学模型的变形造型新方法水.pdf
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1、第 4 1 卷第 9期 2 0 0 5 年9 月 机械工程学报 V o 1 4 1 N o 9 CHI N ESE J OURNAL OF M ECHANI CAL E NGI NEERI NG S e p 2 0 0 5 基于材料 力学模型的变形造型新方法水 王志国 周来水 王小平(南京航空航天大学机电学院南京2 1 0 0 1 6)摘要:运用材料力学 中杆件变形 的思想,提 出了一种新 的变形方法。首先定义局部坐标系,接着 以局部坐标系 的 z轴 作为杆 件的中心轴定义一根横截面 为圆形的弹性 杆,将未变形物体整体 或局部 地嵌入到弹性 杆件 中。最后 在 弹性杆件上施加位移边 界条件(如
2、 固支或铰支 约束)和外部载荷(如轴 向载荷,径 向载荷,弯 曲力偶和扭转力偶等),物体作为杆件 的一部分在外部载荷 作用下而发生变形。运用该方法 实现 了伸 缩,弯 曲,扭转和削尖等变形操作。作为一种与物体描述无关的方法,该方法可以应用于机械零件的造型设计,如螺纹,钻头和弹簧等。实例证明,在 C A D C AM 领域 中,该方法有潜在 的应用前景。关键词:自由变形材料力学几何造 型映射 中图分类号:T H1 2 2 T P 3 9 1 0 前言 在产品的几何形状设计和计算机动画领域,变 形是一种非常实用的造型技术。如果物体的形状比 较简单,可以通过直接拖拉顶点或控制顶点的方法,对物体的初始
3、形状进行调整。然而对于形状 比较复 杂的物体,这种方法显得几乎不可行,而 自由变形 技术的发展则很好地适应了这种需要。近 2 O年来,作为一种新兴的造型技术,变形越来越受到研究者 的关 注。实际上,变形的本质是空间 R 的 自身映射。A H Ba r r 1 1 于 1 9 8 4年首先提 出了一种整体和局部 的变形方法,他以矩阵的形式给出了一系列几何变 换,从而实现 了实体模型的拉伸、弯曲、扭转、削 尖 以及它们 的组合变形。但是,他的方法缺少直观 的交互控制。A Wa t t 2 1 改进 了 A H B a r r 的方法,引入 了因子曲线(F a c t o r c u r v e)的
4、概念,从而增加了 变形的控制手段。1 9 8 6年 T W S e d e r b e r g等L j 提 出 了经典 自由变形方法(F F D),该方法 的思想为:将物 体嵌入到一个三维的张量积 B e z i e r 体中,物体的顶 点或控制顶点可 以对 Be z i e r 体反求出参数。通过改 变 B e z i e r 体的控制顶点,进而由参数按新控制顶点 计算出物体上各点变形后 的位置。后来的研究者延 续了 T W S e d e r b e r g的工作,将三维张量积空间扩 展为 B s p l i n e 体和 NU RB S体L 4 】。但是,当定义张 高等学校优秀青年教师教
5、学科研奖励计划资助项 目。2 0 0 4 1 1 1 3收到 初稿,2 0 0 5 0 3 2 8收到修改稿 量积体的控制顶点很多时,调整这些顶点就显得非 常麻烦。因此,W M Hs u 6 1 和胡事民 分别提出了 F F D 的直接操作方法,从而简化 了 F F D 的变形操 作。冯结青 在 1 9 9 6年提 出了一种新的 F F D方法。他将物体映射到两张参数曲面上,一张定义为形状 曲面,另一张定义为高度曲面,改变它们可 以控制 物体变形的形状与厚度,另一种经典的 自由变形方 法是轴变形法 9 (A x Df),该方法 以最近点规则将物 体附在参数 曲线上,因此参数曲线的改变会传递到
6、物体上。该变形方法的 自由度是一维,但 是在计算 最近点时会带来二义性的问题。K C h a n g等L l U l 基于广义 d e C a s t e lj a u算法,提 出了另一类巧妙 的轴 变形方法,即从 B e z i e r曲线控制多边形 出发,用广 义 d e C a s t e lj a u算法迭代运算,将物体黏 附在 B e z i e r 曲线上,该方法计算量小,并且操作简单。还有一 类方法称之为基于约束的 自由变形。P B o r r e l和 B e c h ma n n【1 1 首先提 出了基于点约束的变 形控 制方 法,通过定义点,偏移量和影响半径来控制物体的 变
7、形。金小刚L J 在 2 0 0 0年提 出了基于广义球的一 般约束变形方法,将约束从点扩展至线、面和体约 束。总之,这类变形方法需要定义一系列约束,影 响半径及势函数。势函数的取值在约束处取 1,而 在影响半径处逐渐 降至为 0。由于引入了势函数和 影响半径,这类方法在局部变形时是相当有效的。运用材料力学 中杆元件的变形思想,提出了一 种新的变形方法。通过定义局部坐标系和弹性圆杆,将未变形物体整体或局部地嵌入到杆件中。进而在 杆件上施加位移边界条件和外部载荷,物体作为杆 件的一部分,在各种位移边界条件和外力的作用下 维普资讯 http:/ 1 5 6 机械工程学报 第 4 1 卷第 9期 而
8、产生不同的变形。1 杆件受力变形简介 1 1 材料 力学基本变形方程 首先,先简单地介绍材料力学中杆件变形的基 本概念。假设杆件的长度为 L,半径为 尺,断面的 面积为,材料的弹性模量为 E,切变模量为 G,泊松 比为,杆件断面的极惯性矩和轴惯性矩分别 为 和,这里它们均为常量。图 1 4为杆件受力 时的变形示意图。其中实线表示未变形的杆件,点 划线表示杆的轴线,而虚线则表示变形后的杆件。当杆件受轴向拉压时,杆件的变形示意图如图 1 所示。图 1 杆件轴 向受拉(受压)的变形不意图 对于受轴 向拉压的杆件,变形方程如下():f (1)P-A 式 中 杆件在坐标 X 处的轴 向长度改变量)杆件的
9、轴力 实际上,当杆件受拉(压)时,不仅轴 向的长度 会改变,径 向(半径)的大小也会发生变化。这里不 考虑其径向的变化。当杆件受到轴对称 的径向分布压力f 拉力)时,杆件的受力示意图如 图 2所示。其 中)是轴对称 的径向分布压力,为一面力。图 2 杆件受轴对称 径向压 力(拉 力)示意图 实际上,当)随 X轴变化时(非常量),杆件 就产生了径向的切应力,此时若要分析杆件的应力 会非常麻烦。为了简化起见,忽略它的切应力。因 此,杆件的变形方程为,1 1 A R(x,)=I(1 一 l)F(x)d r=(1 一 l 1)r F(x)(2)式中 轴对称的径向分布压力 r 杆件内 任意点的 径向半
10、径,r-、y +z A R ,)该点径 向半径的改变量 可见,此时杆件将产生径 向膨胀或收缩。类似 地,同样也不考虑杆件在受到径向分布载荷时,轴 向长度的变化。当杆件受扭转 力偶 作用 时,它 的变形如 图 3 所示。图 3 杆件在 受扭转时 的变形示 意图 假设杆件 内任意 一点在受力扭转 时所产生 的 转角为 0,这时杆件的变形方程 为)=(3)式中r(x)杆件的转矩 O(x)杆件内任意点的转角改变量 杆件受力弯 曲时,杆件变形示意图如图 4所示。l 1 图 4 杆 件受弯时的变 形示 意图 令 表示杆件内任意一点挠度(纵向改变量),此时的杆件 的弯曲变形方程为(加f f f(4)2 Li
11、 j 式中朋)杆件 的弯矩()杆件 内任意一点的挠度 1 2 材料 力学模 型 需要指 出的是,上一节只给 出了杆件 的基本变 形方程。在位移边界条件一定,求解变形方程时,需要结合外部载荷来确定积分常数。也就是说,杆 件在不 同的位移边 界条件和 不 同的外部载荷作用 下,它的变形方程类型是不一样的。一旦位移边界 条件和外部载荷的类型确定,该变形方程就是 以外 力及其作用位置为变量的函数。对于常见的 1 O余种材料力学的杆件受力模型,在程序 中建立 了杆件变形方程类 型的查找表。用户 只需选择位移边界条件和外部载荷的类型,从而确 定相应的变形方程。并通过改变载荷的作用位置及 大小,来调整物体的
12、变形。对于所提及 的材料力学 模型,读者可参阅相关的材料力学书籍。维普资讯 http:/ 2 0 0 5年 9月 王志 国等:基于材料力学模型的变形造型新方法 1 5 7 2 材料力学模型在变形中的应用 2 1 局部 坐标 系 在变形之前,先要建立局部坐标系,并以局部 坐标系的 X 轴作为杆件 的中心轴定义一根圆杆,从 而将未变形物体整体或局部地嵌入到杆件中,图 5是 局部坐标系的示意 图。作者选择了将物体嵌入到圆 杆中,而放弃 了截面为矩形的方形杆。主要是因为 方形杆受力扭转时会产生力学 中的翘 曲现象,在计 算转角时极为不方便。图 5 局部坐标系示意 图 假 设局部 坐标 系 Ox y z
13、 的原 点 0 在坐 标系 O x y z下的坐标为 0 ,D ,而它的二 三 个坐标轴 单 位 方 向矢 量 在 坐 标 系 O x y z下 分 别 为 e =x t,Y l,z l 、e 2=X 2,Y 2,z 2 和 e 3=x 3,Y 3,z 3 。那么对 于 任意一点,它 在局部坐标系 Ox y z 下 的坐标=X 1,Y l,z l ,与在坐标系 O x y z下的坐标 P:,Y,z 可用下式相互转换 e l=(P一 0)一 (5)2 2 物体在各种外部载荷下的变形计算 一旦定义 了局部坐 标系并将物体 嵌入到杆件 以后,物体就可 以视为杆件的一部分。因为所有 的 变形计算都是在
14、局部坐标系下进行,所 以先要将物 体 所有 顶 点或 控制 顶 点 的坐 标(O x y z下 的 坐标、用式(5)转化为局部坐标系 o x y z 下的坐标。而且,只有局部坐标位于杆件之 内的点,才需要进行变形 计算。从前面的介绍可 以得知:当对杆件施加轴向的 拉压外力时,物体将随着杆件在外力作用下沿轴 向 一同 拉 伸 或 收 缩。此 时 对 于 物 体 上 任 意 一 点=,Y l,z l ,局部坐标只有 X 分量会改变。如果 用齐次坐标来表示,该点变形后的新坐标 为 因此=+=el=A L(x I)0 0 0 (1)0 =e,t a 式中 轴向伸缩变形矩阵 类 似地,当杆件 受到径 向
15、轴对称 的分布载荷 时,物体将随着杆件产生径 向膨胀或收缩。此时,点 的局部坐标只有 y 分量和 z 分量将发生变化。这里先将圆杆视为圆柱坐标系,求出点 在圆柱坐 标系中的转角坐标分量。因为点 只沿径向膨胀 或收缩,而转角坐标不变。因此,该点变形后的新 位 置 为、v=广 ,:c。AR(x,:sinOl 0=P。:l 0 l:P。l(l,)cos,)=鼻 0 c o s(O(x O、一1 一s i n(O(x 1)s i n(O(x 1)c o s(O(X 1)一1 0 =e,t t (8)式中 扭转变形矩阵 同理,当杆件受力弯 曲时,点 P1 只有 Y 分量 发生变化,变形后点 P 的改变量
16、为=(9)障 矢 ,J 变 标 乃 坐 一 一 式 维普资讯 http:/ 机械工程学报 第 4 1 卷第 9期 式中凰弯曲变形矩阵 0 0 2 3 物体在多种载荷下的组合变形 上一节讨论 了杆件 中的物体在各种载荷 下 的 变形计算。但是,当对杆件施加多种载荷时,又当 如何计算物体的变形,根据材料力学中的原理,当 位移边界条件一定时,杆件的变形只是各种载荷所 产生变形的简单叠加,与载荷施加的顺序无关。因 此,杆件 中的物体在多种载荷作用下,所产生的最 终变形为 =P,(Xa+Kt+Kb)=(1 0)式中 总变形矩阵 在进行 完变形计算后,还 需将物体所有变 形 后 的新顶 点用式(5)从局部
17、 坐标 转换 为 O x y z下 的 坐标。因为物体模型的显示是在 O x y z坐标 系下完 成 的。2 4 物体弯曲和扭转变形的修正 从前面所讨论 的变形方程可知:杆件在受力时 如果产生 了弯 曲变形,杆件中的物体只有 Y 坐标分 量发生了变化。这是因为材料力学所讨论的变形都 处于弹性小变形状态,在讨论杆件受弯时将其视为 一根轴线,因此不考虑其他坐标分量 的改变。但是 在计算机图形学的应用中不能将杆件视为一根轴,而且必须对物体的弯 曲变形作必要的修正。修正 的 示意图如图 6所示。:I I P 图 6 弯 曲修正示意 图 图 6中水平直线表示杆件中心轴,竖直线表示 通过 点的杆件横断面,
18、表示变形后的杆件 中心 轴与横断面法矢之 间的夹角。变形前,横断面是与 中心轴垂直 的。由于弯 曲变形时杆件只是 Y 坐标发 生 改 变,因 而 变 形 后 夹 角 :a r c ta n f】。如 果 希望变形后 的横 断面仍然与中心轴保持垂直,则弯 曲后的点 还要随着横断面旋转 角度。计算时可 先将 点 绕 经过 点 P 与 z 轴 平行 的轴旋转 角 度,然后再进行弯曲计算,其中点P 的局部坐标为 X 1,0,0 。如用矩 阵来描述,则 变形修正后的点为、v=C OS S l n l s i n l COS l 1 一X 1 c o s tX 1 s i n 1 1 1 V(X 1)1
19、因此有=,K 为修正后的弯 曲变形矩阵。C O S l 一1 一S l n m(x 1)S l n C OS l 一1 0 (1)0 其中m(x 1)=X 1 一 l C O S 1,()=v(x 1)一 X 1 s i n 1。类似地,在进行扭转变形计算时,也需要作相 应的修正。修正的示意图见图 7。其中水平直线表示 杆件的中心轴,椭圆形表示杆件的横断面。图 7 扭转修 正示 意图 在修正之前,先要定义一条基准线。变形前,它为一条与局部坐标系 轴平行的直线。若用圆柱 坐标系表示,该直线的参数方程 为:Y =r h C O S ,z =r b s i n 。式中r b 和 表示基准线的半径和转
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