论文：基于AutoCAD的包装容器结构三维建模的设计与研究

武汉工业学院

2011届毕业论文

论文题目：基于AutoCAD的包装容器结构

三维造型设计与研究

学生姓名 黄 浩 杰 学生学号 070303125 院（系） 机械工程学院 专业名称 包装工程 071 指导教师 李 学 忠

2011 年 6 月

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目 录

摘要……………………………………………………………………………..…I ABSTRACT……………………………………………………………………… I 第一章 前言……………………………………………………………………....1 一、课题的提出………………………………………………………………1 二、课题的发展现状…………………………………………………………1 三、课题的研究内容…………………………………………………………2 第二章 包装容器结构设计概述…………………………………………………3 一、包装容器结构设计的现状和发展………………………………………3 （一）包装容器要适合商品的使用特点……………………………………3 （二）包装容器的障碍性设计………………………………………………3 （三）包装容器要适应使用环境……………………………………………4 （四）包装容器要符合人机工学……………………………………………4 （五）包装容器的操作使用的暗示与引导…………………………………4 （六）包装容器新的造型时尚潮流…………………………………………4 （七）包装容器高附加值的设计……………………………………………4 （八）包装容器的仿生学设计………………………………………………5 （九）包装容器的传统文化体现……………………………………………5 二、包装容器结构设计原则和设计基本因素………………………………5 （一）内装产品特性……………………………………………….………5 （二）内装产品形态………………………………………………………..6 （三）内装产品的性能和造型结构………………………………………..7 （四）内装产品的用途……………………………………………………..7 （五）产品的运输条件……………………………………………………..7 三、包装容器结构设计与数字化的设计手段……………………………….7

（一）Solid Edge………………………………………………………...7 （二） UG…………………………………………………………………..8 （三）Pro/Engineer ……………………………………………………..9 （四）AutoCAD……………………………………………………………9

第三章 基于AutoCAD的包装容器结构设计…………………………………10 一、圆型纸质包装容器结构与造型分析……………………………………10 二、圆型纸质包装容器的AutoCAD三维建模……………………………..10 （一）“体”结构的三维建模........................................................................11 （二）“盖”结构的三维建模........................................................................14

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三、圆型纸质包装容器的体积计算…………………………………….…...15 四、圆型纸质包装容器的表面着色…………………………………….…...16 五、圆型纸质包装容器的渲染………………………………………………18 （一） 渲染材质简介………………………………………………………..18 （二） 渲染时的材质的使用………………………………………………..19 总结………………………………………………………………………………..24 致谢………………………………………………………………………………..26 参考文献…………………………………………………………………………..27

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摘 要

本论文先阐述了包装容器结构的设计原则和设计基本原理，从多方面了解包装容器结构的设计的依据。根据不同的产品性质选择不同的包装容器和包装材料。结合论文题目为某款茶叶设计合理的包装，依照要求我们选择纸质圆型包装容器。然后以纸质圆型容器为例讨论了它的尺寸设计要求。接着阐述了利用AutoCAD2008的三维造型功能进行容器结构设计的方法。首先介绍了三维造型的基本方法，然后以圆型容器设计为例，讨论了使用三维造型技术获得实体模型的全过程：轮廓生成、体积计算、表面着色、渲染等。AutoCAD制作出来的容器结构效果图清晰明了，可以全方位地了解容器的结构及其各项参数。这样能够给包装容器结构设计人员减轻设计的难度，缩短设计周期和提高设计质量。

[关键词]：包装容器； AutoCAD；三维建模

I

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ABSTRACT

This paper first describes the structure of packaging container design principles and fundamentals in many ways to understand the structure of the design basis containers.Case round containers of paper and then discuss the selection requirements and the size of its design requirements.Described the use of three-dimensional shape functions AutoCAD2008 container structure design methods.First introduces the basic method of three-dimensional modeling, and then round container design, for example, discussed the use of three-dimensional modeling techniques to obtain solid model of the whole process: contour generation, volume, surface shading, rendering.Produced out of the container

structure AutoCAD rendering clarity, you can have full understanding of the structure and the parameters of the container.This can give the designer packaging container structure designed to reduce the difficulty and shorten the design cycle and improve design quality.

[Keywords]: Packaging containers; AutoCAD; Three-dimensional modeling

II

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第一章 前 言

一、 课题的提出[1] [2]

在CAD技术发展的初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，CAD技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。3D建模通俗来讲就是通过三维制作软件通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。用CAD做包装容器结构的三维造型也有很多的好处：符合AutoCAD用户长期以来的使用习惯； AutoCAD对包装容器三维模型对象不具有对象类别的特性，因此，建模过程也不受类别特性的约束，比较自由； AutoCAD有丰富的可定制的视觉样式，可以输出丰富的表现效果；AutoCAD的三维建模和渲染、漫游动画对于包装设计也是绰绰有余；三维建模可以导出工程图，还可以在三维环境观察，更能发现问题；三维装配不仅仅是可以检测误差，在验证装配，设计外观图，模拟仿真等，以及对于修改设计也是十分的方便。因此，对于小规模的装修企业和产品设计工作室来说，基于成本考虑，AutoCAD还是一个不错的选择。而对于许多习惯了用AutoCAD进行三维设计的工程师来说，进一步了解AutoCAD的三维功能也能拓展自己的工作空间，用AutoCAD帮助创建一些不需要参数化的构件也有利于提高工作效率。为了进一步的了解AutoCAD对包装容器的三维建模的操作步骤和意义，于是在此我们提出此课题进行研究。

二、 课题的研究现状及背景[3] [4]

由于实际应用程序很少，因此，人们感觉 AutoCAD的三维性能难学难用。这种说法的主要原因也许是由于AutoCAD早期版本三维能力的局限。最初， AutoCAD系统的输入笨拙、单调乏味，只能生成少数真正的三维实体。甚至构造最简单的三维模型也需要很大的努力。此外，甚至在模型制作完成后输出功能既有局限又简单，以至于用AutoCAD只能做极少数事。

虽然这种说法不再值得一提，但是三维操作时还是有一些问题和局限的。首先，实际上与三维模型的所有交互界面均是通过二维设备。例如，无论使用鼠标还是使用数字化仪作为点输入设备，总是限制在一个二维表面的平面上移动。尽管有某些打算用于实际存在的物理对象的三维数字化仪，但并没有三维空间的点输入设备。另外一个限制是，我们必须使用二维屏幕。但有时，仅仅通过计算机屏幕我们几乎不能感觉到模型的深度，要看清楚哪个对象在前哪个对象在后是比较困难的。

同时，构成三维模型的实体是非常拥挤的。这些实体不仅互相靠得很紧，甚

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至一些实体位于其他实体上面。这又是一个问题，即有时使得选择对象变得困难。使用层来控制是很有用的，这样可以仅仅显示当前需要操作的对象。但是，使用层需要另外的操作步骤，且必须进行系统的、适当的管理。

虽然AutoCAD系统的实体造型功能是很好的，但是与其他几个程序相比要略逊一筹。此外，AutoCAD的实体编辑能力是有限的，也不直观。最后，尽管AutoCAD的渲染器有能力生成三维模型的真实图像，但不具备任何动画功能。三维的局限、有关二维界面与三维模型的关系以及上述的一些问题可能会是最主要的障碍。但是AutoCAD具有构造十分有用和实用三维模型的所有工具，包括几乎任何几何形状的三维模型，它们可以帮助我们建出满意的三维模型。

三、 课题的研究内容

AutoCAD是目前在建筑、机械、室内、家具等领域的设计与图纸的绘制当中被广泛使用的绘图软件，在我国拥有广大的用户，也深受大家的喜爱。而包装容器又被广泛应用于食品、医药、清洁、工业液体的盛装等领域,其外观设计日渐人性化、流线化。采用传统的设计手段,已经很难准确表达其外观和结构。目前,三维设计正被应用在包装容器的外观和结构设计中。为了适应整个社会的发展我们必须要把两者融合起来。故我们熟悉和研究包装容器结构设计原则和AutoCAD三维建模功能，学会分析一个包装容器的结构造型，再以圆型容器设计为例，探讨使用AutoCAD三维造型技术获得实体模型的全过程：轮廓生成、体积计算、表面着色、渲染等。根据容器的结构及各项参数制作出容器结构效果图，提高综合运用所学知识分析问题和解决实际问题的能力。

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第二章 包装容器造型设计概述

一、包装容器结构设计的现状和发展[5] [6] [7] [8] [9]

消费市场竞争日益激烈，现代包装容器的设计不再仅仅是容纳、保护商品的简单作用，更是提升商品活力、建立企业形象以领先市场的重要手段。纵观现代包装容器的造型设计，均有多种品质与价值理念，造型风格丰富多样，不仅要考虑产品内容成分、容量、规格等物理化学因素，还要反映当代社会价值观念与消费者生活形态，以高品质设计提升产品附加值，传达企业文化精神。

包装容器设计是一种立体造型活动，造型的手段是通过工业化的技术加工，技术因素使容器造型获得独特的现代风貌，代表了现代社会的文化精神。包装容器又不同于一般包装设计的平面展开，需要涉及到内容物性质、材料选择、机械性能、人机关系、生产工艺等各种因素，这些都一定程度地限制了设计师的想象力与创造力，不能随意主观的确定包装容器的外观造型。要想克服困难与限制，设计出独特有个性的包装容器形态，一方面需要创造性的思维与高水准的专业素质，另一方面要善于从不同设计基点寻求创意思路，发展概念构想。所以未来包装容器设计的特点和发展方向包括： （一）包装容器要适合商品的使用特点

包装容器要适合商品的使用特点，也就是说包装容器设计的实用性，这是设计时应该首先考虑的。在结构、造型上符合所装内容物的自然属性是实用性的具体表现。例如，由于香水的易挥发性，所以香水瓶的瓶口应该小一些，这样可以使香水味保存得更持久，而且倒出使用时，也容易控制剂量。饮料类包装容器的容积最好根据一般人能一次喝完的基本标准来设计，既不浪费资源，又便于消费者携带[6]。

（二）包装容器的障碍性设计

一般来说，包装容器设计都追求使用上的便利性，但也有特殊情况。由于儿童在认知与行为上的幼稚，往往会在监护人疏忽时，打开药品类、化学类包装容器，并误食产生不良后果。所以在包装容器上有意设计一些操作障碍，具有深刻、积极的社会意义，障碍性容器设计是一种新的针对儿童安全的设计，它依靠智慧而不是力量来开启，从而排除了产品对儿童的潜在危险性。例如，“美林”儿童退烧制剂的“下压后旋转”式的盖封设计，需要在旋转同时向下按压瓶盖才能开启，否则，无论如何旋转也不能打开，这样就可以防止儿童擅自开启发生意外。障碍性容器设计是最高尚的设计，充分体现了设计的人性化意义，表达了对人的终极关怀。

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（三）包装容器要适应使用环境

生活水平的提高与消费意识的觉醒使外出旅游成为时代趋势，因此，包装容器设计还需要考虑具体的使用地点、条件及其与环境的关系，赋予包装容器以不同的特征，使设计进入预定的目标市场。如饮品包装容器能否做到打开后既能饮用（易拉罐是常见的形式），也不另外需要杯子以便于外出使用，包装容器的材料选择能否适应野外恶劣的使用条件与环境。 （四）包装容器要符合人机工学

包装容器直接与人发生作用，其造型设计应该符合人机工学的要求，包括生理、心理及信息感应方面的，设计出具有亲和性、宜人性的容器造型，更好的为人所使用。例如，在瓶盖周边设计一些凸起的点或线条，可以增加摩擦力便于开启，尤其是在手掌出汗湿润时也能比较容易打开。包装容器的尺寸、重量应该符合人生理的一般性要求，如易拉罐的直径尺寸不能太大，容量也要轻重适当，以便于单手握持。

（五）包装容器的操作使用的暗示与引导

好的包装容器除了实现基本功能外，还应有明确的指示功能设计，不同包装容器造型应该有明确的差异性，如用手“捏”与用手“抓”的造型是不能混淆的。通过结构、造型、色彩及肌理的变化与对比，形成视觉语言的暗示与引导，必要时也可以设计一些附件，以自身形式语言十分清楚地传递出包装容器的操作方式。例如洗手液容器的出口设计，应该使人在第一次使用时，就能判断出如何操作，是按还是旋转，都应该以明确的形态语意给予暗示与引导。 （六）包装容器新的造型时尚潮流

社会文化的不断发展与设计艺术的潮流变迁，人们对包装容器外观设计有了新的要求，包装容器设计的审美情趣与精神内涵日益显得重要。设计师必须具备一种艺术审美的感悟力以及对设计灵感的判断力，才能在规格、造型、材质及细部造型等方面以独特的创意设计获得高格调的视觉效果，才能以敏锐的眼光把握新的时尚潮流主导市场[7]。 （七）包装容器高附加值的设计

对于包装容器设计要崇尚顾客至上，以优良出色的设计提高产品的消费档次，增加产品的附加值。使人们从包装容器的高品位设计和造型风格上获得与众不同的“身份“感是高附加值设计的真谛。要提高商品的附加值，就要以独到的设

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计创意领先于同类产品，以特定的产品视觉形态表现内在机能品质与人的个性价值诉求的高度和谐，才能在激烈的市场竞争中占有优势并获取高额利润。 （八）包装容器的仿生学设计

在自然力量的支配下，生物世界充满神秘的多样性与复杂性，成为造型的楷模，仿生设计的灵感就是源于自然，但应该超越自然，不能简单模仿自然物的外形。设计师以自然形态为基本元素，通过提炼、抽象、夸张等艺术手法的表现，把握自然物的内在活力与本质，传达其内在结构蕴涵的生命力量，使包装容器设计既具有质朴纯真的视觉效应，又蕴涵丰富的艺术精神与价值内涵。 （九）包装容器的传统文化体现

当今世界是一个东西文化相互冲突、相互交融的时代，西方文化的强势造成了全球范围的国际主义设计风格。但许多有识之士清醒地认识到，民族传统文化是一切艺术的沃土，在包装容器设计中体现民族文化的精神实质，展现鲜明的地域审美文化与风格特征，具有重要的现实意义。在强调传统文化的同时，切勿走入教条僵化的民族情结中，民族化决不是复古主义，我们要走出“越是民族的，就越是国际的”认识误区。

因此，在设计实践中，不能仅仅拷贝一些民族的图案就认为是民族化设计，使设计流于肤浅，而应该在设计中融入民族文化的精神实质，如自然和谐的造物原则、中轴平衡的布局式样等，或者对传统文化符号以打散、重组、拼贴等现代设计手法重新演绎，使民族传统文化在新的时代获得新的认同，焕发出更加迷人的风采。无论以何种基点展开设计，包装容器设计的价值与意义都首先体现在人与物的关系上，都是从不同认知层面体现对人的关爱。只有深入地研究各种类型的人的生活方式与价值观念，才能在多种基点上拓展设计的概念与构想，创造出亲切宜人的包装容器造型，以创新设计满足消费者的多样化、个性化需求，开创包装容器造型的新风格。

二、包装容器结构设计原则和设计依据[10] [11]

在进行包装容器结构设计时，我们首先要考虑到包装结构形式千变万化，我们怎么样才能选取正确的包装容器结构呢？首先我们得分析我们所包装的产品的用途，是更注重于哪些方面的因素。我们要抓住重点再进行我们的包装容器设计，设计时可以根据不同的需求，再选用适当的包装容器形式进行包装容器设计，从而达到包装所需要的目的。下面我们就列出几种我们在进行包装容器时所需要考虑的因素。

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（一）内装产品特性（性质）

内装产品也就是我们通常所说的商品。

1、 化学性质。它指内装产品在外界因素（环境）的影响和作用下（如光、热、氧、酸、碱、盐、温度、水分等）改变其本质或相关性质的化学变化及其表现。如易燃性、腐蚀性、毒性、霉变性、爆炸性、氧化性等。

2、 物理性质。它指内装产品在一般环境中表现出来的形态、结构、重量、密度、光泽、颜色、弹性、塑性、荷重、应力、强度、厚度、熔点、沸点等特性，或是在湿、热、光、电、温度、压力等外界因素作用下，发生不改变商品本质的相关性质。

3、 机械性质。它指内装产品在外力作用下表现出来的一些物理性质。如弹性与塑性、负荷与应力、强度、韧性和脆性等。

4、 生物性质。它指内装产品是有生命活动的有机体商品，如粮食、果蔬、鲜鱼、鲜肉、鲜蛋等，在存储过程中受到外界环境的影响而发生一系列的生理变化，这些变化主要表现为呼吸作用，萌芽抽苔（发芽）、僵直、软化、胚胎发育、色素变化等。

在包装容器结构设计时首先就应考虑上诉特性。根据所包装的产品所具有的特性，抓住其不同性质选择最佳的结构。 （二）内装产品形态

它指产品在一般环境条件下表现出来的外形结构，常见的有固体、液体和气体。而固体又分为成型的、颗粒的和粉状的等，产品形态见表1—1。

表1—1 产品形态

产 品 形 态 固 体 成 型 单件 包装容器结构要求：容器结构与产品形状相适应 多件 包装容器结构要求：容器结构多样，刚度与强度 颗粒 包装容器结构要求：多种结构与密封性或透气性 粉状 包装容器结构要求：多种结构与密封性 液体 包装容器结构要求：多种造型结构与密封性 气体 包装容器结构要求：多为圆柱结构、防渗密封、强度与刚度 对于不同形态的产品都有相应的容器结构，另外有些无规则结构的产品，其包装容器设计时根据所占体积和平面而重新造型。如衬衫的包装，应能体现领口部位的平面展示，所用包装多为长方体扁平状立体盒。有些产品的包装中游固定产品位置的要求，而有些则不作要求，例如对液体、气体、或无规则形态的颗粒

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状物品，在包装时是无位置要求的，而是在封口结构上有严格要求；对于多件或单件成型产品的包装，其结构要与产品形状及装入存放方位想适应。对于有规则形态的日用品的包装则要分固定位置和非固定两种方式，非固定比固定式所需的容器结构强度需要更大一些。 （三） 内装产品的性能和造型结构

内装产品的性能指内装产品功能性特征，而内装产品造型结构指其本身所具有的或内包装所具有的形状结构，例如某些电子仪表仪器，其性质要求有很多不能倒置或斜放（倾斜角度有限制），如冰箱、瓶装酒类及饮料等在包装中均不能倒置。再入灯泡等则要求其包装容器应为椎体或立柱桩，还有热水瓶这样的产品，包装容器均为立柱题且要求有防震功能。

根据产品性能和产品结构形状设计包装容器时，同时还应注意包装空间利用率和稳定性，所以一般容器的横截面多为方形或圆形，同时立柱盒下部均大于上部而且底部均为平面。 （四） 内装产品的用途

根据产品的用途不同，包装容器的结构也不同，对于礼品包装就需要高雅大方，携带方便的同时还能使提手折叠，所以礼品包装多为具有黄金分割比例结构的手提折叠式。而对于家庭或自己消费品的食品包装则应该注重简单实用与开启方便。再就是产品属于耐用品还是属于一次性用的，前者要求其包装具有更高的强度，坚固易开、易封，一次性用品则要求简单、价低。同时，对包装造型结构还要根据使用群体的消费心理进行设计，如年龄、性别、职业、民族等。 （五） 产品的运输条件

产品的运输条件主要指运输距离和运输工具，如长途、短途，水运、陆运、空运等。现代运输业的发展，促使各种运输工具现代化和运输装备标准化。如国际上通用的集装箱，这就使得设计的包装容器要与各类集装箱个规格、容腔和式样相匹配。所以包装容器结构造型更需规格化、标准化、还应考虑销售包装在大包装中的排列方式、尽可能的利用其空间容积，以减少空隙和提高运输中的稳定性（不晃动）。

三、包装容器结构设计与数字化的设计手段[12] [13] [14]

随着社会的发展，在三维建模领域已经有许多的建模软件适用于各个工作场所。下面简单的介绍几种三维建模软件，通过这些软件可以简单同AutoCAD三维建模相比较。与此同时，就更能看出研究这个课题的意义所在。

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（一）Solid Edge

Solid Edge是Siemens PLM Software公司旗下的三维CAD软件，将普及型

CAD系统与世界上最具领先地位的实体造型引擎结合在一起,是基于Windows平台、功能强大且易用的三维CAD软件。它支持至顶向下和至底向上的设计思想，其建模核心、钣金设计、大装配设计、生产出图、价值链协同、内嵌的有限元分析和产品数据管理等功能遥遥领先于同类软件，是企业核心设计人员的最佳选择，已经成功应用于机械、电子、航空、汽车、模具、造船、消费品等行业的大量客户。同时系统还提供了从二维视图到三维实体的转换工具，您无需摒弃多年来二维制图的成果，借助Solid Edge就能迅速跃升到三维设计，这种质的飞跃让您体验到三维设计的巨大优越性。使用Solid Edge，您不仅能建立产品的三维模型，而且还能获得完成精确设计的知识。工程助手能帮助您快速评估各种设计方案，从而优化机器性能和可靠性；企业知识库能将所有经过验证的设计经验进行数字化保留，并快速应用到新产品中去；质量特性计算、设计参数监视器、运动分析、干涉检查和其他多种内置工具，帮助您捕捉和实现您的设计理念。 （二） UG

UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计

算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。UG的开发始于1990年7月，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域(自然科学或工程)、数学(分析和数值数学)及计算机科学的知识。然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件的实现变得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密（adaptivemeshrefinement）和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究，同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能。UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。

[12]

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（三）Pro/Engineer

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。Pro/E的总体目标是使曲面、实体、参数化特征设计融为一体，可以任意构造复杂零件和装配件，而且修改设计方便。它的发展过程并非一帆风顺，最大难点在于集合运算中的曲面求交、裁剪运算和参数化草图设计中的几何约束求解不能迅速达到可靠、高效，这就要求数学家深入钻研，努力突破某些技术关键。

（四）AutoCAD

AutoCAD的三维造型有3种层次的建立方法，即线框、曲面和实体，分别对应于用一维的线、二维的面和三维的体来构造形体。通过其建立的立体的、有光的、有色的生动画面，虚拟逼真地表达大脑中的三维设计效果，比传统的二维设计更符合人的思维习惯与视觉习惯。在进行三维造型时首先要对设计对象进行合理分解，根据其主要结构特征确定合理的建模顺序[13]。在造型时根据设计对象的主要结构建立特征模型,通过拉伸、旋转等建立一个合理的基体，再利用“并、交、差集”功能，在实体之间合并、挖除、相交成型,最后将不需要的实体部分进行剪切去除，以获得实体的外观形状。建模后就可以利用AutoCAD自带的计算和查询功能对设计对象的各类参数进行统计和保存。最后通过赋予材质、贴图、渲染等步骤完成三维造型的设计。

综上四种三维建模方法都各有各的优点，都有自己强势的地方，适用于不同的领域。针对本课题关于包装容器造型三维建模，相对于其他复杂的三维建模比如说机械零件、建筑建模、模具建模等相比之下是算简单的建模。无论从建模、着色、渲染等方面考虑我觉得CAD更适合做包装容器造型的三维建模。

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第三章 基于AutoCAD的圆型纸质包装容器结构设计

一、圆型纸质包装容器材料与造型分析[15]

本文以某茶叶筒的纸筒包装为例，探讨利用AutoCAD三维造型功能在包装容器结构设计中的应用并加以详细说明。该品牌茶叶的外部包装选用了纸作为包装材料。纸包装材料具有重量轻、价格低的优点，可以大大降低生产成本和运输成本；其保护性能优异，防水、防潮、隔热的特点非常适合消费者的储存需要；同时还具备无毒无害无臭的特征，符合公众饮食安全的标准。日常生活中常见的茶叶筒由多层纸板复合，并采用螺旋缠卷工艺制造而成的全纸筒，这种包装不仅环保、轻量、安全，还具有古朴的气质，符合茶叶产品的特征。

这款茶叶的包装容器的主要结构可以分为“体”和“盖”两部分，外形为圆柱体，中空以便盛装产品。盖子可以完美嵌合在容器主体之上，装入产品之后可以采用胶带进一步密封。包装容器的总体壁厚为5mm；在结合部位因考虑到自锁性所以选取为6mm（“体”结构和“盖”结构各3mm）；包装容器“体”结构的整体高位100mm（结合部位高为25mm）；“盖”结构的高为30mm（结合部位高为25mm）；上端面和下端面的厚度各为5mm；整个包装容器的所能盛装的容积为0.76L。

二、圆型纸质包装容器的AutoCAD三维建模[2] [3] [16]

我们已经对整个包装容器进行分析，分析以后发现我们需要先对容器进行分步骤进行三维建模：分为“体”结构和“盖”结构。三维建模完成以后进行他们的体积计算。再对所建成的模型进行简单的着色和渲染工作，这样一个简单的包装容器就算完成了。 （一）“体”结构的三维建模

轮廓生成首先利用画圆命令C, 画三个直径分别为100、96和90的圆。 命令：C

指定圆的半径或[直径（D）] ：100 命令：C

指定圆的半径或[直径（D）] ：96 命令：C

指定圆的半径或[直径（D）] ：90

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图形1 “体”结构中各圆直径

再使用拉伸命令“ext”拉伸高度分别为100、25和120； 命令：EXTRDUDE 当前线框密度： ISOLINES=4 选择要拉伸的对象：找到 1 个

指定拉伸的高度或 [方向(D)/路径(P)/倾斜角(T)] ：100 命令：EXTRDUDE 当前线框密度： ISOLINES=4 选择要拉伸的对象: 找到 1 个

指定拉伸的高度或 [方向(D)/路径(P)/倾斜角(T)] ： 25 命令：EXTRDUDE 当前线框密度： ISOLINES=4 选择要拉伸的对象: 找到 1 个

指定拉伸的高度或 [方向(D)/路径(P)/倾斜角(T)] ： 120

但现在处于平面上的视图并不能看出效果，所以我们还得再执行vpoint命令。 命令：vpoint

目前的视景方向：VIEWDIR=0.000，0.000,1.000

请指定检视点或[旋转（R）]<显示罗盘和三向轴>：1，-1,1 正在生成模板

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图形2 各圆拉伸效果图

上面所示立体图会让您误认为一个空心的立体带状物，因此，再执行HIDE命令做隐线消除，就可以了解EXTRUDE所造成的是一块立体块状物。 命令：HIDE

图形3 各拉伸的隐线消除效果图

现在我们要使用MOVE命令，选中圆柱体2，将其移动至下表面圆心与圆柱体1的上表面圆心重合处，输入union命令，选择圆柱体1和2取它们的并集。 命令： MOVE

选择对象：找到 1 个（2号圆柱）

指定基点或 [位移(D)] <位移>： 指定第二个点或 <使用第一个点作为位移>： 命令：union

选择对象： 指定对角点： 找到 2 个（1号和2号圆柱）

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图形4 移动命令后的效果图

同样输入move命令将其移动至圆柱体1和2的并集的中间,使它们上表面的圆心重合。输入SUBTRACT命令，先选择被剪切对象，即圆柱体1和2的并集，再选择要剪切掉的对象，即圆柱体3，取差集。这样操作完毕之后纸筒的“体”结构就见雏形了。 命令： MOVE

选择对象： 找到 1 个（3号圆柱）

指定基点或 [位移(D)] <位移>： 指定第二个点或 <使用第一个点作为位移>： 命令：SUBTRACT

SUBTRACT 选择要从中减去的实体或面域... 选择对象： 找到 1 个（1号和2号圆柱的并集） 选择要减去的实体或面域 .. 选择对象： 找到 1 个（3号圆柱） 命令： HIDE 正在重生成模型。

图形5 求差集后“体”的三维效果图

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（二）“盖”结构的三维建模

在构造“盖子”的结构图形时,使用了同样的方法。首先使用画圆和拉伸命令构造直径和高度分别为100和30的圆柱体4以及直径和高度分别为96和25的圆柱体5。然后输入MOVE命令,选择圆柱体5，将其移动至与圆柱体4的下表面圆心重合。最后输入命令SUBTRACT,先选择被剪切对象，即圆柱体4，再选择要剪切掉的对象，即圆柱体5，像这样取差集就得到了纸筒盖子的结构图，其过程见图所示。

图形6 “盖”结构中各圆的直径

图形7 各圆拉伸效果图

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图形8 隐线消除效果图

图形9 移动命令后求差“盖”立体效果图

三、圆型纸质包装容器的体积计算[3]

在对容器各项数据查询和计算时，只需要在命令行输入MASSPROP命令点回车,选中所要查看的实体,就会弹出一个文本文件,上面有所有信息。当然也可以使用测量工具对想要知道的量分别进行测量。通过MASSPROP命令查询到的该容器的各项参数如下:

---------------- 实体 ----------------

质量： 257610.5976 体积： 257610.5976

边界框： X： 1432.7826 -- 1564.6111 Y： 2790.3883 -- 3003.5897 Z：0.0000 -- 212.6262 质心： X： 1489.5365 Y：2864.4091

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Z：82.5329 惯性矩： X： 2.1176E+12 Y： 5.7496E+11 Z： 2.6863E+12 惯性积： XY： 1.0993E+12 YZ： 61664601602.5218 ZX： 31884195679.6685 旋转半径： X： 2867.0509 Y：1493.9503 Z： 3229.2141 主力矩与质心的 X-Y-Z 方向：

I：2189411335.0067 沿 [0.9627 -0.2707 0.0000] J： 2177123732.9635 沿 [0.2181 0.7755 -0.5925] K： 515610015.0566 沿 [0.1604 0.5703 0.8056]

除了用这个办法可以得到我们想要得到的结果以外，我们还可以通过工具?查询?面域/质量特性，选取我们所要查询的对象，也能得到我们想要的结果。

四、圆型纸质包装容器的表面着色[16] [17]

着色是一种比较简单的三维效果处理方法，主要作用是为三维模型表面添加简单的颜色和光景效果。启动命令后，AutoCAD提供了7种基本的着色形式。 （一）二维线框（2D Wireframe）

用二维线框图表现三维模型，不进行任何着色。在二维线框图中，UCS图标以二维形式显示，光栅图像内容、OLE对象、线型和线宽是可见的。 （二）三维线框（3D Wireframe）

用三维线框图表现三维模型，也不进行任何着色。在三维线框图中，UCS图标以三维形式显示，光栅图像内容、OLE对象、线型及线宽均不可见。 （三）消隐（Hidden）

对三维模型进行消隐显示。消隐的效果图不能输出和保存。对视图进行缩放、变换视角等重生成操作时，消隐效果图消失。 （四）平面着色（Flat Shaded）

仅对构成模型表面的多边形平面进行着色，而不会对多边形边界进行光滑处理，和体着色相比，经平面着色的模型表面显得比较粗糙。

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（五）体着色（Gouraud Shaded）

使用体着色方式不仅可以对模型表面的多边形平面着色，还可以对多边形平面的边界进行光滑处理。经体着色的模型表面显得平滑和细腻。 （六）带边框的平面着色（Flat Shaded,Edges On）

这种方式是平面着色和三维线框两种方式的结合使用，不仅对模型表面进行平面着色，而且突出显示平面多边形的边界。 （七）带边框的体着色（Gouraud Shaded,Edges On）

这种方式是体着色和三维线框两种方式的结合使用，不仅对模型表面进行体着色，而且突出显示平面多边形的边界。

为了体现更好的三维效果我们采用着色方式为——体着色。着色效果图如下图所示：

图形10 “体”结构的表面着色效果图

图形11 “盖”结构的表面着色效果图

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图形12 “体”和“盖” 带边框的平面着色效果图

五、 圆型纸质包装容器的渲染[2] [3] [15] [17]

虽然模型的消隐视图和着色视图可以比较直观、形象的表现模型的整体效果，但其真实感还不能令人满意。为此在AutoCAD中还可以使用渲染命令来为模型创建具有最终演示质量的渲染图。在使用渲染命令前，可以在三维空间中添加和调整各种光源，并为模型对象赋予各种材质属性，从而可以用渲染命令将模型渲染为具有真实感的图像。 （一）渲染材质的简介

任何对象都是由一些材料构成的，为了得到对象的实际渲染图像，需要为对象的表面分配材质。材质可以看成是材料和质感的结合。材质的制作是一个相对比较复杂的过程。在渲染过程中，它是表面各可视属性的结合，这些可视属性是指表面的色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等。正是有了这些属性，才能够识别三维中的模型是什么做成的，也正是有了这些属性，电脑三维的虚拟世界才会和真实世界一样缤纷多彩。在AutoCAD中可以将材质添加到图形中的对象上，以提供真实的效果。“工具”选项板窗口中的“材质”工具选项板提供了已为用户创建的大量材质，使用这些材质工具可以将材质应用到场景中的对象上，同时在AutoCAD中可以使用贴图以增加材质的复杂性和纹理的真实性。例如，通过使用噪波贴图复制一条用沥青铺设的道路，然后将其应用到场景中表示道路的对象上，使用瓦贴复制砖和砂浆的图案。

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（二）渲染时的材质的使用

在AutoCAD2008中，系统提供了大量的参数和选项。材质由许多特性来定义。可用选项取决于选定的材质类型。用户可以在“材质”窗口中创建新材质。执行“工具”?“选项板”?“材质”命令，可以激活“材质”窗口。如图所示，点击“图形中可用的材质”面板下的“创建新材质”按钮，将创建新材质。

图形13 “材质”窗口

新图形中始终有一个材质可用，即GLOBAL；默认情况下，该材质使用“真实”样板。默认情况下，材质应用于所有对象，直到在对象上更改了材质。可以使用此材质作为创建新材质的基础。根据所使用材质类型，用户也可使用以下一

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个或多个特性优化材质。“材质”窗口的说明如下：

1、 颜色：对象上材质的颜色在该对象的不同区域各不相同。例如，如果观察红色球体，它并不显现出统一的红色。远离光源的面显现出的红色比正对光源的面显现出的红色暗，反射高光区域显示最浅的红色。事实上，如果红色球体非常有光泽，其高亮区域可能显现出白色。

2、 反光度：反光度在这个地方表示材质的表面粗糙度，材质的反射质量定义了反光度或粗糙度。若要模拟有光泽的曲面，材质应具有较小的高亮区域，并且其镜面颜色较浅，甚至可能是白色。较粗糙的材质具有较大的高亮区域，并且高亮区域的颜色更接近材质的主色。

3、 不透明度：完全不透明的对象不允许光源穿过其表面，不具有不透明度的对象是透明的。

4、 反射：反射滑块控制材质的反射程度，设置为100时材质将完全反射，并且周围环境将反映在应用了此材质的任何对象的表面中。

5、 折射：在半透明材质中，光线通过材质时被弯曲，因此通过材质将看到对象被扭曲。

6、半透明度：半透明对象可以传递光线，但也会散射对象内的某些光线，例如磨砂玻璃。半透明值为百分比为0.0时，材质不透明；为100.0时，材质完全透明。

7、自发光：对象看起来正在自发光。例如，若要在不使用光源的情况下模拟霓虹灯，可以将自发光值设定为大于零。

8、亮度：亮度是材质模拟被光度控制光源照亮的效果。在光度单位中，发射光线的多少是选定的值。

9、双面材质：“双面材质”将材质的特性设置为双面。如果要在场景中渲染织物的两面，请设置此特性。

“体”结构和“盖”结构参照图形上的数据，通过“视图”?“渲染” ?“渲染材质”和“渲染环境”进行设定就可以对选定的图形进行渲染，具体方法参照下图进行操作。

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图形14 “ 材质”工具途径 图形15 渲染时漫射贴图比例窗口

图形16 “渲染环境”窗口及参数设置

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图形17 渲染材质的各项参数

在渲染“体”结构时，在“视图”工具下的“渲染”菜单下的“材质”进行设置，其各项参数如图所示：类型为“真实”样板设置为“纸质”。其他的参数比如反光度为0；不透明度为100；折射率为1；半透明度为0；然后选取“漫射贴图”再选取自己所需要贴在容器上的图片，再进行平铺比例，按照自己要求进行调整到合适就可以了。最后进行渲染环境的设置把“启用雾化”和“雾化背景”设置为开启，选择自己需要的背景颜色，再把“近距离”和“近处雾化百分比”设置为0，“远距离”和“远处雾化百分比”设置为100。设置好以后就可以通过“视图”?“渲染”菜单下的“渲染”进行渲染，其渲染效果图如下图所示：

图形18 “盖”结构渲染效果图

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图形19 “体”结构渲染效果图

图形20 整体渲染效果图

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总 结

这段时间是我大学生涯的最后一段时间，整个毕业论文的制作，让我感觉到了前所未有的紧张和压力，回想一下，四年来这是让我印象最深的一件事情了，

同时通过毕业论文的制作，也让我更清醒的认识到了真才实学的重要性，只有真正的掌握了理论和实际操作能力，才能挑战人生的砝码。这段时间里，我也更加认识到了理论和实践相结合的重要性，实践需要理论来做基础，理论更需要实践来实现其价值。书本上的理论知识通过这次毕业论文得到了更好的实践。只有将理论付诸于实践才能实现理论自身的价值，也只有将理论付诸于实践才能使理论得以校验。

通过学习、实践和老师的指导、同学的帮助我以能清晰明了的熟悉操作步骤和典型的应用实例，同时也让我的动手能力和思维方面都有了很大一步的提高，更深入了解了A utoCAD软件的应用方法和技巧，同时对图形的认识分析以及绘制流程的应用更加熟悉，还在论文制作方法和技巧都有了进一步的提高。下面我讲一下我在做毕业论文所学到的在AutoCAD中提高建模速度的经验吧！为了提高作图速度，我们最好遵循如下的作图原则： 1、作图步骤：设置图幅→设置单位及精度→建立若干图层→设置对象样式→开始绘图；2、绘图始终使用1：1比例。为改变图样的大小，可在打印时于图纸空间内设置不同的打印比例；3、为不同类型的图元对象设置不同的图层、颜色及线宽，而图元对象的颜色、线型及线宽都应由图层控制（BYLAYER）；4、需精确绘图时，可使用栅格捕捉功能，并将栅格捕捉间距设为适当的数值；5、不要将图框和图形绘在同一幅图中，应在布局（LAYOUT）中将图框按块插入，然后打印出图；6、对于有名对象，如视图、图层、图块、线型、文字样式、打印样式等，命名时不仅要简明，而且要遵循一定的规律，以便于查找和使用；7、将一些常用设置，如图层、标注样式、文字样式、栅格捕捉等内容设置在一图形模板文件中（即另存为*.DWF文件），以后绘制新图时，可在创建新图形向导中单击\使用模板\来打开它，并开始绘图。 另外在作图时选用合适的命令 ，我们能够驾驭AutoCAD，是通过向它发出一系列的命令实现的。AutoCAD接到命令后，会立即执行该命令并完成其相应的功能。在具体操作过程中，尽管可有多种途径能够达到同样的目的，但如果命令选用得当，则会明显减少操作步骤，提高绘图效率。

毕业论文的制作让我学到了很多的东西，同时也发现了自己的许多的不足之处。当看到图形后按照自己分析的思路进行绘制时，总会出现这样或那样的问题，比如有的时候差集或并集后得不出想要的效果，还有对有些工具的应用还不太熟练，对有些概念还不太清楚，后来总结到原因还是对所学知识运用不太熟悉，知识量太少，后来在老师和同学和自己的摸索专研把遇到的问题都解决了。当前的

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软件功能日趋复杂，不学到一定的深度和广度是难以在实际应用中应付自如的。因此我会在以后的学习和工作中更加刻苦专研，不断开拓视野，增强自己的实际操作能力，为以后能做出更好的成绩而不断地 努力。展现在自己面前的是一片任自己驰骋的沃土，也分明感到了沉甸甸的责任。在今后的工作和学习中，我将努力学习，深入实践，不断的提升自我。

由于制作人水平有限，论文中难免有不足之处，恳请各位老师和同学给予指正，本人将不胜感激。

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谢 辞

首先非常感谢李学忠老师能在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，李老师都给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！

通过这一阶段的努力，我的毕业论文《基于AutoCAD的包装容器结构三维造型设计与研究》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

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参考文献

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