面向輪胎3D花紋的語義建模方法

董玉德　宋忠輝　張榮團(tuán)　白蘇誠(chéng)　張方亮　劉彥超

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009　2.佳通輪胎(中國(guó))研發(fā)中心,合肥,230601

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面向輪胎3D花紋的語義建模方法

董玉德1宋忠輝1張榮團(tuán)1白蘇誠(chéng)2張方亮2劉彥超2

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,2300092.佳通輪胎(中國(guó))研發(fā)中心,合肥,230601

針對(duì)以幾何特征為主導(dǎo)的建模方式會(huì)造成輪胎3D花紋模型創(chuàng)建操作繁瑣、設(shè)計(jì)信息表達(dá)分散且不完備的問題，提出了以語義為主導(dǎo)的3D建模方法。該方法是在花紋設(shè)計(jì)的應(yīng)用理論及實(shí)用技術(shù)探討和研究的基礎(chǔ)上，將理論設(shè)計(jì)中的花紋溝、裝飾品及交匯特征的結(jié)構(gòu)抽象分解得到輪胎花紋語義單元，從而構(gòu)建花紋語義模型庫(kù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上引入輪胎節(jié)距信息，實(shí)現(xiàn)了輪胎花紋從概念設(shè)計(jì)到裝配設(shè)計(jì)的層次化、系統(tǒng)化、形式化表達(dá)。最后，以CATIA/CAA為開發(fā)平臺(tái)引入基于特征的建模技術(shù),開發(fā)出語義級(jí)輪胎3D花紋設(shè)計(jì)系統(tǒng)。實(shí)例分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)適用于多種類型的輪胎花紋建模，提高了CAD技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)信息表述的支持能力，增強(qiáng)了產(chǎn)品建模的自動(dòng)化水平,有效地減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性工作，縮短了研發(fā)周期。

輪胎花紋;工程語義;語義單元; 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

0　引言

輪胎花紋作為車輛與地面直接接觸的部位[1]，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響輪胎的牽引力[2]、側(cè)向力[3]、耐磨性、排水性[4-5]以及噪聲[6]等，關(guān)系到駕駛的安全性和乘坐的舒適性。由于輪胎花紋的復(fù)雜性及表面的雙曲率特性，輪胎的3D建模一般從二維設(shè)計(jì)開始[7]，即根據(jù)輪胎花紋結(jié)構(gòu)及加工要求等信息，在AutoCAD等二維軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)；然后將設(shè)計(jì)完成的二維花紋導(dǎo)入到CATIA、Creo等三維軟件，通過二維曲線到三維輪胎表面的映射獲得三維曲線；最后利用三維曲線繪制3D花紋，完成3D花紋建模。該建模過程需要大量的重復(fù)性操作，尤其是花紋溝側(cè)壁的生成及輪胎各節(jié)距之間的裝配[8]，嚴(yán)重影響了輪胎企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品的效率。

為解決通用CAD軟件中因缺乏輪胎行業(yè)專業(yè)知識(shí)而造成建模人員的大量繁瑣的操作問題，提高輪胎企業(yè)的研發(fā)效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助計(jì)算機(jī)對(duì)輪胎設(shè)計(jì)進(jìn)行了諸多研究。胡萌[9]對(duì)花紋進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，并基于UGNX4.0平臺(tái)開發(fā)了面向電極的輪胎三維花紋專用CAD系統(tǒng)。郝泳濤等[10]在提出自動(dòng)化智能輪胎設(shè)計(jì)概念的基礎(chǔ)上，基于CATIA三維造型平臺(tái)和自動(dòng)化語言VBA二次開發(fā)工具，開發(fā)了CAD三維輪胎數(shù)字化模型系統(tǒng)。朱茂桃等[11]通過將胎面花紋的特征參數(shù)提取存入Excel中，再通過調(diào)用Excel中參數(shù)實(shí)現(xiàn)胎面花紋的快速設(shè)計(jì)。Chu等[12]在分析輪胎及其花紋特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,借助于CATIA提供的CAA-RADE開發(fā)工具,實(shí)現(xiàn)了輪胎三維花紋的快速化設(shè)計(jì)。田敬華等[13]通過建立縱向輪胎花紋的3D數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了任何一種縱向輪胎花紋的設(shè)計(jì)。結(jié)合以上研究者使用的方法和手段，本課題組將語義學(xué)中的相關(guān)知識(shí)信息應(yīng)用于花紋建模，提出以語義單元為基本特征進(jìn)行輪胎花紋建模設(shè)計(jì),代替通用CAD軟件以點(diǎn)、線、面、體等幾何特征為主導(dǎo)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，從而使創(chuàng)建的輪胎CAD模型在表達(dá)設(shè)計(jì)信息時(shí)具有圖形關(guān)聯(lián)性和專業(yè)關(guān)聯(lián)性，以便用戶理解設(shè)計(jì)信息。

根據(jù)以上理論，本文首先在對(duì)輪胎花紋進(jìn)行特征分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行語義單元的劃分。然后以CAA對(duì)CATIA的二次開發(fā)為平臺(tái)，借助面向?qū)ο蠹夹g(shù)將輪胎花紋結(jié)構(gòu)圖形對(duì)象的內(nèi)在關(guān)聯(lián)屬性與各圖形對(duì)象之間的專業(yè)關(guān)聯(lián)屬性進(jìn)行歸一與封裝，從而實(shí)現(xiàn)各模塊的獨(dú)立性。最后借助程序設(shè)計(jì)將繁雜的輪胎3D建模過程進(jìn)行程序組合，實(shí)現(xiàn)以尺寸為驅(qū)動(dòng)、具有自動(dòng)生成功能的3D輪胎花紋創(chuàng)建。從而形成了一套基于語義的輪胎3D花紋建模專用系統(tǒng)。

1　花紋語義模型的創(chuàng)建

1.1花紋語義單元的概念

在語義學(xué)中，語義定義為具有一定意義的代表其他事物的東西，由形式和意義組成，本身是某一種概念或意象的載體[14-17]。輪胎花紋語義可認(rèn)為是對(duì)輪胎3D花紋設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)符號(hào)的解釋，應(yīng)該包含輪胎3D花紋的完整描述，保證造型過程的信息流無差錯(cuò)傳遞。因此，輪胎3D花紋的設(shè)計(jì)過程可視為將設(shè)計(jì)語義進(jìn)行實(shí)例化的過程，輪胎花紋語義單元的概念定義如下:具有一定功能的花紋結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)輪胎花紋的拓?fù)涮卣鳌⑿螤钐卣?、尺寸特征等，將描述同一特征的點(diǎn)、線、圓、圓弧等圖素和尺寸、約束信息等加以組合抽象而成。

1.2花紋語義單元?jiǎng)澐?/p>

為使輪胎花紋語義單元?jiǎng)澐智逦?，首先根?jù)輪胎花紋的設(shè)計(jì)知識(shí)將花紋分為花紋溝特征、裝飾品特征和交匯特征三大特征類，然后再進(jìn)行輪胎花紋單元?jiǎng)澐帧?/p>

花紋語義是以花紋構(gòu)造知識(shí)為主載體，在整個(gè)輪胎花紋設(shè)計(jì)的各階段傳遞構(gòu)造信息。花紋語義單元定義的提出，取代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的普通曲面，成為設(shè)計(jì)中的最小單元。這個(gè)最小單元包含信息量的大小與對(duì)花紋語義單元?jiǎng)澐值募?xì)化程度有重要關(guān)系[18]。為準(zhǔn)確劃分語義單元,避免分化過細(xì)造成建模過程中信息感知較差和過粗導(dǎo)致的細(xì)節(jié)表達(dá)不清晰的問題，結(jié)合輪胎花紋結(jié)構(gòu)和功能的相關(guān)知識(shí)，提出花紋語義單元的確立原則[19]:

(1)語義單元能夠形式化描述特定輪胎花紋結(jié)構(gòu)，且具有一定功能含義；

(2)語義單元需包含輪胎花紋中特定結(jié)構(gòu)中的全部幾何要素，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)相近或功能相似的幾何形狀的抽象表示；

(3)語義單元內(nèi)部各元素之間聯(lián)系緊密，具有高內(nèi)聚性，而不同語義單元之間相對(duì)獨(dú)立，具有低耦合度；

(4)語義單元能適應(yīng)輪胎花紋設(shè)計(jì)過程中不同階段的需要，貫穿花紋構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程。

1.2.1花紋溝特征語義單元的劃分

花紋溝是由側(cè)壁曲面、溝底曲面及側(cè)壁與溝底的倒角曲面等特征組合并通過一定形式約束而成的。根據(jù)花紋語義單元的確立原則花紋溝特征可劃分為以下語義單元。

(1)花紋溝斷面形狀語義單元。輪胎花紋溝斷面形狀決定輪胎的牽引力、自潔性和花紋溝是否容易裂口損壞等，按照其斷面層數(shù)可描述為一層溝、兩層溝和三層溝[20]。一層溝也稱普通花紋溝，其側(cè)壁經(jīng)過一次掃掠得到。如圖1a所示，一層溝一般又可分為兩種形狀，即U形和V形。二層溝通過一次中間曲面過渡，掃描兩次得到。三層溝經(jīng)過兩次中間曲面過渡，掃描三次得到。其中垂直于胎面的直線和側(cè)壁生成的傾角α為關(guān)鍵參數(shù)，如圖1b所示。

(a)一層花紋溝

(b)多層花紋溝圖1　花紋溝類型

(2)偏移面語義單元。在多層花紋溝的設(shè)計(jì)中，涉及花紋溝偏移情況。當(dāng)花紋溝不偏移時(shí)，兩層花紋溝曲面直接相連，而偏移是指在兩層花紋曲面之間通過一小段偏移曲面相連，具體如圖2所示。

(a)有偏移　　　　(b)無偏移圖2　花紋溝偏移

(3)花紋溝底面倒角語義單元?；y溝底面倒角具有減小花紋溝底面應(yīng)力、減小溝底裂紋等作用。按照底面倒角情況可分為無倒角花紋溝和有倒角花紋溝，根據(jù)倒角類型不同，有倒角花紋溝又可分為全圓弧倒角和兩側(cè)倒角。具體如圖3所示。

(a)全圓弧倒角　　　(b)兩側(cè)倒角圖3　花紋溝倒角類型

(4)引導(dǎo)曲線數(shù)目語義單元。花紋的引導(dǎo)曲線決定胎面花紋走向，亦決定花紋側(cè)面數(shù)量。根據(jù)花紋溝引導(dǎo)曲線數(shù)目的不同，花紋的引導(dǎo)曲線分為單曲線花紋溝和多曲線花紋溝。多曲線花紋溝即花紋溝引導(dǎo)曲線由多條連續(xù)線段組成，具體如圖4所示。

(a)兩側(cè)單一引導(dǎo)曲線　　(b)兩側(cè)多條引導(dǎo)曲線圖4　花紋引導(dǎo)曲線數(shù)目

將以上花紋溝特征進(jìn)行整合分析，可得到以下花紋溝語義單元類型，見表1。

表1　花紋語義單元類型劃分

注：“—”表示可以包含該特征但并未包含；“√”表示包含該特征；“×”表示不會(huì)出現(xiàn)該特征。

1.2.2裝飾品特征

輪胎花紋裝飾品是除主花紋溝以外的輪胎表面其他各種形狀的溝槽或凸起的總稱，包括簡(jiǎn)單鋼片、復(fù)雜鋼片、溝底凸臺(tái)、磨耗標(biāo)記、胎邊文字等，其中鋼片是胎面花紋中存在數(shù)目較多、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的裝飾品。根據(jù)花紋語義單元的確立原則對(duì)鋼片的結(jié)構(gòu)與功能信息進(jìn)行分析、提取與整合，可得到鋼片特征的拆解方案，見表2、表3。

通過對(duì)上述對(duì)鋼片特征語義信息的分析與提取，鋼片花紋可歸納為三個(gè)基本語義單元，即等深簡(jiǎn)單鋼片語義單元、臺(tái)階性鋼片語義單元、修飾鋼片單元，見表4。經(jīng)過這三種鋼片語義單元的組合，可以構(gòu)成大部分類型的鋼片特征。

表2　鋼片語義信息分解(一)

表3　鋼片語義信息分解(二)

表4　裝飾品語義單元類型劃分

1.2.3交匯特征

在胎面花紋及裝飾品造型過程中, 經(jīng)常出現(xiàn)花紋溝與裝飾品相交的情況，為獲得相互貫通的胎面花紋，需要對(duì)花紋溝與裝飾品之間連接的多余部分進(jìn)行修剪處理，稱為交匯處理。如圖5所示，每種情況按照交匯方式分為T形交匯、X形交匯、V形交匯三種。

圖5　交匯特征

將上述交匯信息與花紋特征進(jìn)行組合，得到各交匯語義單元類型，見表5。

表5　交匯語義單元類型劃分

1.3語義單元封裝

對(duì)劃分后語義單元?dú)w納總結(jié)，可得到圖6所示的花紋語義單元類型，這些花紋語義單元類型作為花紋設(shè)計(jì)的最基本單元，通過組合調(diào)用可以構(gòu)成各種類型的輪胎花紋。

圖6　輪胎花紋語義單元

為了確保各花紋語義單元的完整性與獨(dú)立性，將語義單元信息采用面向?qū)ο骩21]類的結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，形成的花紋溝語義類、裝飾品語義類、交匯語義類可轉(zhuǎn)化為屬性列表和方法列表進(jìn)行描述[22]。

1.3.1花紋溝語義類

如圖7所示，花紋溝結(jié)構(gòu)主要由溝側(cè)壁曲面、溝底面和倒角組成，溝側(cè)壁曲面通過花紋引導(dǎo)曲線以及相關(guān)控制參數(shù)如支持面、掃描角度等掃描生成，溝底面通過溝壁面分割溝底支持面得到。其中一層溝經(jīng)過一次掃描得到；二層溝通過一次中間曲面過渡，掃描兩次得到；三層溝經(jīng)過兩次中間曲面過渡，掃描三次得到。將上述信息以類的形式進(jìn)行封裝, 得到花紋溝類，具體見表6。

圖7　花紋溝語義元素

屬性列表方法列表花紋溝標(biāo)識(shí)符花紋溝類型引導(dǎo)曲線控制面信息一層溝二層溝曲面掃描角度曲面掃描深度倒角類型倒角半徑偏移偏移不偏移(1)Sweep函數(shù)實(shí)現(xiàn)曲面掃面生成;(2)Fillet函數(shù)實(shí)現(xiàn)倒角特征;(3)曲面組合修剪輸出花紋溝。

1.3.2裝飾品語義類

花紋裝飾品即輔助花紋，包括鋼片、溝底凸臺(tái)、磨耗標(biāo)記等，鋼片又包括簡(jiǎn)單鋼片、臺(tái)階型鋼片、修飾型鋼片三種，大部分復(fù)雜鋼片可視為由這三種鋼片組合而成。裝飾品花紋雖然結(jié)構(gòu)各不相同，但經(jīng)過總結(jié)與結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，這些花紋基本上都是由引導(dǎo)曲線或輪廓曲線通過掃描、拉伸、加厚等實(shí)現(xiàn)，其中簡(jiǎn)單鋼片通過中心線掃描生成曲面，再將曲面加厚得到鋼片特征；溝底凸臺(tái)、磨損標(biāo)記等形狀較簡(jiǎn)單，通過選取不同的輪廓曲線，掃描拉伸即可獲得所需特征，具體見表7。

表7　裝飾品語義類的封裝

1.3.3交匯語義類

花紋的交匯處理即去除相交花紋單元間的多余曲面，實(shí)現(xiàn)花紋單元的貫通，主要包括花紋溝之間交匯處理、鋼片間交匯處理、花紋溝與鋼片間交匯處理三大類，交匯類型有T形、V形、X形三種交匯方式。交匯過程中，使用曲面間的交線對(duì)面進(jìn)行分割，保留需要的曲面。具體見表8。

表8　交匯語義類的封裝

1.4封裝語義單元類的通信

通過花紋語義單元的封裝形成的花紋語義類，包含輪胎花紋幾何元素的數(shù)字化信息與設(shè)計(jì)信息的融合。這些封裝的花紋語義類之間的通信，采用各個(gè)語義類方法屬性設(shè)定的方式進(jìn)行，從而形成具有一定層次性和系統(tǒng)性的花紋語義模型庫(kù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)庫(kù)；而與外部的通信則采用面向組件的COM技術(shù)Query-Interface接口的方式，構(gòu)建該封裝語義單元的無縫鏈接機(jī)制。然后利用RADE(rapid application development environment)工具及應(yīng)用程序接口API(application programming interface)實(shí)現(xiàn)花紋語義單元與CATIA平臺(tái)的通信，完成輪胎花紋設(shè)計(jì)信息的實(shí)例化表達(dá)。花紋語義類通信過程如圖8所示。

圖8　花紋語義類通信過程

2　輪胎3D花紋CAD系統(tǒng)開發(fā)

輪胎3D花紋CAD系統(tǒng)的開發(fā)是采用模塊化[23]結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的，即將輪胎花紋的語義元素組合在一起，構(gòu)成一個(gè)具有特定造型功能的子模塊，再將此子模塊與其他輪胎花紋語義單元的子模塊組合構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)模塊，進(jìn)而設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)與不同功能的復(fù)雜輪胎花紋。

2.1總體結(jié)構(gòu)

由輪胎花紋語義模型的創(chuàng)建及對(duì)其相關(guān)結(jié)構(gòu)信息與功能信息提取、歸納與整合，該系統(tǒng)可劃分為三個(gè)主要語義設(shè)計(jì)模塊，即花紋溝模塊、裝飾品模塊、交匯處理模塊。其次，為了提高輪胎花紋節(jié)距的裝配效率，結(jié)合輪胎花紋的設(shè)計(jì)信息，增設(shè)花紋節(jié)距裝配模塊。系統(tǒng)的總體模塊結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

首先對(duì)各模塊工具條進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹并以花紋溝模塊的一層花紋溝設(shè)計(jì)單元為例對(duì)模塊創(chuàng)建程序進(jìn)行介紹，最后對(duì)輔助設(shè)計(jì)模塊作簡(jiǎn)要的概述。其他花紋溝的程序設(shè)計(jì)方法基本類似。

2.2花紋溝模塊

花紋溝模塊所包含的語義單元包括一層花紋溝、兩層花紋溝、三層花紋溝、多曲線花紋溝以及胎肩花紋溝等。其模塊工具條如圖10所示。

圖10　花紋溝語義設(shè)計(jì)模塊工具條

一層花紋溝的設(shè)計(jì)首先通過將引導(dǎo)曲線掃描形成側(cè)壁曲面，再通過對(duì)側(cè)壁曲面與溝底控制面面分割并倒角獲取溝底曲面。運(yùn)用編程方法，可通過以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)一層花紋溝的設(shè)計(jì)過程。

2.2.1曲面掃描

CATIA中曲面掃面方法是通過輸入引導(dǎo)曲線、掃描控制面、掃描角度、深度等參數(shù)獲取。在花紋曲面獲取過程中，為保證花紋溝之間的互相貫通，方便花紋溝之間的交匯處理，首先需要對(duì)引導(dǎo)曲線進(jìn)行延伸，要求生成的花紋溝曲面之間不能存在縫隙；其次為保證花紋溝側(cè)壁曲面與溝底之間無縫結(jié)合，要求側(cè)壁必須穿透溝底控制面，并通過溝底控制面位置自動(dòng)控制掃描深度，生成掃描曲面。具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

(1)掃描引導(dǎo)曲線延伸。通過函數(shù)GetAll-Cells()獲取引導(dǎo)曲線上所有的點(diǎn)，并將這些點(diǎn)記錄到點(diǎn)集內(nèi)，通過最小距離函數(shù)CATCreate-DistanceMinTopo()獲取所有點(diǎn)中到點(diǎn)集最近的點(diǎn)，將得到的這個(gè)點(diǎn)記為所要延伸的端點(diǎn)。然后調(diào)用函數(shù)CATCreateTopExtrapolWireOpe()對(duì)其進(jìn)行延伸得到延伸線，同理再對(duì)延伸線另一端延伸得到最終曲線。

(2)計(jì)算Sweep距離。獲取最終曲線上所有的點(diǎn)，并調(diào)用函數(shù)CATCreateTopProject()求其投影在參考底面上的點(diǎn)，通過最小距離函數(shù)CATCreateDistanceMinTopo()獲取曲線上點(diǎn)與投影點(diǎn)之間的最小距離，然后取所有最小距離集合中的最大值作為Sweep高度。

2.2.2曲面分割方向智能判別

通過曲面掃描可獲得圖11所示的側(cè)壁曲面。接著需要對(duì)側(cè)壁曲面與溝底控制面進(jìn)行分割處理，得到溝底基礎(chǔ)面，具體分割過程如下。

圖11　掃描完成后曲面

(1)通過函數(shù)CATCreateTopSplitShell()，用掃描面Sweep1對(duì)溝底面Bottom分割得到Split1，將會(huì)出現(xiàn)圖12所示的兩種情況。此時(shí)，通過函數(shù)CATCreateDistanceMinTopo()獲取Sweep2與Split1之間距離，如圖12a所示，如果距離不為零，則需要對(duì)分割方向作反向選擇，得到圖12b所示結(jié)果；如果距離為零，說明分割方向正確，可進(jìn)入下一步操作。

(a)情況一　　　　　　　(b)情況二圖12　曲面Sweep1分割溝底面

(2)繼續(xù)用曲面Sweep2對(duì)Split1進(jìn)行分割得到Split2，同理，將會(huì)出現(xiàn)圖13所示的兩種情況。其曲面判別方法與上述類似，通過獲取曲面Sweep1與Split2之間的距離判斷分割曲面的方向是否正確，最終得到圖13b所示的基礎(chǔ)溝底曲面Split2。

(a)情況一　　　　　　　(b)情況二圖13　曲面Sweep2分割溝底面

(3)得到基礎(chǔ)溝底曲面Split2后，便可使用Split2對(duì)曲面Sweep1、Sweep2進(jìn)行分割，以獲取基礎(chǔ)溝壁曲面Split3、Split4，曲面分割方向有兩種情況，如圖14a 、圖14b所示。曲面分割方向可通過獲得Split3、Split4與胎頂面Surface之間的距離判斷，最終得到圖14c所示的基礎(chǔ)溝特征。

(a)情況一　　　　　　　(b)情況二

(c)基礎(chǔ)溝示意圖圖14　溝底面分割Sweep面

(4)根據(jù)花紋溝設(shè)計(jì)要求，對(duì)溝底進(jìn)行相應(yīng)倒角，即可完成一層花紋溝特征設(shè)計(jì)。將上述設(shè)計(jì)過程通過代碼封裝，實(shí)現(xiàn)一層花紋溝單元的自動(dòng)設(shè)計(jì)，其C++偽碼說明如下。

輸入：引導(dǎo)曲線line1、line2，控制曲面Surface、Bottom

輸出：一層花紋溝特征

Step1.Sweep1=GetSweep(line1,Surface, Bottom);

Sweep2=GetSweep(line2,Surface, Bottom);

//以Surface為頂面，Bottom為底面，得到掃描面

Step2. 用Sweep1分割Bottom得到Split1，并獲取Split1與Sweep2距離N1；

Step3. If(N1==0){返回Step2，對(duì)Split1分割方向作反向處理;}

Step4. 用Sweep2分割Split1得到Split2，并獲取Split2與Sweep1距離N2；

Step5. If(N1==0){返回Step4，對(duì)Split1分割方向作反向處理;}

Step6. 用Bottom分割Split1、Split2，得到Split3、Split4，獲取Split3、Split4與Surface距離K1、K2

Step7. if(K1==0){返回Step6，對(duì)Split3分割方向反作向處理;}

if(K2==0){返回Step6，對(duì)Split4分割方向作反向處理;}

Step8. 判斷倒角類型，并根據(jù)不同類型進(jìn)行倒角造型；

Step9. resultBody=join(Split3,Split4,Split2);//合并結(jié)果輸出特征。

2.3交匯處理模塊

交匯處理模塊主要是對(duì)花紋溝之間連接的多余曲面進(jìn)行修剪處理，獲取無縫貫通的胎面花紋。包含花紋溝交匯與鋼片交匯模塊，其模塊工具條如圖15所示。主要包括T形、V形和X形交匯等語義單元。

圖15　參數(shù)化交匯處理語義模塊工具條

2.4裝飾品模塊

裝飾品模塊用于各種裝飾品花紋設(shè)計(jì)，如簡(jiǎn)單鋼片、臺(tái)階型鋼片、修飾性鋼片、溝底凸臺(tái)、磨耗標(biāo)識(shí)線等語義單元。其模塊工具條如圖16所示。

圖16　裝飾品語義設(shè)計(jì)模塊工具條

2.5輔助設(shè)計(jì)模塊

輪胎節(jié)距是輪胎結(jié)構(gòu)建模的基本單元，節(jié)距單元是按輪胎胎面花紋[24]的形狀劃分的，輪胎花紋通常由多個(gè)節(jié)距單元構(gòu)成。這些基本單元沿著輪胎周長(zhǎng)按一定順序排列組成整個(gè)輪胎花紋。如圖17所示。在傳統(tǒng)的輪胎花紋設(shè)計(jì)過程中，利用CATIA軟件裝配模塊中的相合約束(Coincidence Constraint)與接觸約束(Contact Constraint)功能，可將兩相鄰節(jié)距單元裝配約束成整體，節(jié)距裝配如圖18所示。但輪胎花紋節(jié)距較多，一整條輪胎包含幾十個(gè)至上百個(gè)不等，且排列順序復(fù)雜，尤其是非周期性無序排列，逐個(gè)輪胎節(jié)距裝配約束耗時(shí)較多。因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)引入輪胎花紋的節(jié)距信息，通過輸入輪胎花紋節(jié)距排列順序的編號(hào)，快速完成輪胎花紋節(jié)距的裝配。

圖17　花紋節(jié)距排布

圖18　花紋節(jié)距裝配

輔助設(shè)計(jì)模塊的具體開發(fā)流程如下。

(1)利用CATIA/CAA提供的批處理模式新建一個(gè)Session，然后創(chuàng)建一個(gè)包含CATIProduct類型的產(chǎn)品父類文檔，將零部件逐個(gè)添加到該產(chǎn)品父類并調(diào)用指定的輪胎節(jié)距單元。其中在添加產(chǎn)品的零部件時(shí)，需獲得零部件的儲(chǔ)存路徑，零部件的名稱等相關(guān)信息。

(2)利用發(fā)布(Publication)相關(guān)函數(shù)提取發(fā)布的幾何元素，由CATIConnector接口的相關(guān)連接函數(shù)連接幾何元素，函數(shù)CreateConstraint約束節(jié)距的連接幾何元素構(gòu)成裝配，對(duì)輪胎花紋節(jié)距逐個(gè)約束組合形成完整輪胎，并將輪胎產(chǎn)品保存到指定的文件路徑。

(3)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)完畢，運(yùn)行CATIA，可得到與CATIA界面具有一致的風(fēng)格的圖標(biāo)、工具條及對(duì)話框，如圖19所示。

圖19　系統(tǒng)的工具條及對(duì)話框界面

3　設(shè)計(jì)實(shí)例

以越野輪胎花紋建模為例，利用輪胎3D花紋建模系統(tǒng)進(jìn)行輪胎建模,實(shí)現(xiàn)過程如圖20所示。

圖20　系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

利用該系統(tǒng)對(duì)SUV輪胎、越野胎、泥地胎和公路胎4款花紋進(jìn)行建模并與通用CAD軟件繪圖所需的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試分析，可得表9所示的測(cè)試結(jié)果。由結(jié)果可知，該輪胎花紋CAD建模系統(tǒng)使輪胎花紋建模效率得到較大的提升。

4　結(jié)語

本文針對(duì)目前輪胎3D花紋設(shè)計(jì)中存在的問題，引入輪胎花紋語義單元概念，開發(fā)了基于語義的輪胎3D花紋CAD系統(tǒng)，使建模效率得到大幅度提升。但對(duì)花紋產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，如何通過一套分析機(jī)制對(duì)輪胎花紋進(jìn)行噪聲、滑水性、耐磨性等性能快速評(píng)價(jià)，尚未添加到該花紋設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。后續(xù)研究將會(huì)以此為方向進(jìn)行研究，從而為輪胎花紋深入優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

表9　繪圖時(shí)間對(duì)比　h

注：AT表示采用開發(fā)CAD系統(tǒng)繪圖;GE表示通用CAD軟件繪圖。

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(編輯陳勇)

Semantics Modeling for 3D Tread Patterns-oriented

Dong Yude1Song Zhonghui1Zhang Rongtuan1Bai Sucheng2Zhang Fangliang2Liu Yanchao2

1. Hefei University of Technology, Hefei, 230009 2.GITI Tire (China) R&D Center, Hefei， 230601

Aiming at fussy operations and expressions of design information scattered of 3D tread patterns modeling, which caused by the way that dominated by geometric features, a semantic-driven 3D modeling approach was proposed herein. The structures of the groove features, ornament features and intersection features in the theoretical design were decomposed abstractly to obtain the semantic units of the tire pattern based on discussion and research on the application theory and practical technology of pattern design. Then,the hierarchical, systematic, formal expressions of tire tread pattern from conceptual design to assembly design were realized by the introduction to tire pitch information.Finally, feature-based modeling technology was introduced, making CATIA / CAA as the development platform to develop a semantic level 3D tire patterns design system. The example analysis results show that the system is applicable to a variety of types of tire patterns modeling, enhancing the ability of the CAD technology design of information description and improving the automation level of product modeling, thus effectively reducing the repetitive work of designers and shortening the development cycle.

tread pattern; engineering semantics; semantic element; CAD

2016-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275145)

TP391.7

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.19.010

董玉德，男，1966年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD/CAE/PDM)。宋忠輝，男，1988年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。張榮團(tuán)，男，1990年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。白蘇誠(chéng)，男，1991年生。佳通輪胎(中國(guó))研發(fā)中心研發(fā)工程師。張方亮，男，1979年生。佳通輪胎(中國(guó))研發(fā)中心副總工程師。劉彥超，男，1983年生。佳通輪胎(中國(guó))研發(fā)中心研發(fā)工程師。