復雜衛生陶瓷潔具的三維實體建模

摘要 本文以噴射虹吸式坐便器為例，應用三維設計軟件，介紹了復雜衛生陶瓷潔具三維實體模型建模的基本過程和方法，為計算機仿真技術和快速制造技術在陶瓷制造行業的進一步應用奠定基礎。

關鍵詞 衛生陶瓷潔具，坐便器，三維實體模型，建模

1概 述

陶瓷工業在我國有著悠久的歷史，是我國的傳統產業之一。有關資料顯示[1～2]，自1993年以來，我國建筑陶瓷和衛生陶瓷的總產量一直位居世界第一，已成為最大的陶瓷生產國和消費國，而且衛生陶瓷產品也開始大量出口到國際市場，增長勢頭持續看好。

隨著生活水平的提高、現代家居裝飾的發展和審美觀念的不斷變化，人們已不滿足于衛生陶瓷產品單一的款式和結構，而提出了多樣化和個性化的要求。企業為了滿足市場需求，提高自身的競爭力，取得良好的經濟效益，就必須不斷地開發出適銷對路的產品，并且縮短新產品的開發周期，提高產品的更新換代速度。

但是，目前國內陶瓷生產企業新產品的開發卻還處于傳統的手工形式，從產品的外觀、結構到質量幾乎全部依賴于設計、制造人員的經驗和技巧，存在新產品的開發周期長、開發費用高等問題，不利于產品的更新換代和對市場的快速響應，與發達國家相比差距較大。

隨著計算機軟硬件技術的迅速發展，以CAD/CAE/CAM/RP等技術為核心的現代設計方法和先進制造技術，對制造行業產生了重大影響，已在多個領域有廣泛成熟的應用，并取得了巨大成就。國內不少高等院校和企業都在努力將這些現代設計方法和先進制造技術，應用到傳統陶瓷行業的設計和生產中[3～4]。特別是我國擁有自主知識產權的無模砂型快速制造技術的產生和相應制造設備的研制成功，解決了衛生陶瓷潔具產品研發過程中“手工制作石膏原胎模”耗時耗資巨大這一瓶頸，為快速制造技術在衛生陶瓷潔具新產品開發中的應用，奠定了堅實的技術基礎。

數字技術和快速制造技術在衛生陶瓷潔具的新產品開發應用中，新產品的三維實體造型是基礎，也貫穿著從外觀形狀、結構形式到快速制造整個過程。雖然國內部分衛生陶瓷潔具生產企業已經逐步開始使用二維或三維CAD軟件，但也主要是制作產品的效果圖和安裝圖，產品的外觀形狀只求效果不求準確，且產品的內部結構形式也大多沒有設計，這樣的模型并不能滿足陶瓷潔具的現代設計方法和快速制造技術的需求。

陶瓷潔具的種類繁多，如坐便器、蹲便器、小便器、浴缸、洗手盆等。與一般的機械產品相比，陶瓷潔具產品形狀結構復雜且外形多變，除了標準的安裝尺寸和外部總體尺寸外，其余多為不規則曲面，因此產品的三維建模操作復雜且繁瑣，對設計人員的三維CAD軟件應用水平要求較高。

本文以衛生陶瓷潔具產品中形狀比較復雜的坐便器為例，介紹三維實體建模的基本方法和技巧。

2三維CAD軟件的選擇

計算機技術的發展，尤其是微機的性能和Windows技術的發展，使得基于微機和Windows操作系統的三維CAD軟件得到迅速發展和應用。目前，國內外用戶量比較大的三維設計軟件有SolidWorks軟件公司的SolidWorks軟件、PTC公司的Pro/Engineer軟件、EDS公司的UG軟件等。

本文使用SolidWorks軟件進行坐便器的三維建模。SolidWorks軟件是三維設計軟件的主流產品之一，系統提供了強大的、基于特征的實體建模功能和裝配設計功能，并且包含了多個高級曲面完全參數化的處理和過渡的功能，如混合過渡、剪裁、延伸和縫合等，從而能夠生成由復雜曲面產生的實體；另外，SolidWorks還提供了大量的底層API函數，支持C++和VB等高效編程工具，從而能有效地建立產品的應用方案，實現三維設計系統的二次開發；更重要的是，SolidWorks與快速有限元分析軟件COSMOS/Works的無縫集成，能迅速地實現大規模復雜設計的分析和驗證，如流體分析、熱分析、應力、位移、失穩等；這些功能不僅為三維實體建模提供了便利，更為以后潔具流道的流體分析以及建立衛生陶瓷潔具的模件庫和軟件的二次開發提供了優越的條件。

3坐便器的三維實體建模

SolidWorks是一款功能強大的三維實體建模軟件，可以通過拉伸（Extrude）、旋轉（Revolve）、掃描（Sweep）、放樣（Loft）、切割（Cut）、抽殼（Shell）等三維特征造型功能，并結合曲面創建、剪裁、加厚以及多實體等一系列功能[5～6]建立坐便器的實體。在實體建模的過程中，一般先創建實體的主要形狀和結構，對于細節部分，如一般性圓角、小孔等，可待最后進行修改和創建。

3.1外部形狀的成形

根據坐便器的設計尺寸，繪制草圖，然后利用拉伸、放樣功能，創建外部模型。由于外部形狀一般包含有復雜曲面，為了達到造型的設計要求，在放樣時可通過合適的引導線控制曲面的形成。外部模型的創建過程如圖1所示。

3.2水箱的成形

坐便器有水箱分離式和水箱一體式兩種。在此，以水箱一體式為例進行說明。水箱的結構雖較簡單，但為了外形美觀，其正前面通常設計成中部略為外凸的曲面，因此在建模時就不能使用拉伸特征。比較簡單的方法是建立水箱底面和頂面草圖，在草圖中控制曲面左右方向的外凸量，建立引導線控制曲面上下方向的外凸量，然后放樣形成其特征。至于水箱的壁厚，可以在放樣時使用薄壁特征選項，輸入壁厚一次成形，也可在水箱外形完成后，利用抽殼功能創建水箱的內部結構。至于水箱背面和內部的細部結構，可待以后創建。創建坐便器水箱的模型如圖2所示。

圖2 坐便器水箱的成形

3.3水盆的成形

坐便器的水盆形狀比較復雜，包括上圈、水盆、下坑三部分。它們的形狀不僅與坐便器的外形有關，還直接影響沖洗效果，因此必須嚴格控制實體模型的形成。在此，通過一次拉伸切除和兩次放樣切除，依次形成這三部分，其中水盆部分由于表面面積較大，可采用多個截面草圖和引導線控制其形狀。水盆部分的成形過程如圖3所示。

3.4內部空腔的成形

坐便器的外部形狀基本成形后，就可以利用抽殼特征來形成坐便器下面內部的空腔。抽殼時，可以根據實際情況，設置要去除的面，也可以對不同的面指定不同的抽殼厚度。內部空腔形成后的效果如圖4所示。

圖4 內腔的成形

3.5虹吸管的成形

目前的坐便器產品絕大多數都是虹吸式的。虹吸管的參數設計，對沖水效果起著決定性的作用，影響著排污能力的強弱和耗水量的大小。在當前坐便器沖洗過程的流體力學仿真還沒有完全成熟的情況下，虹吸管的參數還是以衛生陶瓷潔具生產企業多年來在實際生產中摸索確定的參數為準。虹吸管的三維成形可以利用掃描的功能，但是掃描的路徑一定要準確，它影響著虹吸管的空間形狀，也影響著虹吸的效果。虹吸管成形后的效果如圖5所示。

圖5 虹吸管的成形

3.6主入水流道和主要筋板的成形

主入水流道是向上部水圈和下部噴射管輸水的通道?？梢允褂美焯卣鱽硇纬闪鞯?。拉伸草圖可以設計成具有壁厚的截面直接拉伸，也可以只畫出的外部輪廓線，拉伸時利用薄壁特征，指定壁厚。需注意的是，為了使流道沿水流方向傾斜，拉伸方向應該指定一個角度。主入水流道成形后的效果如圖6所示。主入水流道完成后，即可使用拉伸特征進行主要筋板的設計，其效果如圖7所示。

3.7噴射管的成形

虹吸式坐便器有一般虹吸式和噴射虹吸式兩種。噴射虹吸式坐便器的模型設計和成形工藝都較復雜。噴射管（又稱增壓管）內壁的一部分由虹吸管的外表面、筋板表面、水盆和小坑底部表面組成，外部形狀也不規則，因此實體造型也較復雜。單純依靠實體特征對噴射管進行建模比較困難，這時可以結合曲面功能，通過幾個曲面形成噴射管外表面，再利用曲面剪裁工具，將多余的曲面裁減掉，然后將曲面加厚形成實體。噴射管成形后的效果如圖8所示。

圖6 主入水流道的成形

圖7 主要筋板的成形

圖8 噴射管的成形

3.8水圈孔的成形

無論一般虹吸式還是噴射虹吸式坐便器，上圈下部都有一定數量并按一定方向傾斜的出水小孔，其中一般虹吸式坐便器還有若干個直徑較大的直孔。合理配置水圈孔，可以使下水量大，水流能形成強烈的漩渦以沖洗水盆內壁。成形小孔時，可以使用拉伸切除特征，但要控制小孔的傾斜方向，且傾斜方向必須一致（通常按順時針方向）。水圈孔成形后的效果如圖9所示。

圖9 水圈孔的成形（剖視圖）

3.9其它局部細節的成形

當坐便器的主要形狀和結構建模完成后，就可以對局部細節進行完善，如增加底板必要的筋板、倒圓角、開孔等。最終完成的坐便器三維實體模型效果如圖10所示。

4結 束 語

通過上述噴射虹吸式坐便器三維實體建模的基本過程，展示了三維CAD軟件在復雜衛生陶瓷潔具設計中的應用。為了進一步提高建模效率，并且充分發揮工人技師長期積累的實踐經驗，可以將各類潔具產品中尺寸基本不變和變化比較有規律的部分，設計成模件庫，以供設計人員在開發新產品時調用；另外，應用計算機對潔具的水道進行可靠性較高的流體力學仿真，獲得水的流動和污物的運動規律，對沖水性能進行預先評估，將會進一步縮短新產品開發的周期。

隨著以CAD/CAE/CAM/RP等技術為核心的現代設計方法和快速制造技術的不斷成熟和在其它領域的廣泛應用，這些技術必將在衛生陶瓷潔具行業得到推廣應用。采用三維實體設計、利用計算機仿真和使用快速制造技術，將使復雜衛生陶瓷潔具新產品的研發能力增強、開發成本降低、開發周期縮短、產品質量提高、更新換代加快，從而使生產企業在激烈的市場競爭中取得優勢，并推動整個行業的技術創新和飛速發展，使我國從陶瓷生產的大國，真正轉變成陶瓷生產的強國。

參考文獻

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6 SolidWorks公司.SOLIDWORKS高級零件和曲面建模[M].北京：機械工業出版社，2006