设计算例32-186

6.4.4.1优化设计32-186

6.4.4.2拓扑优化32-193

6.4.5耦合场分析算例32-195

6.4.6电磁分析算例32-204

6.4.7注塑分析算例（Moldflow）32-215

6.4.7.1问题描述32-215

6.4.7.2分析过程32-215

6.4.7.3设定分析参数32-218

6.4.7.4后处理32-220

6.4.7.5工艺优化32-222



第7章并行工程技术

7.1并行工程的内涵32-227

7.1.1并行工程的产生背景32-227

7.1.2并行工程的概念32-227

7.1.3并行工程的主要特点32-228

7.2并行工程的实质及其过程32-228

7.3并行工程原理32-229

7.4并行工程的体系结构32-230

7.5并行工程关键技术及关键要素32-231

7.5.1并行工程的关键技术32-231

7.5.2并行工程的关键要素32-232

7.6并行工程的并行化途径32-233

7.7并行工程研究热点32-234

7.8并行工程的发展趋势32-235

7.9并行工程应用案例32-235

7.9.1波音777并行设计工程实例32-235

7.9.2并行工程在重庆航天新世纪卫星应用技术有限责任公司中的应用32-237



第8章虚拟样机技术

8.1虚拟样机及虚拟样机技术内涵32-240

8.1.1虚拟样机32-240

8.1.2虚拟样机技术32-241

8.1.3虚拟样机技术实现方法32-242

8.2虚拟样机技术体系32-243

8.2.1虚拟样机系统的体系结构32-243

8.2.2虚拟样机技术建立的基础32-244

8.2.3系统总体技术32-245

8.2.4建模技术32-245

8.2.4.1虚拟样机建模的特点32-245

8.2.4.2虚拟样机建模技术的核心32-245

8.2.4.3虚拟样机建模的实现方法32-247

8.2.4.4虚拟样机建模技术应用实例32-248

8.2.5虚拟样机协同仿真技术32-250

8.2.5.1虚拟样机协同仿真技术的实现32-250

8.2.5.2协同仿真实例32-250

8.2.6虚拟样机数据管理技术32-251

8.2.7其他相关技术32-253

8.2.8虚拟样机结构分析实例32-255

8.3虚拟样机技术的工业应用32-257

8.3.1虚拟样机技术在产品全生命周期中的应用32-257

8.3.1.1需求分析及概念设计阶段32-257

8.3.1.2初步设计阶段32-258

8.3.1.3详细设计阶段32-259

8.3.1.4测试评估阶段32-259

8.3.1.5生产制造及使用维护阶段32-260

8.3.2虚拟样机技术的工业应用实例32-260

8.3.2.1德国宝马汽车公司（BMW）32-260

8.3.2.2德国大众汽车公司（Volkswagen）32-261

8.3.2.3EDO Marine and Aircraft Systems公司（EDO）32-262



参考文献32-264