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建模技术的发展历史

2016/6/6    来源:互联网    作者:鞠生林      
关键字:CAD技术  建模  
CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期,以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应用较为广泛的是CADAM软件,近十年来占据绘图市场主导地位的是Autodesk公司的AutoCAD软件。在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中,二维绘图仍然占有相当大的比重。

    在CAD软件发展初期,CAD的含义仅仅是图板的替代品,即:意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期,以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应用较为广泛的是CADAM软件,近十年来占据绘图市场主导地位的是Autodesk公司的AutoCAD软件。在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中,二维绘图仍然占有相当大的比重。

1 第一次CAD技术革命——贵族化的曲面造型系统

    60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息,不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息,CAMCAE均无法实现。

    进入70年代,正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题,当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性,经常发生设计完成后,制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证,所以还经常按比例制作油泥模型,作为设计评审或方案比较的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间,要求更新设计手段的呼声越来越高。

    此时法国人提出了贝赛尔算法,使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作,同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们,能在二维绘图系统CADAM的基础上,开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法,推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现,标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来,首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息,同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命,改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。

2 第二次CAD技术革命——生不逢时的实体造型技术

    80年代初,CAD系统价格依然令一般企业望而却步,这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色,在有限的市场中获得更大的市场份额,以CV、SDRC、UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。70年代末到80年代初,由于计算机技术的大跨步前进,CAE、CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战计划的背景下,由美国宇航局支持及合作,开发出了许多专用分析模块,用以降低巨大的太空实验费用,同时在CAD技术方面也进行了许多开拓;UG则着重在曲面技术的基础上发展CAM技术,用以满足麦道飞机零部件的加工需求;CV和CALMA则将主要精力都放在CAD市场份额的争夺上。

    基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索,SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件──I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达,给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。基于这样的共识,各软件纷纷仿效。一时间,实体造型技术呼声满天下。可以说,实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。

    但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望,也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下,实体造型的计算及显示速度很慢,在实际应用中做设计显得比较勉强。由于以实体模型为前提的CAE本来就属于较高层次技术,普及面较窄,反映还不强烈。各公司的技术取向再度分道扬镳。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。推动了此次技术革命的SDRC公司与幸运之神擦肩而过,失去了一次大飞跃的机会。在以后的10年里,随着硬件性能的提高,实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用。

3 第三次CAD技术革命——一鸣惊人的参数化技术

    正当CV公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时,CAD技术的研究又有了重大进展。如果说在此之前的造型技术都属于无约束自由造型的话,进入80年代中期,CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法──参数化实体造型方法。策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时,集体离开了CV公司,另成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp),开始研制命名为Pro/E的参数化软件。早期的Pro/E软件性能很低,只能完成简单的工作,但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改,使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。

    80年代末,计算机技术迅猛发展,硬件成本大幅度下降,CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元一下子降到只需几万美元。一个更加广阔的CAD市场完全展开,很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。由于他们设计的工作量并不大,零件形状也不复杂,更重要的是他们无钱投资大型高档软件,因此他们很自然地把目光投向了中低档的Pro/E软件。PTC在起家之初即以瞄准这个充满潜力的市场,迎合众多的中小企业上CAD的需求,一举进入了这块市场,获得了巨大的成功。进入90年代,参数化技术变得比较成熟起来,充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。可以认为,参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

4 第四次CAD技术革命——更上层楼的变量化技术

    参数化技术的成功应用,使得它在90年前后几乎成为CAD业界的标准,许多软件厂商纷纷起步追赶。但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其它应用,包括CAM、PIPING和CAE接口等,在CAD方面也做了许多应用模块开发。他们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。考虑到这种参数化化的不完整性以及需要很长时间的过渡时期,CV、CATIA、UG在推出自己的参数化技术以后,均宣传自己是采用复合建模技术,并强调复合建模技术的优越性。这种把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术,并非完全基于实体,只是主模型技术的雏形,难以全面应用参数化技术。由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同,用参数化技术造型后进入非参数化系统还要进行内部转换,才能被系统接受,而大量的转换极易导致数据丢失或其它不利条件。30年的CAD软件技术发展也给了我们这样一点启示:决定软件先进性及生命力的主要因素是软件基础技术,而并非特定的应用技术。SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首先,全尺寸约束这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。在对现有各种造型技术进行了充分地分析和比较以后,一个更新颖大胆的设想产生了。SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本,提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术──变量化技术,作为今后的开发方向。SDRC的决策者们权衡利弊,同意了这个方案,决定在公司效益正好之时,抓住机遇,从根本上解决问题,否则日后落后无疑。于是,从1990至1993年,历经3年时间,投资一亿多美元,将软件全部重新改写,于1993年推出全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。在早期出现的大型CAD软件中,这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家。变量化技术成就了SDRC,也驱动了CAD发展的第四次技术革命。

    技术发展,永无止境。没有一种技术是常青树,愿CAD技术的发展伴随着人们对它认识及应用水平的提高,日新月异,更上层楼。

责任编辑:屈婷婷
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