基于UG NX的錨曲面建模方法應(yīng)用研究

陳 希，陳國貴

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

0 引言

現(xiàn)代經(jīng)濟市場競爭日趨激烈，促使產(chǎn)品設(shè)計不斷創(chuàng)新，特別在曲面設(shè)計方面，采用流線型，不僅體現(xiàn)了時尚美，還體現(xiàn)了科技感。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD軟件對產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計起到了很大的促進作用。UGNX是一款面向設(shè)計、仿真和制造的高性能軟件，能實現(xiàn)整個產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程，適用于現(xiàn)代工業(yè)的需求。近些年，國內(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對復(fù)雜、不規(guī)則曲面建模的大量科技文獻發(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?！巴ㄟ^曲線網(wǎng)格”功能即通過一個方向的截面網(wǎng)格和另一個方向的引導(dǎo)線創(chuàng)建體，它定義了兩個方向的控制曲線，分別是“主線串”和“交叉線串”，對應(yīng)參數(shù)方程的U、V兩個方向。通常曲面的引導(dǎo)線方向為U方向，曲面的截面方向為V方向，所以只要四條曲線在交叉處兩兩垂直，則使用“通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建的曲面不會收斂，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地創(chuàng)建曲面，對創(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?！疤畛淝妗笔褂梅浅７奖悖皇侨f能的，不是所有的曲面都適合用它創(chuàng)建，對于一些較復(fù)雜的不規(guī)則邊，使用“填充曲面”設(shè)置邊“G1”相切時，創(chuàng)建的曲面可能會造成局部突起或下陷。

本文以錨的曲面作為建模對象，使用UGNX軟件的“通過曲線網(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)活動中，常見于船只的停泊。錨的制造需要整體鑄造，不能存在褶皺、裂紋等缺陷，否則會大大降低錨的鑄造質(zhì)量。因此對錨的建模質(zhì)量有較高的要求，特別是曲面的建模，要進行優(yōu)化，保證曲面在銜接處或彎曲過渡處能夠足夠光順。錨的平面圖如圖1所示，本文重點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體；使用“標準螺紋”命令設(shè)置小徑、長度、螺距、角度的參數(shù)創(chuàng)建螺紋；對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，且兩個橫截面的形狀、大小相差較大，因此直接進行曲面建模會造成曲面褶皺，故把剩余的草圖劃分成3個部分，采用“通過曲線網(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“通過曲線網(wǎng)格”建模方法

1.1.1 “通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建錨曲面

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

圖4 “通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建第1個曲面

(2) 第2個曲面的建模。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“通過曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建第1個網(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到90°，使用“通過曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建第2個網(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到90°，使用“修剪片體”命令將3條橋接曲線包圍部分進行修剪刪除，用“通過曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建第3個網(wǎng)格曲面，并進行縫合處理。“通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建第2個曲面如圖5所示。

圖5 “通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建第2個曲面

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

圖6 “通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建第3個曲面

1.1.2 “通過曲線網(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個曲面的兩條豎直邊曲線形狀相差較大，短邊是圓弧，長邊是由多圓弧與直線構(gòu)成，且它們的最高點不在同一條“U”線上，造成了曲面從長邊向短邊收斂時沿著最高點的方向錯開了，因此形成褶皺。

圖7 等參數(shù)曲線

為了進一步改善褶皺，先將剛創(chuàng)建的第2個曲面刪除，在豎直邊曲線的最高點作一條“藝術(shù)樣條”，通過位置增減點數(shù)和參數(shù)化“次數(shù)”來調(diào)整藝術(shù)樣條的形狀，使其足夠光順。使用“通過網(wǎng)格曲面”，在“藝術(shù)樣條”兩邊創(chuàng)建兩個網(wǎng)格曲面，同樣由于曲線邊形狀和長度的關(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，將曲面進行分割，刪除有褶皺的曲面，如圖8(b)所示；再次用“通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建網(wǎng)格曲面，進行接面，如圖8(c)所示，可以看出曲面褶皺沒有了，這就進一步優(yōu)化了曲面的光順情況。

圖8 “通過曲線網(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個曲面的建模。由于錨尖是旋轉(zhuǎn)的實體，其截面的邊無法被“填充曲面”直接選擇，不能設(shè)置面相切。因此第1個曲面的建模用“通過曲線網(wǎng)格”命令創(chuàng)建比較方便。

(2) 第2個曲面的建模。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)建個曲面 圖10 “填充曲面”創(chuàng)建第2第3個曲面

1.3 錨曲面建模效果分析

將“填充曲面”創(chuàng)建的第2個曲面和“通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建的第2個曲面進行對比，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個曲面和“通過曲線網(wǎng)格”創(chuàng)建的第3個曲面進行對比，如圖12所示。由圖12可以看出：在“通過曲線網(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個曲面對比

2 結(jié)論

(1) “通過曲線網(wǎng)格”是UGNX每個版本都有的命令，常用于復(fù)雜曲面的創(chuàng)建。運用該命令的關(guān)鍵在于創(chuàng)建的主曲線與引導(dǎo)線的夾角能否達到90°。通過一個方向的截面網(wǎng)格和另一個方向的引導(dǎo)線創(chuàng)建體，如果這兩個方向能夠垂直，則創(chuàng)建的曲面就不會因為收斂而產(chǎn)生褶皺。對于不規(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)雜曲面進行多次的拆面和接面。拆面和接面的出發(fā)點是先做曲率平滑的大面，后做曲率陡峭的小面，再通過相切邊就能創(chuàng)建一個高質(zhì)量的曲面。所以對于任何復(fù)雜的曲面來說，只要靈活構(gòu)建輔助線，所創(chuàng)建的網(wǎng)格曲面都是一個高質(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。該命令簡單實用，創(chuàng)建曲面速度快、效率高，常用于一般曲面的創(chuàng)建。但對于一些較復(fù)雜不規(guī)則邊，使用“填充曲面”可能會造成局部突起或下陷，這時需創(chuàng)建“橋接曲線”或“藝術(shù)樣條”等擬合曲線進行形狀控制。使用“填充曲面”有時甚至?xí)霈F(xiàn)無法創(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“通過網(wǎng)格曲面”進行曲面優(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個曲面對比

圖13 錨的建模效果