基于构型设计与CAD造型的工程图学教学研究

郑建冬　孙青云　商庆清　张焕萍

摘要：构型设计和三维造型能力的培养对增强学生的创新思维能力具有重要作用。探讨了在传统工程图学教学过程中对学生构型设计和三维造型能力的培养方法，详细阐述了如何将构型设计、三维造型技术与工程图学有效地融合在一起。研究表明基于构型设计和三维造型能力的课堂教学对工程图学课程的教学改革有着指导意义，为学生后续的三维CAD设计奠定基础。

关键词：工程图学；构型设计；三维造型能力；创新思维

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）25-0175-02

随着计算机图形学的发展和计算机性能的提高，CAD/CAM/CAE技术迅速发展，出现了新的机械产品生产模式：构思三维产品→计算机三维实体建模→数控编程→加工[1]。为了适应现代化生产模式，工程图学课程的教学理念和主要教学任务随之更新，工程图学是与工程设计有关的技术基础课，其主要任务是培养学生的工程图学设计及表达能力，同时培养学生的空间思维能力、工程设计创新能力，以及培养学生认真负责的工作态度和细致严谨的工作作风。构型设计是一种现代设计理念和创造性活动，包含形象思维和抽象思维两个过程。加强构型设计能力的培养，是培养学生创新思维和能力的重要方法。尤其是三维形体的造型能力的培养是培养学生创造和创新设计能力的重要手段[2]。因此，如何培养学生的形体构型设计能力是工程图学课程教学的一个热点。本文以工程图学课程为依托，联系工程实际，引导学生进行构型设计，通过模型或视图构造三维实体，实现设计思维的表达。

一、三维构型设计理论

1.基本立体的构型方式。根据现代三维构型设计理念，基本立体的构型方式可以分成以下几种：（1）拉伸构型方式，将封闭轮廓沿一定方向拉伸形成三维实体。通常拉伸方向为轮廓所在平面的法线方向。（2）旋转构型方式，将封闭轮廓绕着某一轴线旋转一定角度形成三维实体。（3）扫掠构型方式，将封闭轮廓沿着一条引导线进行扫掠形成三维实体。（4）放样构型方式，在不同的平面上由多个封闭轮廓串拟合形成三维实体。

2.构型设计的注意点。（1）两个形体组合时，不能出现点接触、线接触或面连接的情况，因为这样不能构成一个牢固的整体。（2）封闭的内腔不便于成型，一般不宜采用[3]。

3.构型设计的方法。任何机器或产品，不论形体多么复杂，都可以看作由简单立体叠加或切割而形成的。构型设计的实质就是确定构型方法构造形体，它是构思设计过程，更是挖掘思维潜力的创造过程，通过形体的叠加组合和形体切割等方法，使学生充分发挥想象力，全方位多视角地提高学生的创新思维和能力[4]。构型设计的方法有：（1）叠加法，组合体可由多个基本立体叠加而成。（2）切割法，一个基本立体经过数次切割，可以构成一个组合体。（3）复合法，同时运用叠加法和切割法构成复合式组合体的方法。

4.构型设计的思维方式。采用发散思维方式。如果在三维造型过程中，提供不充分的造型条件，那么可以通过发散思维，分析模型表面的凹凸、平曲、正斜的特点，以及基本立体和曲面之间的不同组合体方式构思出多种组合体。根据给定的组合体的一个视图或者两个视图构思组合体，通常存在多种构思，这样不仅锻炼组合体的画图和读图能力，而且可以逐步提高空间想象能力[5]。

二、三维造型分析与读图

1.基本立体的特征视图。传统的工程图学在采用形体分析法和线面分析法读图的时候，虽然也是通过找出特征视图来分析立体的空间形状，但没有分析立体的成型方法和过程[6]。而现代三维CAD造型设计的基础是在一定的工作平面上绘制二维草图轮廓，以二维草图来构建三维立体，进而对三维立体进行更进一步的编辑操作，从而完成复杂的立体。将特征视图与现代三维CAD的二维草图有效地融合，特征视图的新作用是：其外轮廓可作为立体形成的二维草图轮廓。

2.叠加式组合体的特征视图。叠加式组合体采用形体分析法来读图，通常需要两个或两个以上的视图才能表达清楚，因此应将几个视图联系起来看，才能找出特征视图。如图1所示组合体由底板、竖板和肋板组成，其特征视图和成型方法如下：底板以俯视图作为草图轮廓沿着高度方向拉伸成型；竖板以主视图作为草图轮廓沿着宽度方向拉伸成型；肋板以左视图作为草图轮廓沿着长度方向拉伸成型。

3.切割式组合体的特征视图。切割式组合体主要采用线面分析法读图，首先分析给定几个视图的外轮廓线的复杂程度和特点，确定一个成型特征视图，利用该特征视图想象出切割前的原始形状；再利用其他视图分析切割特征及其成型的过程；最后利用直线和平面的投影特性分析切割各个表面的在不同视图上的投影，综合起来想象切割立体的整体形状。概括为：分析特征想原型，分析切割定过程，分析线面想整体。如图2所示，切割式组合体三视图的读图分析。

通過以上分析，在画图和读图过程中，将构型设计和三维造型方法与传统的工程图学分析方法相结合，使它们相互协调，确定出最佳的构型设计方案。

三、结束语

在产品设计和生产进入三维设计的新模式，传统的工程图学教学思想和方法必须做出相应的改变和更新。在工程图学教学过程中，将现代构型设计、三维造型与传统工程图学的二维视图读图方法有效地融合一体。以工程图学教学为前提、以构型设计、三维CAD造型为辅助手段，培养学生计算机辅助思维、构型设计与三维造型，能调动学生的学习兴趣和积极性，有效地激发学生的创新思维，从而提高课堂的教学效率和效果，使学生能掌握现代CAD设计理念。

参考文献：

[1]阮春红，何建英，魏迎军.3D工程制图·理论篇[M].武汉：华中科技大学出版社，2010：3-4.

[2]陈锦昌，陈亮，张瑞秋，等.基于构型设计的工程制图课程中设计环节的探索[J].图学学报，2013，34（1）：105-110.

[3]董晓英，叶霞.现代工程图学[M].第2版.北京：清华大学出版社，2015：93.

[4]李虹，马春生，等.计算机构型设计及绘图实验教程[M].北京：国防工业出版社，2011：33.

[5]白聿钦，莫亚林.现代机械工程制图[M].北京：机械工业出版社，2014：155-156.

[6]侯洪生，闫冠，谷艳华.由二维视图复原三维立体的新方法[J].工程图学学报，2011，（3）：95-99.