1、单位代码 10006学 号 1307 分 类 号 TH122毕 业 设 计 (论 文 )CAD 系统中稳健性建模方法研究院 （ 系 ） 名 称 机 械 工 程 及 自 动 化 学 院专 业 名 称 机 械 工 程 及 自 动 化学 生 姓 名指 导 教 师 郭 连 水2017 年 6 月北 京 航 空 航 天 大 学本 科 生 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书、毕业设计（论文）题目：CAD 系统中稳健性建模方法研究、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：1、熟练掌握三维 CAD 系统，如 Pro/E，能够熟练地采用三维系统进行零件建模；2、了解国内外关于 Resilient
2、 Modeling Strategy 的发展状况；3、深入航天企业调研，了解复杂产品的建模规范；4、了解参数化与特征造型技术。、毕业设计（论文）工作内容：随着 MBD 技术广泛应用，CAD 模型的修改与重用对建模方法提出更高的要求，支持重用的 3D 稳健性建模方法越来越多地受到人们的重视。本文的主要研究内容如下： 1、研究参数化特征建模系统稳健性建模（Resilient Modeling Strategy）的概念、内涵；2、总结 CAD 系统的特征依赖、编辑与管理方法；3、建立实体模型，对常规建模和稳健性建模方法进行分析比较；4、以 Pro/E 为例，归纳总结稳健性建模方法。、主要参考资料：1
3、 Iyer, N., Jayanti, S., Lou, K., Kalyanaraman, Y., Ramani, K., 2005, “Shape-based Searching for Product lifecycle applications”J. Computer-Aided Design, 37(13), pp. 1435-1446.2 El Hani, M.A., Rivest, L., Maranzana, R., Chapter, B., 2012. Product Data Reuse in Product Development:A Practitioners Pers
4、pective. In: Rivest L, Bouras A, Louhichi B, editors. Prod. Lifecycle Manag. Towar.Knowledge-Rich Enterp. SE - 21, vol. 388N. Springer Berlin Heidelberg; 2012, p. 24356. doi:10.1007/978-3-642-35758-9_21.3 Shah, J, 1991. Assessment of features technologyJ. Computer-Aided Design 23 (5) pp. 331-3434 Bo
5、dein, Y., Rose, B., Caillaud, E., 2014, “Explicit Reference Modeling Methodology in Parametric CAD System“J. Computers in Industry 65(1), pp. 136-147.机械工程及自动化学院（系）机械工程及自动化专业类 130715 班学生 毕业设计（论文）时间： 年月日至年月日答辩时间：年月日成 绩：指导教师：兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：系（教研室） 主任（签字）：本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一
6、切资料均已在参考文献中列出。作者：签字：时间：2017 年 6 月第 I 页CAD 系统中稳健性建模方法研究学生姓名： 指导教师：郭连水摘要随着基于三维模型的参数化定义技术的广泛应用、产品更新换代速度的加快以及人们对个性化、定制化产品的需求，CAD 模型的灵活性与重用性对建模方法提出更高的要求。高效的设计方法和快速的实践应用会带来极大的竞争优势。为提高 CAD 模型灵活性与重用性，支持重用的三维 CAD 稳健性建模方法应运而生并且越来越受到人们的重视。针对这一现状，本文着重对 CAD 系统中稳健性建模方法进行了研究。本文首先对常见的三种参数化建模方法的基本建模思路进行了分析比对，总结了 CAD
7、 系统的特征依赖、编辑与管理的方法，然后通过对若干实例的参数进行修改，分析模型结构变化时模型是否具有稳健性、重用性、建模及修改简便性的特点来初步判定建模方法的优劣，最终证实稳健性建模能够更快、更容易地构建复杂模型，并使模型更具灵活性和重用性。对稳健性建模方法的研究学习及应用，适应目前制造环境动态性、随机性的发展趋势，必定能够加速产品的研发生产进程，必定能够提高产品的个性化和定制化，对当前工业领域的三维建模方法具有良好的指导意义，是未来三维建模方法的发展方向。关键词：稳健性建模策略，CAD 的参数化建模策略，灵活性和重用性第 II 页Research on Resilient Modeling
8、Strategy in CAD systemAuthor:Tutor:Guo Lian-shuiAbstractWith the extensive application of ModelBased Definition, the speed of product replacement and the demand for personalized and customized products, the flexibility and reusability of CAD model put forward higher requirements for modeling strateg
9、ies. Efficient design strategy and rapid practice of application will bring a great competitive advantage. In order to improve the flexibility and reusability of the CAD models, the three-dimensionsCAD Resilient Modeling Strategy which supports the reuse, came into being and received more and more a
10、ttention. In view of this situation, this paper focuses on the Resilient Modeling Strategy in CAD system. This paper first analyzes the basic modeling ideas ofthree common parametric modeling methods, summarizes the methods of feature dependency, editing and management of CAD system, and then throug
11、h the modification of the parameters of several examples to analysis whether the model is robust, reusable, easyto model and easy to modify when the model structure changes to determine the advantages and disadvantages of different modeling strategies. Finally, we confirmed thatthe three-dimensions
12、Resilient Modeling Strategy can be faster and easier to build complex models, and make the model more flexible and reusable. The research and application of the Resilient Modeling Strategy is suitable for the development trend of the dynamic and randomness of the manufacturing environment, and it is
13、 necessary to accelerate the production process of the product. It will be able to improve the products individuality and customization. The three-dimensions Resilient Modeling Strategy has a good guiding significance to three-dimensional modeling method and it is the future development direction of
14、 three-dimensional modeling strategy.Key words:Resilient Modeling Strategy，ParametricCAD modeling strategies，Flexibility and reusability第 III 页目录第一章 绪论 11.1 课题背景及意义 11.2 国内外基本研究现状及发展趋势 41.3 课题研究方法 71.4 研究内容及论文构成 81.4.1 研究内容 81.4.2 论文构成 8第二章 参数化特征建模方法分析比较 92.1 水平建模策略 92.2 显式参考建模策略 102.3 稳健性建模策略 12第三章
15、 参数化特征建模实例对比 153.1 模型复杂度的概念 153.2 实验综述及流程 163.3 模型实例对比 213.3.1 杠杆支架模型 213.3.2 罐体气盖模型 273.3.3 壳体模型 303.4 实验结果 33结论 35致谢 40参考文献 42第 1 页第一章 绪论1.1 课题背景及意义工程和产品设计的目标是设计和构建高效的问题解决方案，这是智力密集型的项目，需要不断探索、重复、优化并进行测试，直到试验成功。三维计算机辅助设计（CAD）系统因为其方便及时且成本效益高的特性已经成为在三维CAD 建模领域实现有效创新的必备工具产品。要创建复杂零件的 CAD 模型，需要一个精心设计的建模
16、策略，以确保模型具有可重用性和灵活性的特点，这样才能够适应设计需求的不断变更（如图1.1 所示）。因此，为节省时间和精力，提高产品的市场竞争力，三维 CAD 模型的重用成为现代工业规则中关键的一环。能够重新使用并以有效和相对简单的方式对现有模型进行修改，是现代三维 CAD 模型对加速产品开发过程的贡献之一。许多研发人员已经将“把以前的设计和研发过程应用于新的设计情况”这一能力视为现代工程和产品开发的必备素养 1-3。随着三维 CAD 建模工程方法的日益普及，大多数设计信息都是以数字的形式存储在 CAD 模型中，设计的可重用性在很大程度上取决于 CAD 模型的可重用性。CAD 模型作为开发过程的
17、中心点和主要数据源，在大多数设计参与者中使用和共享。在 CAD 系统中，可重用性是指设计人员在修改量最少、重复工作量最小的情况下就可以有效改变 CAD 模型数据的特性，用于或适应不同的应用或设计。在当今的工业环境中，工程设计的表达高度依赖于数字产品，CAD 模型的可重用性就是要求有效管理三维 CAD 模型的数据。因此，进行更改或重新使用某一特定的 CAD模型的困难程度，取决于这个模型的原创作者所使用的不同建模策略及由此产生的不同三维 CAD 模型的数据管理。第 2 页图 1.1 更新换代极快的汽车和手机在工业环境中，虽然很多公司要求三维 CAD 设计人员遵循公司内部某些具体的 CAD 建模方法
18、指南（这些方法指南可能是由公司以前资深设计师根据他们的经验及专业知识编写的）来确保公司内部的三维 CAD 模型在一定程度上的一致性和标准化，但是大多数公司可能并没有有关高效建模的方法规程，因为这方面的信息发布的实在太少了，这类信息往往是保密的。 因为在三维CAD 建模专业环境中，高效的设计方法和最佳的建模策略必定会带来极大的、非常重要的竞争优势。因此，这种类型的信息往往保密的，或者它们是以专利的形式被发布出来 11。从工业生产的立场来看，参数化特征建模技术是目前一个成熟的、被广泛应用的、可以提供有条理的并且复杂的建模功能的技术，用它可以创建出复杂的几何模型。参数是通过尺寸、几何约束或代数约束来
19、定义的。参数化建模系统除了具有明显的速度优势和能够相对容易地构造复杂零件的能力，它还可以实现更灵活和可重复使用的模型设计。如果正确使用，参数化 CAD 建模还可以把设计意图添加到所建模型中，在一定范围内通过简单的编辑，快速改变一些参数的值，就可以把现有模型转化为我们需要的新的模型。然而，就目前情况而言，这些系统在可重用性方面的表现却远远低于用户的预期，也远远低于CAD 软件厂商所提出的要求。事实上，CAD 模型可被修改和重用的能力在很第 3 页大程度上取决于是否使用有效的参数化建模策略，而不是参数化这一技术本身。目前的参数化 CAD 建模由参数化驱动的方法主导，关于“模型是如何被构建出来的”这
20、一记录在创建模型时自动内置保存并且在建模过程中始终可用。参数化建模系统依赖于用一种关联的方式（父子关系）并且包含三维信息特定方面的数据结构模型（特征）来维持。换句话说，在参数化特征建模过程中，特征是以顺序的方式依次被添加到模型中的，由此导致这些相关的特征之间产生父子关系。通常这个特征创建顺序是由树状表示的，这种树状结构被称为特征树。特征树上每个节点代表一个特征，模型的设计意图可以由这些节点间的父子依赖关系含蓄地表达出来。特征之间的父子依赖关系是参数化模型被修改时大多数再生问题的根源。特征树的适应性使 CAD 用户能够快速地对复杂零件进行相对容易的建模，同时增加其设计的灵活性和可重用性。理想情况
21、下，这些特征间的相互依赖的关系必须符合该部分的设计意图，这样一来对模型的修改便会以一种高效的方式从父节点自动传递到子节点，即 CAD 模型将以可预测的方式对修改作出正确的反应。然而，当这些特征相互依赖关系没有被正确地定义时，参数化 CAD模型的复杂度可能会显著地增加，修改 CAD 模型时便会产生很多问题，甚至一个很小的改动就可能导致 CAD 模型失效（如图 1.2 所示）。在这种情况下，设计人员被迫在一定程度上重建模型来适应新的设计意图，浪费大量的时间和精力 6。第 4 页图 1.2 模型修改时产生大量的错误（35 个错误面，395 个缝隙）尽管现代 CAD 软件系统中提供了强大的参数化工具，
22、但是创建可以很容易地修改和重复使用的高效模型的任务仍然依赖于设计人员 5-7。换句话说，现代CAD 软件中的参数化工具对于不完全了解基本图形原理和三维建模策略的工程师和技术人员的作用是有限的 9。与建模策略相关的问题可以在实际情况中很容易地被发现，比如同一零件由两位不同的设计人员进行设计建模可能会有不同的建模历程和适应设计变更的能力 5。在三维 CAD 建模方面，为特定设计情况确定最合适的建模方法、了解并掌握特征树是如何构建的，是保证成功的关键因素。因此，选择一个精心设计的建模方法以确保能够构建出一个有效的参数化模型，并且在基于特征和要求进行修改这个零件时所耗费的时间和精力达到最小是非常必要的
23、 1,2。然而，这个过程并不容易。选择具体策略并作出建模决策活动强烈依赖于设计者的认知能力和他的经验、技能来理解和分析设计 9,10。更糟糕的是，大部分的 CAD 培训旨在学习如何使用一个特定的软件工具，而不是如何创建稳健的和可重用的CAD 模型。稳健性建模策略是基于最佳实践的建模方法，目的是使得三维 CAD 模型的灵活性和稳健性达到最大化 11，同时尽量减少模型产生错误的风险。研究学习参数化特征建模系统稳健性建模的方法并把它运用到实际设计建模的工作中，能够使系统的性能对于某些因素的变化不敏感，使得模型在某一参数发生变化第 5 页时保持稳定。稳健性建模能够更快、更容易地构建复杂模型，并使模型更
24、具灵活性和可重用性，以适应目前制造环境动态性、随机性的发展趋势。合理运用稳健性建模的方法必将大幅降低研发周期及研发费用，极大提高产品的竞争力和可靠性。1.2 国内外基本研究现状及发展趋势在三维 CAD 领域，有两种不同特色的实体建模方法：参数化特征建模方法（或称之为基于历史的建模方法）和直接建模方法（或称之为无历史的建模方法）。参数化的模型是由具有可以更改的预定义参数来创建不同的设计变体的几何模型。参数化建模方法提供了一种结构化的三维建模方法，它需要用户通过定义约束和特征关系来预测设计的某些方面，以确保任何更改能够自动传递到所有相关的下游特征。而另一方面， 直接建模方法，提供了一种快速定义和构
25、建几何结构的方法。 设计师专注于创建几何结构而不是把设计意图置入该模型。两种建模方法各有优劣。一般来说，直接建模方法适用于具有确定的设计意图、能够产生长期价值而不会发生变化并且对建模速度的要求比参数化和结构化更重要的模型。其他情况包括后期阶段经常发生不可预测的变化，产品生命周期短，对结构化、有序模型投资的回报很小的模型。参数化建模更适合那些设计师得到严格的工程标准以使设计和性能指标满足严格要求以及制造标准的模型。基于参数化特征的 CAD 软件通过内置复杂的三维模型案例来提供一个强大的三维建模能力。通过合理利用模型的特征树，设计师可以确保对特征的修改自动传递到下游其他相关子特征。然而，要做到这一
26、点，他们必须定义适当的几何结构关系和特征依赖以确保模型将以可预测的方式对变化作出正确的反应 5。是否选择一个高效建模策略在很大程度上决定了最终模型的灵活性和可重用性的程度。此外，低效的建模策略可能导致模型变得不稳定，即使是很小的修改也通常导致模型的崩溃以致需要完全从头开始重新建模 8。为了尽量减少修改现有的模型时所耗费的时间和精力，有必要选择一个基于特征和要求的适当的建模方法。在这种情况下，一些研究试图确定允许设计师对于特定的几何模型定义更合适的建模过程的影响因素 4。 虽然存在很多不同的方法，但是第 6 页只有很少的建模策略可以广为应用。 经过良好测试并且高效的建模方法可以带来极大的竞争优势
27、，所以大多数公司不愿公开这些信息。 在 CAD 建模教育方面，有些作者提出了不错的建模方法和较好的实践指导，如使用否定知识或标准评估 9。然而在这些情况下，通常只是提供一套建模指南，而不是一个正确的方法策略。研究人员普遍认为，为了创建一个有效的参数化 CAD 模型，必须正确识别正在建模的零件的功能参数，以便进行适当的参数化方案和确定并实施合理的建模策略 13,14。尽管许多作者研究了参数化建模在技术、数学基础和产品开发中的优势。但是，作为技术的推动者，只有最近才有学者开始研究三维 CAD建模的策略 15-17。CAD 系统的有效使用需要提前学习一些重要的知识，如实体模型的修改和正确使用建模来体
28、现设计意图等 19,20。基于特征的建模最新相关的研究是Shahin 最近发表的论文，并在其提出的评论文件中进行了讨论。从更实际的角度来看，由德国设计规范 VDI2209 描述的产品建模的方法策略、组织要求和技术强调“思维过程 ”作为创建可靠的 CAD 模型和准备建模过程后续步骤必要环节的重要性。不幸的是，具体的建模过程和主流的 CAD 建模策略都没有被这些文章中的任何一篇所涉及，部分原因在于处理建模过程中涉及决策过程的人类认知的困难。另外，研究界主要集中在帮助设计师在决策过程中通过结合各种信息以使 CAD 模型更加全面。例如，基于知识的系统或模型注释已被开发出来，以帮助设计者创建更多的可重用
29、模型，但是很少有人投入精力来努力开发高效的 CAD 建模策略。设计师们最初在装配建模过程中尝试参数化的设计方法。一些在组件中如何组织组件的策略，如上下部分和组件之间需要建立什么约束和关系（自上而下的设计）已经被提出了（如图 1.3 所示）。例如 Aleixos 等人，建议基于整合语义元素与 CAD 模型的自上而下的装配建模方法 12。作者 Hui 也使用语义元素来开发“装配语义建模”理论，可以应用于装配序列规划。另外，Patalano等人最近提出的软件系统和算法的理论，如基于图形的系统也已经被开发出来并在一些方面开始帮助用户和部分基于约束的自动化的设计中的机械组件 14。第 7 页图 1.3
30、曲柄传动装配结构尽管这些装配策略有不可否认的好处，但是装配建模技术只是整体参数化产品开发方案的一小部分。有效的建模是需要为每个零件准备适当的建模策略的。尽管一些作者已经冒险定义了零件建模指南和最佳实践手册，但这一领域仍然没有得到有效开发。例如，Hartman 定义了一个基于观察经验丰富的设计师建模过程的程序。他的研究目的是确定专家的心理模型与执行的具体建模行为之间的关系。Rynne 和 Gaughran 开发了一种基于认知建模的策略，在设计CAD 零件时最大化地体现设计意图。Bluntzer 等提出了一种强调修改和客户需求的方法作为定义 CAD 模型几何结构的基本要素。同样，Company 等
31、提出了一套基于用一系列协调的标题来评估的逐步细化的最佳实践理论来优化 CAD培训。其他作者则建议创建模型时使用更少的但更复杂的特征，因此这些零件就可以被更快地建模。而 Wu 则认为最佳建模策略可能不会导致零件拥有最少的特征，因为模型是否易于进行修改才在很大程度上决定了建模效率 16，而不是特征数量的多少。第 8 页上一段提到的所有尝试都提供了有效的用于创建强大的可重复使用的参数化 CAD 模型的准则。然而，它们并不是常规的、主流的建模方法，在许多情况下他们的建议只能应用于小型或非常特定的领域。目前已经发表的并在专业领域广为应用的参数化建模策略主要有三种：水平建模策略、显式参考建模策略和稳健性建
32、模策略。稳健性建模策略能够更快、更容易地构建复杂模型，并使模型更具灵活性和可重用性。这是未来三维 CAD 建模的发展方向。对于这项研究，本文将进行详细解释说明和实验测试已经发表的三种主要的参数化建模策略。本文的研究侧重于使不同建模策略具有独特性质的方面及其相应的特征树的结构，并描述了一系列针对性的实验研究：当将不同建模策略应用于实际设计情景时，评估模型的复杂度、稳健性和可重用性。1.3 课题研究方法在课题研究中，本文解决了建立参数化 CAD 模型结构固有的一些困难；详细解释并比较了三种主流的参数化特征建模方法；并且把三个具有不同复杂程度的工业 CAD 模型根据不同的建模方法构建出来，通过分析它
33、们典型特征树的内部结构来确定当需要进行某一修改时，模型结构将会产生何种变化。为了确定实验研究的有效性，本文研究当模型被修改时模型几何结构的变化，着重分析模型在修改之后的正确性和完成这项工作所耗费时间的多少。根据这些不同的情况来审查和评估这些不同的建模方法的优劣，并且将根据本文的研究结果得出结论以及确定未来的工作。1.4 研究内容及论文构成1.4.1 研究内容（1）研究参数化特征建模系统稳健性建模（Resilient Modeling Strategy）的概念、内涵。（2）总结 CAD 系统的特征依赖、编辑与管理方法。（3）建立实例模型，对常规建模和稳健性建模进行分析比较。（4）以 Pro/E
34、为例，归纳总结稳健性建模方法。第 9 页1.4.2 论文构成为使整篇论文条理更加清晰，重点更加突出，现将下文第二章、第三章的主要内容表述如下：第 2 章分析三种主流的参数化设计建模的具体建模思路及方法：水平建模策略，显式参考建模策略和稳健性建模策略。第 3 章用三种不同的建模方法构建三个具有不同复杂程度的工业 CAD 模型，分析模型在修改之后的正确性和完成这项工作所耗费时间的多少。根据这些不同的情况来审查和评估这些不同的建模方法的优劣。第 10 页第 2 章 参数化特征建模方法分析比较本章以稳健性建模策略为重点，主要对三种常见的参数化特征建模方法进行详细的解释说明并分析它们具体的建模思路及方法
35、。为第三章实验中同一零件根据不同建模方法构建的三维 CAD 模型在进行修改时所拥有的不同的稳健性和可重用性的表现提供理论依据。2.1 水平建模策略水平建模策略认为，常规的基于特征建模方法的许多局限性与其模型结构的垂直性有关，即模型内部由不同特征之间定义的固有的父子关系 11。水平建模策略的目标是定义一个易于管理的结构以确保对模型的特征所做的任何更改都不会影响其他的特征及功能。这样一来，通过消除建立在模型特征树节点之间的父子关系就可以避免产生修改时会导致模型不稳定的结构。在这种建模方法中，所有特征都是建立在参考基准平面或偏移基准面上的，而不是建立在其他特征之上的，以确保不同特征之间没有直接的依赖
36、关系（见图 2.1）。 这些参考平面就像父节点一样，使得所有特征分布在特征树的同一级别上（水平）。因此，导致模型不稳定的因素和因改变或删除特征而造成的不必要的影响被最小化。图 2.1 水平建模策略第 11 页一般来说，在水平建模策略中，虽然创建基准平面为创建三维 CAD 模型增加了额外的准备工作，但是使用水平建模策略创建的三维 CAD 模型的特征树是简单的，平坦的（大多数特征都是位于树的同一层次上），易于理解的。水平建模策略中的特征依赖链通常很短，这使得建模的过程易于追踪。然而，许多研究人员认为合理利用特征之间的父子依赖关系是非常重要、非常有价值的。在水平建模的特征树中表达设计意图是很困难的，
37、部分原因是对模型的修改变更缺乏在整个特征树中的自动传递。实际上，特征之间的父子依赖关系是参数化建模方法的基础，父子依赖关系是参数化建模系统中能够使设计人员创建真正灵活的、适应性强的模型的基础。虽然使用一些特定的参考平面来建模在某些情况下是必要的和有价值的，但是无视特征依赖和特征联系的好处，将很难实现创建可重用的模型和在模型的特征树中置入设计意图这一目标。此外，水平建模策略是德尔福科技公司的专利意味着设计师在没有专利许可的情况下是不允许使用这一建模策略的。2.2 显式参考建模策略根据之前对建模方法的分类，显式参考建模策略的开发人员提出了一个基于明确管理特征参考的旨在最小化地创造与现有几何约束相关
38、联的建模方法 5。虽然大多数新的几何约束在创建二维草图时，可以被定义在参考平面上或者单个草图元素上，但是大多数设计特征可以被用作新约束的支撑元素。开发者指出，使用现有的几何结构作为约束的支撑元素仅在需要局部修改的操作中是必须使用的（见图 2.2）。在大多数情况下，现有的支撑约束的几何结构可以被外部的参考元素如参考点、参考线、参考平面等替代。第 12 页图 2.2 模型操作和关联约束的分类（实线代表一定存在约束，虚线代表可能存在约束）在显式参考建模策略中，参数约束分为两类：第一类包括可以由不是模型几何结构中的部分元素定义的约束。第二类包括必须始终参考几何结构的现有特征或某些方面的约束。对于第二类
39、约束，必须用外部元素（如参考点、参考线或参考面等）替代那些被直接引用的模型的几何结构（见图 2.3）。显式参考建模策略的目标是构建一个简单且易于理解的特征树，并且尽量减少特征依赖关系 18。办法就是把可能修改或删除的特征依赖（父子节点）尽可能近地放置在一起。第 13 页图 2.3 基于特征关系的显式参考建模操作（实线代表一定存在约束，虚线代表可能存在约束）通过将子节点放置在靠近对应父节点的位置，特征树的结构变得自然而简单。即使对于不熟悉该模型的机构甚至没有参与其创建过程的用户也是如此。遵循逻辑顺序的步骤创建的模型比用非结构化策略创造的模型能够更好地被设计师所理解。父子关系仍然可以在这种建模方法
40、中存在意味着模型被修改时仍然可能发生错误。在具有相当多特征的复杂部件中，连锁父子关系可能会因为某个位于特征树结构中高层的特征被修改或删除（多个子节点的父节点）而变得问题重重。 当这种情况发生时，所有的子特征（和子特征的子特征等）都会受到影响。为尽量减小这些情况下的不良影响，本文建议将所有可能被修改或删除的特征放置在特征树结构中的最底层。2.3 稳健性建模策略稳健性建模策略是由格布哈特开发的一种基于最佳实践的建模方法，目的是使得三维 CAD 模型的灵活性和稳健性达到最大化 11，同时尽量减小模型产生错误的风险。它为特征树定义了一个标准形式，其中特征被组织在一个稳定的结构中，通过管理特征树的顺序和
41、结构，能够实现修改模型时可以正确预测模型几何结构的变化情况，而不用花大力气了解特征之间的依赖关系 6。在这种方法中，根据三维模型所有特征的功能、重要性和活泼性（影响其他功能的可能性）对其进行分类，把特征树分为六个部分。不同组的特征在模型特征树中必须按相应的顺序正确添加。 这些特征的分组情况如表 2.1 所示。第 14 页表 2.1 稳健性建模策略中定义的六类特征特征组 特征描述 典型特征 注释 链接1-参考 所有“参考”特征都是最先被构建的，以确保他们对后续所有特征可用参考机构、布局、草图、参考平面、坐标系、图像没有实体过程2-构建 构建特征如那些参考平面和复杂曲线等，是用来定义复杂实体的参考
42、平面、投影、复杂曲线、修剪、分割没有实体过程3-核心 一个“超级基础的特征 ”定义了模型的形状、尺寸和方向拉伸、扫描、薄壁、旋转、抽壳、放样增材过程如果你可以在背景中看到这些特征，那么就可以关联到它。4-细节 细节特征仅与核心特征产生关联来完善模型的形状剪切、扫描、打孔、放样减材过程 关联到其他的特征组是允许的，关联到细节这一特征组是不允许的5-修改 斜面和复制的一些最后添加的特征拔模、阵列、镜像可选择有无如果你可以在背景中看到这些特征，那么就可以关联到它。第 15 页6-校验 一些经常修改的不适合做父节点的特征圆角、倒角 从尺寸最大的开始必须在整个建模过程中都可用的一般参考元素和参考平面包含
43、在第一组。如果需要，第二组包含将用作后续实体模型参考元素的特征，包括曲线、路径等构造几何线。定义模型整体形状、方向和三维尺寸（生成实体的特征）的核心特征包含在核心组（第三组 ）中，主要是增材过程，如拉伸、扫描等。模型基本形状和尺寸的重大变化将需要修改此组中的特征。一般来说，包含在前三组中的特征可以作为后续子特征的参考元素。特定几何结构的详细信息，通常包括切除材料的凹槽、孔和螺纹等作为之前三组特征的子特征存在于第四组。由于几何结构的细节可能被更改或删除，所以建议第四组中的特征不用作后续特征的父节点或参考元素使用，除非绝对有必要。如果需要，第五组包括将最终添加到模型中的那些几何元素特征，而不是可能
44、会有子特征的父特征，如阵列和镜像元素，这是可选组。最后，修饰和精加工的特征如圆角和倒角总是最后添加到特征树中并包含在一个单独的、隔离的组（第六组）中。此外，稳健性建模策略还提供了一个具体的指导方针来命名文件和特征树中的特征，因此当需要进行修改时更容易识别它们。特征必须根据其设计意图及其功能目的和特点进行命名（如图 2.4 所示）。通过提供清晰直观的识别方法和遵循在整个建模过程中的特征添加顺序的机制简化了编辑任务。图 2.4 使用稳健性建模策略下的一个简单的特征树稳健性建模策略的目标是创建一个具有简单直观结构的稳健的模型，使得理解其设计意图所需要的时间和精力达到最小化。这个结构还允许设计人员检测
45、模型中的构建错误并且轻松识别有问题的地区及其来源，并且进行相应的补第 16 页救。此外，稳健性建模方法还提供了稳定可靠的建模指导方法来构建特定的特征同时增强参数化 CAD 模型的可修改、可重用和可共享的能力。为确保设计人员在建模过程中根据稳健性建模策略来创建模型，稳健性建模策略还提供了关键项目的清单，设计人员在创建模型时必须进行查证。第 3 章 参数化特征建模实例对比用何种建模方法构建的三维 CAD 模型最具有灵活性和稳健性的特征，能够以最小的时间代价和精力代价来满足新的要求，是本文研究探索的关键问题。一般来说，模型复杂度越低，稳健性和灵活性就越好，进行修改时所需要花费的时间及精力就越少，是理
46、想模型。在这一章中，共给出三个实例进行研究对比。分别用三种不同的建模方法构建三维 CAD 模型，然后提出新的要求，对模型进行修改操作。通过分析模型的复杂度，观察对比模型是否能够修改成功以及需要花费多少时间及精力才能修改成功，可以得出不同建模方法的优劣以及未来三维 CAD 建模的发展方向。3.1 模型复杂度的概念复杂度的高低是分析设计是否优良的一个参考方面，通常被定义在系统的术语中。系统是一套相互关联的元素，表现出单个元素不会独立显示的特征。复杂的系统可以被理解为大量组件以非简单的方式相互关联而组成的 18。大多数复杂度定义涉及对这些组件理解和量化的度量以及它们是如何相互联系的。例如，一些学者将
47、复杂度定义为制造或设计所需要投入的精力（即解决制造或设计问题有多困难），这表明设计复杂度与设计过程有关。其他学者则考虑零件之间的耦合、零件如何组装成一个整体以及什么性能只能由哪些零件产生，以确定零件的复杂度。在基于特征的参数化 CAD 建模情景中，复杂度可以由其参数模型的结构来确定（草图、特征和相互依赖关系），这是模型如何建成的直接结果。各种衡量模型复杂度的指标已经被提出来。作者马西森和萨默斯使用一组度量来分析组件的连接关系图。他们将其分为三个类别：尺寸、互连互通和中心性 6。第 17 页尺寸是复杂度测量中常见且直观的度量。例如，约翰逊和迪瓦卡兰在对多个不同的建模策略的比较研究中使用多个计数度
48、量，包括特征的数量、每个草图特征中的平均实体数、模型数量等。还包括其他几个计数度量（如草图特征数或边缘特征数）作为他们提出的计算零件复杂度指数（CI）方案的一部分。模型中的尺寸约束的数量也是用作计算复杂度的度量，尽管在许多情况下可以用几何约束代替某些尺寸，但正如卡斯图所述，这取决于设计意图。虽然尺寸指标是直观且易于计算的，但因为它们对复杂度的影响是非线性的，所以对模型复杂度的测量结果可能并不精确。当数量很低时，添加一个数量单位会产生重大的影响，但是随着计数增加，每个新项目对整体产生的影响会越来越小。互连互通性和中心性度量解决了节点之间的关系和模型中每个节点的相对重要性。这些类别中的常用度量包括
49、流量（每对节点之间唯一路径的数量）和聚类系数（节点在系统内分组的程度）。在本文中，定义了应用于模型结构复杂度的四个简单指标：特征节点的数量、节点之间的依赖关系数、叶节点数和平均节点连接数量。特征节点的数量是描述在特征树中创建的特征总数多少的度量（包括几何参考）。节点之间的依赖关系数是指模型特征之间由几何和尺寸约束所创建的关系。叶节点数指的是没有后续特征依赖关系的特征的总数。最后，平均节点连接数量是每个父节点的平均子节点数。用它们来描述本文研究中使用的 CAD 模型的复杂度。四个指标是基本的代表性集，能够对本文所分析的模型进行分类，并提供模型复杂度的定量参数。它们并不是全面或正式的参数模型复杂度的测量度量。虽然相当不完整，但这个集合提供了一个简单而又更具描述性的机制来量化节点数量和特征依赖关系。比通常的定性描述，如“低复杂度”或“平均复杂度”将提供更多、更客观、更重要的信息。在这里本文所选的指标是直观且易于使用的。显然，更详细的一套度量和度量的组合可以用来完全量化模型的复杂性，但本实验所选择的度量集合是足够的和适合本文的研究目的的。3.2 实验综述及流程本实验在工程设计图形和参数化实体建模中进行了三
