基于UG NX的锚曲面建模方法应用研究

陈 希，陈国贵

(1.揭阳安麦思科技有限公司，广东 揭阳 522000；2.揭阳职业技术学院，广东 揭阳 522000)

0 引言

现代经济市场竞争日趋激烈，促使产品设计不断创新，特别在曲面设计方面，采用流线型，不仅体现了时尚美，还体现了科技感。随着计算机技术的不断发展，CAD软件对产品的创新性设计起到了很大的促进作用。UGNX是一款面向设计、仿真和制造的高性能软件，能实现整个产品开发设计过程，适用于现代工业的需求。近些年，国内外UGNX研究应用的工程技术人员做了大量有益的技术工作，其软件版本不断更新，为设计创新性产品的建模提供了更完善的方法，已有使用NX对复杂、不规则曲面建模的大量科技文献发表，取得了非常好的效果。

UGNX在曲面建模中有拉伸、扫掠、网格曲面、N边曲面、快速造面和填充曲面等多种命令。其中“填充曲面”是NX10.0及以上版本新增的命令，而“网格曲面”中的“通过曲线网格”是较灵活的曲面建模命令，掌握这两种命令的曲面创建技巧可以大大提高建模效率。“通过曲线网格”功能即通过一个方向的截面网格和另一个方向的引导线创建体，它定义了两个方向的控制曲线，分别是“主线串”和“交叉线串”，对应参数方程的U、V两个方向。通常曲面的引导线方向为U方向，曲面的截面方向为V方向，所以只要四条曲线在交叉处两两垂直，则使用“通过曲线网格”创建的曲面不会收敛，较为光顺，质量高。

“填充曲面”功能即根据一组边界曲线或边自动地创建曲面，对创建曲面边的数量不受限制，但需形成封闭的区域，能够按照制定的边创建规则的网格面。“填充曲面”使用非常方便，但它不是万能的，不是所有的曲面都适合用它创建，对于一些较复杂的不规则边，使用“填充曲面”设置边“G1”相切时，创建的曲面可能会造成局部突起或下陷。

本文以锚的曲面作为建模对象，使用UGNX软件的“通过曲线网格”和“填充曲面”两种命令介绍不规则、复杂曲面的建模方法及应用技巧。

1 锚的建模

锚外形是一种特殊的不规则曲面，可提供抓力，起固定作用，广泛应用于生产活动中，常见于船只的停泊。锚的制造需要整体铸造，不能存在褶皱、裂纹等缺陷，否则会大大降低锚的铸造质量。因此对锚的建模质量有较高的要求，特别是曲面的建模，要进行优化，保证曲面在衔接处或弯曲过渡处能够足够光顺。锚的平面图如图1所示，本文重点介绍锚曲面的建模方法。

图1 锚的平面图

根据锚平面图的尺寸要求，创建整体平面图一半的建模草图，如图2所示。使用“回旋”命令创建锚柄和锚尖两部分实体；使用“标准螺纹”命令设置小径、长度、螺距、角度的参数创建螺纹；对A-A截面图的斜面拉伸115.5 mm成片体。由于锚尖底面与截面A-A之间的弯曲程度较大，且两个横截面的形状、大小相差较大，因此直接进行曲面建模会造成曲面褶皱，故把剩余的草图划分成3个部分，采用“通过曲线网格”和“填充曲面”两种命令分别构建曲面，如图3所示。

图2 锚的建模草图 图3 锚回旋拉伸及剩余草图

1.1 锚曲面的“通过曲线网格”建模方法

1.1.1 “通过曲线网格”创建锚曲面

(1) 第1个曲面的建模。先拉伸四条边，再用“通过曲线网格”命令创建，并设置各边相切，如图4所示。

图4 “通过曲线网格”创建第1个曲面

(2) 第2个曲面的建模。先在锚柄和A-A截面的拉伸边作出截面曲线，并用“桥接曲线①”桥接，用“通过曲线网格”命令创建第1个网格曲面；创建“桥接曲线②”，使与它相交的两条曲线的夹角尽可能达到90°，使用“通过曲线网格”命令创建第2个网格曲面；创建“桥接曲线③”，也使与它相交的两条曲线的夹角尽可能达到90°，使用“修剪片体”命令将3条桥接曲线包围部分进行修剪删除，用“通过曲线网格”命令创建第3个网格曲面，并进行缝合处理。“通过曲线网格”创建第2个曲面如图5所示。

图5 “通过曲线网格”创建第2个曲面

(3) 第3个曲面的建模。用“通过曲线网格”命令创建第3个曲面，设置各边相切。由于竖直截面的两条对边的长度和形状相差较大，生成的曲面有明显褶皱，如图6所示。

图6 “通过曲线网格”创建第3个曲面

1.1.2 “通过曲线网格”建模优化技巧

在曲面作“等参数曲线”，如图7所示。由图7可以看出褶皱产生的原因：由于第3个曲面的两条竖直边曲线形状相差较大，短边是圆弧，长边是由多圆弧与直线构成，且它们的最高点不在同一条“U”线上，造成了曲面从长边向短边收敛时沿着最高点的方向错开了，因此形成褶皱。

图7 等参数曲线

为了进一步改善褶皱，先将刚创建的第2个曲面删除，在竖直边曲线的最高点作一条“艺术样条”，通过位置增减点数和参数化“次数”来调整艺术样条的形状，使其足够光顺。使用“通过网格曲面”，在“艺术样条”两边创建两个网格曲面，同样由于曲线边形状和长度的关系，曲面收敛产生了褶皱，如图8(a)所示；在产生褶皱渐消处创建一直线，将曲面进行分割，删除有褶皱的曲面，如图8(b)所示；再次用“通过曲线网格”创建网格曲面，进行接面，如图8(c)所示，可以看出曲面褶皱没有了，这就进一步优化了曲面的光顺情况。

图8 “通过曲线网格”建模优化技巧

1.2 锚曲面的“填充曲面”建模方法

(1) 第1个曲面的建模。由于锚尖是旋转的实体，其截面的边无法被“填充曲面”直接选择，不能设置面相切。因此第1个曲面的建模用“通过曲线网格”命令创建比较方便。

(2) 第2个曲面的建模。采用“填充曲面”命令，选择曲面的各边并设置各边“G1”相切，如图9黑色部分所示。

(3) 第3个曲面的建模。采用“填充曲面”命令，设置各边“G1”相切，褶皱明显减少，曲面的光顺度改善了很多，如图10所示。

图9 “填充曲面”创建个曲面 图10 “填充曲面”创建第2第3个曲面

1.3 锚曲面建模效果分析

将“填充曲面”创建的第2个曲面和“通过曲线网格”创建的第2个曲面进行对比，如图11所示。由图11可以看出：两种命令创建的曲面相贴近，相差不大。构成曲面的边在长度和形状相差不太大的条件下，这两种方法创建的曲面质量接近，但“填充曲面”建模的速度快、效率高。

将“填充曲面”创建的第3个曲面和“通过曲线网格”创建的第3个曲面进行对比，如图12所示。由图12可以看出：在“通过曲线网格”创建“艺术样条”处与“填充曲面”创建的曲面有较大区别，由于“艺术样条”的作用，网格曲面比填充曲面要更加饱满、光顺。

完成曲面建模并优化后，通过镜像、有界平面、缝合、合并、渲染等命令完成整体的建模，如图13所示。

图11 两种命令创建的第2个曲面对比

2 结论

(1) “通过曲线网格”是UGNX每个版本都有的命令，常用于复杂曲面的创建。运用该命令的关键在于创建的主曲线与引导线的夹角能否达到90°。通过一个方向的截面网格和另一个方向的引导线创建体，如果这两个方向能够垂直，则创建的曲面就不会因为收敛而产生褶皱。对于不规则且数量多于四条边的复杂曲面，通常要通过创建“桥接曲线”或“艺术样条”等辅助曲线，将复杂曲面进行多次的拆面和接面。拆面和接面的出发点是先做曲率平滑的大面，后做曲率陡峭的小面，再通过相切边就能创建一个高质量的曲面。所以对于任何复杂的曲面来说，只要灵活构建辅助线，所创建的网格曲面都是一个高质量的合格曲面。

(2) “填充曲面”是UGNX10.0及以上版本新增的命令，它能够根据封闭区域的边创建规则的网格曲面，且取其中的一部分，创建的曲面光顺度也很高。该命令简单实用，创建曲面速度快、效率高，常用于一般曲面的创建。但对于一些较复杂不规则边，使用“填充曲面”可能会造成局部突起或下陷，这时需创建“桥接曲线”或“艺术样条”等拟合曲线进行形状控制。使用“填充曲面”有时甚至会出现无法创建曲面的情况，需改大公差才可能创建，这样的曲面质量就不高，需使用“通过网格曲面”进行曲面优化，才能创建高质量的曲面。

图12 两种命令创建的第3个曲面对比

图13 锚的建模效果