三维造型工具范文

2024-05-27

三维造型工具范文（精选5篇）

三维造型工具第1篇

大量实验研究表明, Solid Works具有非常强大的建模功能, 不仅能对零部件进行实体建模, 也能快速进行草图变化的基本轮廓绘制, 还能够对动态约束进行自动检查, 通过拉伸、抽壳、旋转等方法进行操作, 从而达到快速设计产品的目的, 在极大地提高工作效率的同时, 也在一定程度上降低了人力和财力的支出。具体而言, Solidworks是通过带线放样、扫描、填充操作, 生成形状更复杂的曲面结构, 通过这种方式可以直接进行表面修剪、延伸和倒角等操作。同时, 上述功能都可以根据实际需要通过上下或者左右拖动手柄很快地实现, 同时配以动态的形状变化预览。另外, 由于屏幕左侧能够显示特征树, 因此可以对设计的全过程进行科学、有效的监控, 适时修改形状, 从而使操作真正实现智能化, 更加符合人性化的特点。

1 设计齿轮三维造型的基本原理

通过观察发现, 在齿轮三维模型中, 最核心的部分是按照客户的要求绘制的轮齿和齿轮渐开线。但Solid Works不具备直接命令渐开线画图的程序, 这就要求设计者需采用其他程序设计、旋转齿形参数的变化。

式 (1) 中:X, Y为渐开线上任一点的直角坐标系;Rb为渐开线基圆半径;φ为渐开线发生线在基圆上的滚动角度。

φ的最大值为:

式 (2) 中:Ra为渐开线齿定点向径。

在此必须指出的是, 渐开线发生线在基圆上的滚动角度的取值范围为φ≤φmax。通过渐开线方程可以在渐开线计算具体的坐标, 这样才可以得到相应的线性直线命令。然后通过直线的形式连接点, 以这种方式可以得到近似渐伸线。当在求得的渐开线上取得的坐标点满足需求时, 设计人员可以在第一时间准确地绘制渐开线齿廓曲线。

当图形绘制结束后, 反射镜上呈现出基圆齿轮 (是左, 还是右, 需根据具体情况判定) 的砂浆线齿廓, 然后根据齿数z圆形阵列的数量绘制另一侧上面的齿廓曲线。需要注意的是, 在确定位置的过程中必须先确定OP轴线的位置, 再确定OP轴与X轴之间的夹角、AC的弧长S, 那么就可以根据已知的参数计算基圆厚度:

式 (3) (4) 中:z为齿数;α为压力角。

2 具体的设计实例分析

以某一齿轮模型为例, 该齿轮模型齿轮数为50, 模型数为3, 通过对该模型进行整体的设计, 按照以下步骤就可以得到具体的操作过程。

2.1 生成渐开线数据文件

依据上述介绍, 按照程序运行步骤输入文件名Z3-50.TXT, 齿轮数选择50, 模型数输入3.

2.2 绘制齿轮

绘制齿轮主要分为两部分: (1) 基体的产生。一般情况下, 在“前瞻性基准”Solidworks中, 将原点作为中心点绘制原图, 并借助绘图功能得到圆柱体, 此时, 设置的圆柱体的高度为20. (2) 形成轮齿。具体而言, 当点击“插入”选项时, 会出现“曲线”选项, 双击鼠标找到“通过XYZ点曲线”选项, 点击“浏览”, 找到渐开线文件;接着单击“确定”选项, 则渐开线将出现在屏幕上, 最后进行齿轮曲线的自动绘制。通常情况下, 设计者需要在此基础上先画草图, 然后通过实体函数曲线转化, 注意曲线与中心线需保持对称, 并保证齿顶圆直径为156;再根据实体转换功能将圆柱体转换成草图曲线, 这时使用裁切功能将绘出曲线的多余部分去掉, 从而形成轮齿轮廓线。

3 结束语

综上所述, 随着科技的不断发展, 运用Solidworks实现齿轮三维造型的方法已经越来越普遍。以往大量实践结果表明, 通过这种方式设计者可以实现人工绘制齿廓曲线, 使仿真设计与实际更为贴近。通过Auto CAD生成齿轮渐开线, 从而实现齿轮三维指导方法, 这样不仅可以生成标准的圆柱形齿轮, 更可以通过Solidworks扫描、放样生成圆柱斜齿轮。由此可见, 本文研究的建模方法不仅具有较强的通用性, 且成本较低, 无需购买专业、昂贵的插件, 还能够实现双曲线齿轮绘制, 性价比很高。

摘要：Solidworks本身不具备设计齿轮模块的功能, 在这种情况下, 为了更好地实现齿轮造型绘制, 设计者最常用的方法是严格按照图纸精确绘制渐开线, 但由于草图功能的单一化, 设计者绘制渐开线、建立线齿轮三维模型并不是一项简单的工作。

关键词：齿轮渐开线,Solidworks,三维造型,CAM

参考文献

[1]荣瑞芳, 赵先忠.基于Solidworks的齿轮三维造型[J].制造技术与机床, 2014 (3) .

[2]杜芿, 徐京满.Solidworks环境下的齿轮参数化三维造型[J].煤矿机械, 2012 (8) .

三维造型设计课程教学研究第2篇

关键词：三维CAD,教学,创新

随着三维CAD的发展及需求形式, 三维造型设计课程的重要性也逐渐凸显出来。三维造型设计要想取得良好的教学效果, 必须设置合理的教学模式与其相适应。传统的教学模式较为单一, 基本上围绕教材转, 上课学生听课, 下课复习, 这种模式使学生学会了概念, 理解了原理, 但缺乏应用能力。有的高校多媒体设备充足的前提下, 学生在机房上课, 可以做到教师在台上操作, 学生在下面马上练习, 从而教学效果要好于传统的教学模式。但这种在机房上课的方式也有一些不可避免的缺点, 就是机房上课时老师不容易及时掌握学生动态, 学生往往不太注意老师的讲解, 从而教学效率不高, 下课后有些学生不知道自己学了什么, 并且这种教学模式对硬件设备的要求较高。在教与学的过程中, 应该注重学生主动性的发挥, 提高学生的知识和技能水平, 培养学生的创新能力。通过多年的教学经验, 结合现代教学理念, 依据学生水平与教学环境, 建立一种创新型教学模式。

1 创新型教学设计

创新型三维造型设计课程的教学设计是以工学结合为切入点, 注重理论教学内容与实际工作情景相一致。形成模块化教学与项目式教学相结合, 范例式教学与抛锚式教学相结合, 穿插现象分析模式, 将“教、学、做、赛、评”一体化的创新型教学模式。

1.1 理论实训一体化教学

《三维造型设计》课程是以计算机软件应用为主要手段, 辅助完成机械设计。培养既懂机械产品设计, 又懂计算机软件应用的高技能型人才。为了实现培养任务, 该课程采用理论实训一体化的改革思路和设计方法, 课程安排上采用“二理四做”学时连排方式, 前两个学时进行理论教学, 主要是老师在多媒体课堂讲课, 讲课的内容可以是概括性的, 提示性的, 是一个纲要内容;后四个学时学生在老师这个纲的指导下, 自己在机房上机, 老师给予辅导。即授课学时与上机练习学时比例为1:2, 这样既可以发挥同学的主观能动性, 又可以让老师从繁重的机械的教学模式中解脱出来。

1.2 科学设计学习单元

在学习单元的设计中, 强调每个单元明确一项工作任务, 创设学习情境, 融教、学、做一体, 在工作中学习有关知识和技能。并在学习单元中, 按照教学任务的要求有选择有目的设计了课堂讲授、实例演示、操作示范、观摩样片、互动交流、操作训练、巡回辅导、成果展示, 考核评价、总结并布置下一单元任务等教学环节, 并且在每一个教学单元中体现了如下教学设计思想:教、学、做、评、赛一体化的实训课程设计;任务引领下的项目化实践教学;积极寻找实战机会, 课程实训项目随机应变。

1.3 以“做”为中心, 切实提高学生的动手能力

教学过程涉及到四件事:做、学、教、考, 而“学、教、考”均围绕“做”这个中心。针对现阶段学生的状况, 让他们记着做, 接着做, 自己做。所谓听着做, 是教师通过投影仪或电子教室边讲解边示范, 教师做一步学生跟着记一步, 直到完成整个案例;所谓接着做, 是学生在教师的引领下按照教师的思路再做一遍;所谓自己做, 是学生在掌握了一定的基本操作之后, 按照自己的想法再做, 组织学生之间相互交流和讨论, 提倡一题多解, 从而相互学习、相互激励, 共同提高。

1.4 以培养学生学习能力为核心

对于软件学习主要是多练习, 多实训, 发挥学生的想象能力与创新能力。因此采用能力式的考核:在给定的时间内, 让学生在机械制图或机械设计等课程中找一个零件, 根据课堂上老师给出的扩充性学习资料、网络课程及图书馆资源进行资料查阅, 通过自己获取信息绘制出该零件。这样可以发挥学生的想象能力, 增强学生发现问题, 解决问题的能力, 不强调绘制过程, 强调整体设计成果。不仅训练了学生本门课程的训练, 同时对以前的学习内容进行了训练, 做到了温故知新, 综合提高的效果。根据学生完成任务的难易程度和创新程度评定考核成绩, 再加上平时成绩为最终的学生成绩。这样的考核方式有利于增强学生自主学习的积极性, 降低了学生抄袭的可能性, 提高了学生的产品设计能力及创新能力。

2 教学效果

改变了以往“以教学为主”的思路, 转变为“教学互动, 以学生为主”的思路。学生的积极性得到了提高, 从被动学习转换为主动学习。学生能够积极分析和思考零件建模方法, 在学习中学生思维活跃, 不受拘泥, 针对某种特定零件研究其多种建模方法, 提出不同的建模方案, 大大提高了学生运用建模技术的技巧。

3 总结

三维造型设计课程教学研究通过科学设计教学单元和合理的教学方法, 使学生能够掌握扎实和宽广的三维造型设计基础知识、较强的专业应用能力和创新能力

参考文献

[1]钱建春.三维造型软件的教与学[J].中国科技博览, 2009, (14) .

[2]于源, 雷文.《CAD/CAM》课程的教学改革实践与探索[J].北京化工大学学报 (社会科学版) , 2009, (4) .

三维动画角色造型设计的要素第3篇

一、三维动画角色造型设计的重要性

三维动画角色造型设计可以拉近与观众的距离。在动画片的制作与发展过程中,会受到社会价值观念以及当前意识形态的影响,三维动画角色造型设计需要顺应时代潮流,满足受众群体的价值观与审美观,与受众群体产生互动与共鸣,拉近彼此的距离,增强亲和力。在三维动画角色造型设计中选择的形式是多样化的,但要因地制宜,根据受众的品味来把握好角色造型设计。

三维动画角色造型设计可以表现出角色形象和性格。制作三维动画不只是依靠先进的技术,还要突出动画角色的形象与性格方面的设计。一部优秀的三维动画作品,要展现出角色的性格特征,与动画故事情节很好的相融合,这样才能增强三维动画作品的吸引力。所以,在进行三维动画角色造型设计时,首先要明确角色造型的性格特征,然后才可以利用相关技术设计出富有特色的动画人物。

三维动画角色造型设计具有推动动画剧情发展的作用。任何一部三维动画作品都需要一个情节紧凑、引人入胜的剧情,这样才能吸引更多观众的眼球,好的剧情是三维动画的重要元素,所以,在三维动画角色造型设计上结合剧情,利用动画角色的生动形象,在逐渐诠释角色的同时,不断推动剧情发展,在艺术上进行巧妙的搭配,形成色彩鲜明的形象,引起观众的兴趣,并且三维动画角色造型还映衬和铺垫了剧情的发展,将观众慢慢带入剧情之中[1]。

二、三维动画角色造型设计的要素

1、突出形象特征

三维动画具有一定的娱乐性、艺术性与教育性,它可以通过角色造型设计体现出制作人员的思想观念,因此,在进行三维动画角色造型设计时要重点突出形象特征。特别是儿童动画角色设计更要直观的体现出角色的特征,符合儿童心理,让儿童对动画角色更加容易理解与接受。三维动画制作人员在设计初期,要在角色造型构思上有一个明确的认识,准确定位角色的形象特征,构思时从艺术的角度出发,突出角色的性格塑造、外形塑造与特征塑造。可以看出,三维动画角色造型设计在制作中首先要考虑的问题是明确角色的形象特征,给人以强烈的视觉冲击,通常可以采用夸张的手法来进行表达,并且还要符合观众的审美观念,这是三维动画角色造型设计所需要把握的重点。

2、具备艺术感染力

在三维动画作品中要想充分表现出角色造型的性格特点与气质,就要反复推敲角色的形象特征,让观众感觉动画角色既熟悉又陌生,这样可以表现出强烈的艺术特征,具备一定的艺术感染力。让观众在观看三维动画作品时与角色产生情感共鸣,在视觉上与心理上都能得到满足。三维动画作为一种现代动画已经摆脱了传统动画角色单一的客观表现力,运用艺术手段是现代三维动画作品特性的体现,增强主观处理能力,拓宽了三维动画作品的发展空间。

3、符合时代要求

在制作三维动画时,制作人员可以通过采用各种不同的设计素材,来展现动画角色的形象特征,这是动画作品的基本设计要求。三维动画作为现代动画要符合时代要求,在角色造型设计上要体现出时代特征,掌握人们的心理需求与对事物的追求与向往,与流行元素融为一体,提高动画作品的观赏性,让观众在看完动画作品后可以产生共鸣,赏心悦目、愉悦身心,这才是一部优秀的三维动画作品所具备的角色造型设计特点[2]。

4、增添趣味性

三维动画能够吸引人眼球的关键要素就是趣味性,也可以说,趣味性影响着三维动画作品在市场推行后所引起的反应效果,增添趣味性是三维动画角色造型设计的重点。因此,三维动画的制作人员在进行角色造型设计时,要注意给动画角色增添趣味性,表现出具有娱乐和幽默特点的动画角色。给角色增添趣味性是三维动画角色造型设计的关键,在设计中要根据不同观众的心理特点,使角色造型呈现多样化,突出细节上的变化是增添趣味性不可缺少的设计内容。

5、可行性设计

在进行三维动画角色造型设计时,要注意角色的成立与整体动画风格形成统一、和谐的设计,使角色设计具有可行性,是否合理与实用是可行性的具体表现。在角色设计上是可以多样变化的,但要注意是否符合动画整体的设计要求。比如在设计角色时,制作人员构思了一个乖萌的角色设计,为了增强角色的可爱特性,在设计时可以把头与身体用夸张的手法画大,缩短角色腿脚的设计,这在平面设计上是很容易实现上的,但是在三维动画设计上,由于角色造型过于夸张,在设计上很多动作难以得到很好的表现,给制作人员增加了制作难度。

三、结语

总之,三维动画角色造型设计直接决定着三维动画作品的成功与否,角色造型设计要参考相关的依据,并且制作人员要具备丰富的生活经验,制作出符合观众需求的作品,增强三维动画作品的娱乐性、趣味性与观赏性,在实践中不断摸索与创新动画风格,注意角色造型设计的可行性,制作出更多的优秀三维动画作品。

参考文献

[1]杨玥,闫光耀.三维角色设计中关于广西少数民族艺术的运用[J].美术教育研究.2012年10期

基于三维草图的车身气动造型设计第4篇

传统的汽车造型设计流程是一种局部修形优化的方法,即先由工业设计师提出美学造型方案,再由空气动力学工程师对方案进行仿真和局部优化以确定最终外形[1]。由于两者在思维方式和技术手段上不同,要设计出既具有美观外表、良好人机布局又具有较小气动阻力的车身造型是有难度的,需要经历造型师和空气动力学工程师之间反复的修改和协调。针对这种情况,汽车工程界提出一种新的路线:采用气动理想形体作为初始造型的正向设计方法[2],即以事先获取的具有优良气动特性的“理想基本形体”为出发点,通过对其进行局部几何修整及加装少量气动部件,发展成同时满足艺术效果、人机工程学、工艺、安全法规等方面要求的车身造型。

然而目前这种新路线还缺乏较好的可行性,理想形体一般为轮廓简单、光滑封闭的曲面体,直接进行美学设计和实用化修改是有难度的,也不利于设计过程中造型方案的效果评估。本文参考该路线的思想并结合工业设计的特点,提出一种改进路线:以优良气动理想形体为基准,在抽取出的特征线上投影美学元素图案以生成可用于美学评价和细节完善的车身三维草图,然后在定型草图方案上直接构建可供美学渲染、工程仿真和数控加工的CAD模型。作为实践,以一辆新概念运动型轿车的造型设计和模型风洞实验为例,证明此技术路线可以较好地兼顾汽车造型设计中对美学方案和气动性能的要求。

1 基于三维草图的车身造型设计

1.1 三维草图的概念

采用理想形体作为初始造型的正向设计方法,其设计起点是流线性好、具有优良气动特性的理想形体,在形态上表现为光滑封闭的连续曲面体。图1所示为采用升力线理论[2]构建的理想形体,而实际的车身造型方案是具有复杂轮廓变化的复合曲面,两者有很大的差异。要在理想形体曲面上通过直接修改表面以实现美学风格的融入是不容易的,不符合常规的工业设计习惯,也不利于造型修改中美学方案的评估,所以以往通过理想形体建立出的概念样车在造型布局上较为简洁,缺乏复杂的形体变化效果。

本文仍以理想形体作为设计的起点,提出借助其特征线而非曲面来实现美学风格的融入。相对于曲面,曲线的设计门槛低,更适合概念设计阶段的调整。实际上,在造型开发的初期,工业设计师一般是通过手绘素描的方式表现创意[3],这类手绘图由平面线条组成,不管是在纸张上用铅笔绘制还是在数位板上借助Photoshop之类的设计软件,从本质上看是一种位于平面空间的二维草图。它需要设计师凭感官和经验来把握线条的布局,图2为手工绘制的轿车二维草图。从工业设计的角度来看二维草图是非常适合的,然而手绘出的线条不能直接用精确的数学方程加以描述,无法融入工程信息,因此传统的手绘草图在理想形体设计法中是不能作为起点的。

本文提出的三维草图实际上就是一种基于CAD平台、位于立体空间的概念草图,它由三维曲线组成,能够像二维草图一样表达出车身的造型风格,也可以支持三维视角观察,其草图曲线可以自由编辑并能融入工程信息。

1.2 三维草图的数学构成

三维曲线采用NURBS样条曲线,即非均匀有理B样条曲线,适合于目前常用的CAD软件平台。均匀B样条曲线有较强的自由曲线表达功能,而要精确地表示如圆弧、抛物线等规则的曲线却较为困难;而NURBS曲线可以精确地表达上述两种类型的曲线,这对于既包含自由变化的覆盖件又具有标准导圆角细节的车身是非常适合的。它通过在基函数里采用节点的不均匀分割来适应特征顶点或型值点严重不均匀的情况[4]。其数学方程为

式中,pi为特征多边形顶点位置矢量;Ni,k(t)为k次B样条基函数。

wi为常数时,上式为B样条曲线,当wi取不同值时,可得各种曲线。wi的引入大大增加了曲线设计的灵活性。图3为NURBS曲线的示意图,图中的控制点即为特征多边形顶点,调节其坐标就可以实现位置矢量pi的变化,使曲线的形状发生相应变化。

图4所示为某轿车的三维特征线,它由多段NURBS曲线构成,和图2的平面草图不同,从美学上看,它既可以展现出车身的造型轮廓,又可以在三维空间里进行精确调整和修改,因而是一种三维草图。

1.3 基于三维草图的车身造型设计方法

三维草图既可以作为理想形体的特征线,又可以勾画出美学元素的轮廓,这样就为气动造型和美学造型的结合提供了一个平台。

按照上述思想,基于三维草图的车身造型设计方法的路线为:首先选择适合目标车型的理想形体作为起点,抽取其三维特征线组作为几何约束,在约束线内投影构建各个局部的美学元素线,包括进气口、前后灯、散热栅格、窗线、修饰线等细节,以生成细节完善、可供美学评价的三维草图。通过反复调整和评价筛选将草图方案定型,然后就可以直接在草图曲线上生成CAD曲面,进而可以开展下一阶段的效果图渲染、CFD(computational fluid dynamics)流体计算仿真以及模型加工和风洞实验等,完成造型的前期设计。图5所示为该思路的车身造型设计方法。

2 设计实践

现以一新概念运动型轿车的设计作为实践来验证本文提出的路线。该款车型的设计目标如下:(1)具有原创的美学风格;(2)较低的气动阻力系数,不高于0.25;(3)满足常规运动型轿车的人机布置要求,即发动机中后置、单排双座乘员空间。

按照本文的技术路线,其环节包括:选择理想形体、抽取其特征线作为三维草图约束、构建各个局部的美学线条、评价各种方案以确定最终的三维草图、建立CAD曲面模型、制作渲染效果图、外流场数值仿真、加工比例实物模型、风洞测力实验,最后进行结果分析。

2.1 选取适合目标车型的理想形体

按照设定目标,采用的理想形体应该阻力系数较小,而且能够满足预定的人机布置要求。作为整个项目的配套研究,本文预先构建出了一种类车体理想形体,如图6所示。

在湖南大学风工程研究中心的回流式风洞进行风洞实验,图7所示为位于风洞转台上的比例模型。经过测力实验,得出其气动阻力系数为0.148,能够满足气动性能的要求。从人机布置来看,其头部空间较小,后半部分空间较大,因此能够满足发动机中后置和单排乘坐空间的需要。

抽取其特征线作为三维草图的约束,如图8所示。为了尽可能地保留原始理想形体的几何特征,抽取出的曲线应包括各曲面片的边界线、轨迹线、扫掠线、脊线等。

2.2 建立各个局部的美学三维草图

美学造型一般按照前视图、侧视图、后视图的视角分成三大部分,每一部分可以相对独立地设计,这三部分为:(1)前脸:最能体现整车造型设计风格的部分,包括前进气口、前装饰栅格、前灯轮廓等;(2)侧面:前后轮框、侧进气口、侧装饰线等;(3)尾部:尾灯、尾部排气口、散热罩。

有些局部是美学设计的关键,需要构思多种方案加以评选对比,而有些细节则只是衬托。前脸栅格、前进气口和前灯的轮廓对设计风格的影响很大,视觉冲击效果明显,需要尝试多套方案;而像侧面的装饰线由于走势较为平缓,一般起视觉平衡作用,所以对起关键作用的细节可以构思多套方案,逐步修改和比较。

在前脸美学图案的设计中,本文构思并手绘出如图9所示的四套前脸图案,这些图案来自于灵感和概念,或是对现实事物的抽象。

这些图案都是二维草图,并不能直接编辑和用于三维空间,可以采用投影的方式将二维草图立体化。将手绘图案转换成具有控制节点、可编辑修改的NURBS样条曲线,然后向作为约束的三维草图投影,调节节点使其三维化以变成整车三维草图的一部分。图10所示为前脸图案投影和融入约束草图的过程。

可以尝试投影不同的前脸图案到约束草图以生成多套方案,因为孤立于车身之外的前脸图案并没有明显的可比性,只有把它们融入到完整的车身草图后才便于评价和改进。按照同样的思路投影建立侧面和尾部的美学特征线使草图进一步完善。图11所示为图9的四种前脸图案在融入到完整车身三维草图后的效果对比。邀请不同专业背景的用户,综合口语分析[5]和专家意见的评价,选择第一种方案。

在前脸定型后可以进一步考虑侧面和尾部的修饰,其中侧进气口、侧装饰线、尾灯是重点考虑的细节。最终可以将整车的三维草图加以定型,如图12所示。

2.3 构建曲面模型和渲染效果图

直接以草图曲线作为参照,调节曲率梳、优化节点数量以提高曲线的品质,通过双轨扫掠、拉伸等NURBS曲面建模[6]方式构建的CAD曲面数模如图13所示。

添加轮胎、后视镜、地面场景等附属物件,对车身表面指定相应的材质参数并设定场景灯光。材质参数包括:基本色、高光色和高光强度、折射度和折射率、反射强度等。采用V-RAY渲染器启动全局照明[7],以模拟真实的光照效果。反复调试各类材质参数和光照参数,可以生成图14所示的渲染效果图,其效果已经接近于真实照片的水平,可以用于造型方案的最终评审。

从人机布置和功能实现上看,前舱布置有进气口和前大灯,前轮后方即为乘员舱,乘员舱后方、后轮所处的舱室即为发动机舱,在侧窗下方均设置有条状的侧面进气口。

3 气动特性验证

对CAD模型进行空气动力学验证,包括CFD仿真和比例模型风洞实验两个阶段。

3.1 CFD仿真

以NURBS模型作为仿真对象,按照汽车CFD仿真的流程[8],建立计算域,汽车模型前部留3倍车长,上部留4倍车高,后部留6倍车长,两侧均留5倍车宽。采用OCTREE方法在整个计算流域生成非结构化的四面体网格,在车身表面拉伸出三棱柱网格以模拟车身表面的附面层。在车身附近流场变化复杂的区域使用密度盒加密,以提高计算精度。

设置边界条件,设定入口流速为30m/s,出口为静压力出口,计算域侧表面及上表面为滑移壁面,车身表面为非滑移壁面,地面为移动壁面,因为汽车在实际行驶时,地面是不存在附面层的。采用RNGk-ε湍流模型进行计算模拟,研究表明,该理论模型在汽车气动性能仿真方面比较理想[9,10]。

经后处理计算出的阻力系数为0.241。车身压力云图及外流线图见图15。在车尾后部建立垂直于来流方向的切面,其表面速度矢量如图16所示。

3.2 风洞实验验证

将图13所示的CAD模型采用数控机床加工成1∶4的等比树脂模型。仍在湖南大学风工程研究中心的回流式风洞进行风洞实验,如图17所示。经测量和计算处理,其阻力系数为0.246。

3.3 结果分析

从阻力系数来看,仿真结果为0.241,实验结果为0.246,仿真结果相对于实验结果的误差为2.03%,均在0.25以下,与常规的运动型轿车相比阻力系数较小。

从图15所示的压力分布可以得出:该车前脸和侧窗下方处气动压力较大,结合图14所示的造型效果图可知,这两处压力较大的局部正是正面进气口和侧面进气口所处的位置,因此该车具有较好的进气效果。

从图15所示的流线图可以得出:流经前舱、乘员舱顶部和尾舱上方的气流流线层次分明,具有较好的流线性。而在尾部有流向后方的尾涡生成,结合图16所示的尾部切面速度矢量图可见,有一对分布车身两侧、呈左右对称的涡漩,这是由流经车身顶部和底部的气流上下相汇而引起的。

从整体上看,该车的气动性能达到了预期目标,也符合运动型轿车对进气设计的要求。

4 结论

(1)提出三维草图的概念,它基于CAD软件平台设计,既能够表达曲面造型的工程几何特征,又能够描述美学元素。

(2)通过引入三维草图,改进了以理想形体为起点的车身气动造型设计方法。即以优良气动理想形体的特征线而不是曲面作为基准,通过在三维草图约束上投影美学元素图案以生成可供美学评价的车身三维草图,然后在定型草图方案上直接构建可供美学渲染、数值仿真和数控加工的CAD模型。

(3)以新概念运动型轿车的设计流程为例,以理想形体为起点,经过三维草图设计、构建曲面片体、渲染效果展示、CFD仿真、风洞实验等环节,实践证明基于三维草图的造型设计方法具有较好的可行性,能够兼顾气动性能和美学风格的要求。

摘要：为解决在汽车造型设计中,如何实现美学和空气动力学的有机结合的问题,提出一种以优良气动理想形体为基准,通过在其特征线上投影艺术元素图案以生成可供美学评价的三维草图,然后在定型草图方案上直接构建可供美学渲染和数控加工的CAD模型的方法。按照该方法的思路,以一款新概念运动型轿车的造型设计作为实例,经模型风洞实验验证,该方法可以较好地满足汽车造型设计中对艺术风格和气动性能的兼顾。

关键词：美学,空气动力学,汽车造型,理想形体,三维草图

参考文献

[1]严扬,刘志国,高华云.汽车造型设计概论[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2]黄向东.汽车空气动力学与车身造型[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]杜海滨.汽车造型[M].沈阳:辽宁美术出版社,2008.

[4]谷正气.轿车车身[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5]罗仕鉴,朱上上.用户和设计师的产品造型感知意象[J].机械工程学报,2005,41(10):28-34.

[6]江涛,谷正气,杨易,等.细分网格在车身流场仿真中的精度效率研究[J].中国机械工程,2009,20(23):2844-2849.

[7]林楠,俞勇.使用体渲染进行的快速全局照明[J].计算机辅助设计与图形学学报,2003,15(3):286-292.

[8]W.David P.Development of Guidelines for the Useof Commercial CFD in Tractor-Trailer Aerody-namic Design[J].SAE Paper,2005-01-3513(S0148-7191).

[9]杨胜,张扬军,涂尚荣,等.汽车外部复杂流场计算的湍流模型比较[J].汽车工程,2003,25(4):322-325.

基于UG的蜗杆三维造型设计第5篇

蜗杆和蜗轮用于垂直交错两轴之间的传动, 一般蜗杆是蜗轮蜗杆传动的主动件。蜗杆、蜗轮传动比大, 结构紧凑。对蜗杆来说, 按照形状分为圆柱蜗杆和圆弧蜗杆, 圆柱蜗杆中最为常用的是阿基米德蜗杆。本文将讨论蜗杆的三维造型。其形状复杂、结构紧凑、难加工。本文采用世界上最先进的软件UG, 对蜗杆的造型设计进行说明。

1 UG简介

UG软件是当前世界上最先进和集成的、面向制造业的CAD/CAM高端软件, 它起源于美国麦克唐纳·道格拉斯飞机公司。该软件广泛应用于机械、模具、汽车和航空航天等领域。

UG实体建模功能十分强大:提供了各种曲线生成、编辑、布尔运算、扫掠实体、旋转实体、拉伸实体、尺寸驱动、定义、编辑变量及其表达式等工具。UG特征建模模块提供了各种特征的生成、编辑和引用工具。特征生成:各种孔、槽、凸台、圆柱、方块、圆锥、倒角、倒圆等。特征编辑:删除、压缩、复制、粘贴等。本文利用UG强大的实体建模功能和特征建模功能完成蜗杆的三维建模。

2 蜗杆三维建模

2.1 蜗杆建模思路

利用UG软件的实体建模功能和特征建模功能来完成蜗杆三维造型设计工作。建模基本思路如下:1) 首先利用UG软件的特征建模功能, 插入圆柱体, 生成蜗杆基体;2) 利用UG软件的“特征”工具条上的“槽”按钮, 在弹出的对话框中选择矩形, 输入各个槽的直径和长度, 并进行定位后生成不同的“槽”, 即阶梯轴生成;3) 插入缠绕蜗杆基体的螺旋线, 输入螺旋线的圈数、螺距、直径等参数后生成螺旋线;4) 进入草图, 绘制蜗杆轴向切割齿形截面;5) 利用“扫掠”功能, 选螺旋线为引导线, 齿形截面为截面线, 沿矢量方向进行“扫掠”, 生成蜗杆齿槽;6) 进行布尔运算, 生成阿基米德蜗杆。

2.2 蜗杆基本体生成

生成蜗杆基本体有三种方法:一是采用UG提供的旋转命令, 生成蜗杆基本实体;二是采用逐级拉伸, 生成蜗杆基体;第三种采用UG的特征建模功能生成蜗杆基体:点击菜单按钮“插入”, 找到“特征设计”命令, 在其下拉菜单中选中“圆柱体”命令, 输入圆柱参数, 生成圆柱体, 见图1。

然后单击“特征设计”, 找到“槽”命令, 弹出“槽”对话框, 单击“矩形”按钮, 在“矩形槽”对话框中逐一设置槽直径、槽的长度, 选择各个槽所放置的圆柱面, 定位各个沟槽后, 生成蜗杆基本体见图2。

2.3 蜗杆生成

移动坐标系, 插入螺旋线, 设置螺旋线参数:圈数9, 螺距6.2831, 半径14, 右旋, 点构造器Z值设定5, 插入螺旋线, 见图3。

点击草图按钮, 绘制齿形截面图后, 单击“扫掠”, 选择齿形线做截面线, 选择螺旋线做引导线, 定位方法选择矢量方向, 选择Z轴为定制矢量, 确认后生成蜗杆见图4、图5。

3 结论

采用UG NX“特征”造型功能, 实现了蜗杆基体的三维造型, 插入螺旋线后, 选用“扫掠”命令, 以齿形截面为截面线, 以螺旋线为引导线, 扫描生成了阿基米德蜗杆, 最后, 对生成的蜗杆进行了细化处理。

摘要：利用UG的实体建模功能和特征建模功能完成了蜗杆的三维造型设计, 为蜗杆的三维造型提供了一种简单、便捷的方法。

关键词：蜗杆,GU,三维造型

参考文献

[1]刘伟.UG NX8中文版从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社, 2012.