基于剪刀结构的动态形状设计与优化

发布时间：2017-03-17 22:04

  本文关键词：基于剪刀结构的动态形状设计与优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着建模设计工具的发展,静态模型的设计变得简单,而可运动的动态模型设计却需要外形设计师、机械结构设计师的共同参与,并且由于外形设计和机械结构设计过程相对独立,经常会因缺乏沟通导致整个设计制造过程出现成本高、周期长、质量差等问题。因此,动态模型的机械结构自动生成与优化算法应运而生。它使得普通用户都可以只关注模型形状与运动形式的设计部分,而算法则自动给出功能性的结构设计与装配,最后再利用3D打印等制造工艺,生产出十分个性化的可运动机械结构产品。本文介绍了现有的四种可运动机械结构设计方法：基于运动向导、基于动态捕捉驱动、基于计算设计、基于连杆结构的计算设计方法,它们都是面向普通用户的交互式设计方法。然而,这些方法设计的模型产品,其运动方式或种类比较单一,远远无法满足用户的个性化需求。因此,本文首次提出了一种基于剪刀结构的动态形状自动化设计方法,通过两步式的构造设计,分别从拓扑、几何两方面进行优化,真正使得普通用户都能轻松设计出可进行任意形状变化的结构。首先,我们对给定的两个形状作一致化处理,使其拥有一致的拓扑结构,并利用剪刀结构进行形状逼近,同时保证剪刀结构的可展性。然后对剪刀结构的几何特性进行优化来最小化动画过程中连接处的形变量、最大化形状的逼近程度,在得到优化后的剪刀结构参数之后,通过控制锚单元来模拟展开过程。最后,利用3D打印或手工组装将设计好的剪刀结构制造成可展开的实体物件。经大量实验验证,本方法即使在制造过程存在误差的情况下,也能自动设计出可在任意两个形状物体之间动态变化的产品,且变换过程十分流畅,结果合理而鲁棒。
【关键词】：机械结构 剪刀结构 可展物体 交互模型设计 3D打印
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH122
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 选题的背景及意义13-14
• 1.2 研究问题14-19
• 1.2.1 齿轮结构14-16
• 1.2.2 连杆结构16-18
• 1.2.3 剪刀结构18-19
• 1.3 国内外研究情况19-20
• 1.3.1 机械制造19-20
• 1.3.2 形状分析20
• 1.3.3 可制造模型20
• 1.4 本文内容及结构安排20-22
• 第2章 可运动机械结构设计方法22-43
• 2.1 基于运动向导的机动玩具设计方法22-27
• 2.1.1 机动玩具表达23-24
• 2.1.2 前向的运动仿真装配24-25
• 2.1.3 反向的特征运动仿真25
• 2.1.4 控件组装25-27
• 2.2 基于动态捕捉驱动的机器人设计方法27-33
• 2.2.1 机器人设计28-30
• 2.2.2 运动近似30-31
• 2.2.3 运动链布局31-32
• 2.2.4 统一设计布局32-33
• 2.3 基于计算设计机械角色方法33-36
• 2.3.1 组件及连接34-35
• 2.3.2 装配仿真35
• 2.3.3 机械设计35-36
• 2.4 基于连杆结构的角色计算设计方法36-41
• 2.4.1 运动学基础37
• 2.4.2 设计回路37-39
• 2.4.3 全局优化39-41
• 2.5 本章小结41-43
• 第3章 基于剪刀结构的平面动态模型设计43-63
• 3.1 剪刀结构基础知识44-46
• 3.1.1 剪刀单元(Scissor unit)44
• 3.1.2 单元线(Unit lines)44
• 3.1.3 剪刀单元的类型44-45
• 3.1.4 剪刀片段(Scissor segment)45
• 3.1.5 关节单元线(Joint unit line)45
• 3.1.6 剪刀结构(Scissor structure)45-46
• 3.1.7 锚单元(Anchor unit)46
• 3.2 运动过程模拟46-49
• 3.2.1 约束47-48
• 3.2.2 方程系统48
• 3.2.3 最小二乘解48-49
• 3.3 问题与设计概述49-50
• 3.3.1 问题49
• 3.3.2 挑战性49
• 3.3.3 影响因素49
• 3.3.4 系统概述49-50
• 3.4 拓扑构造50-54
• 3.4.1 结构-分段的拓扑构造51-52
• 3.4.2 分段-单元的拓扑构造52-54
• 3.5 几何优化54-56
• 3.5.1 连接形变量55
• 3.5.2 形状近似55
• 3.5.3 优化55-56
• 3.6 制造56-57
• 3.7 结果展示与讨论57-61
• 3.7.1 实验结果57-60
• 3.7.2 讨论60-61
• 3.8 本章小结61-63
• 第4章 总结与展望63-65
• 4.1 本文工作总结63-64
• 4.2 未来展望64-65
• 4.2.1 多种机械结构组合设计64
• 4.2.2 拓宽应用领域64-65
• 参考文献65-68
• 致谢68-69
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果69

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘扬松;机械结构的创新设计及其优化[J];石油机械;2000年02期

2 曾伟,童时中;电子设备机械结构标准化现状及动态[J];电子机械工程;2003年02期

3 刘毅,徐学忠;机械结构渗漏的机理分析及解决措施[J];润滑与密封;2005年02期

4 孙洪伟;;谈对机械结构创新设计的分析[J];中小企业管理与科技(上半月);2008年04期

5 韩松岩;;机械结构创新设计的分析[J];中小企业管理与科技(上半月);2008年02期

6 李四超;张代国;张强;;机械结构可靠性计算方法[J];舰船科学技术;2011年05期

7 汪久根;;论机械结构的设计[J];教育教学论坛;2012年05期

8 石坤;宋俐;师俊平;;界面元法在机械结构结合部问题中的应用[J];中国机械工程;2012年11期

9 ;用脉冲技术来检验机械结构[J];国外自动化;1979年03期

10 赵荣;;关于机械结构试验方法的探讨[J];电子机械工程;1987年01期

中国重要会议论文全文数据库 前9条

1 王云飞;魏华春;;机械结构多因素可靠性分析工程应用[A];2004年全国机械可靠性学术交流会论文集[C];2004年

2 孙庆鸿;李普;孙蓓蓓;蒋书运;张建润;陈南;卢熹;;机械结构动态分析与控制的工程意义——东南大学机械结构动态分析与控制学科组工作回顾[A];机械动力学理论及其应用[C];2011年

3 焦敬品;何存富;吴斌;;机械结构薄液体层厚度测量方法研究[A];中国科协第235次青年科学家论坛——极端复杂测试环境下实验力学的挑战与应对[C];2011年

4 张屹;竺长安;蒋维;程刚;;基于系统分析方法的机械结构疲劳强度设计[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年

5 屠世荣;;1/2录用录象机,机械结构总体设计[A];中国电子学会生产技术学分会机械加工专业委员会第六届学术年会论文集[C];1995年

6 焦敬品;张强;吴斌;何存富;;机械结构微间隙超声测量方法研究[A];第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2009年

7 ;前言[A];中国电子学会电子机械工程分会2009年机械电子学学术会议论文集[C];2009年

8 康葳蕤;孙冬;范植坚;马保吉;;光纤自动精密缠绕的机械结构分析[A];制造技术自动化学术会议论文集[C];2004年

9 胡勤恒;;坐姿臀部横向摇摆之腰椎保健法及器材[A];2006年全国体育仪器器材与体育系统仿真学术报告会论文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前3条

1 CN23773432Y;流体电子灌装阀的机械结构[N];中国包装报;2000年

2 申勇;安钢成功试制Q550D机械结构用高强板[N];世界金属导报;2011年

3 MEB记者 何s

本文编号：253499