cad-应用技术基础-第1章-CAD技术基础知识

5/20/2020CAD技术基础知识第1章CAD技术的基本概念1.11.1计算机辅助设计(CAD)的概念计算机辅助设计是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术，它包括设计、绘图、工程分析和文档制作等设计活动。它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用的新技术。CAD是工程技术人员利用计算机及其图形设备，应用多学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理技术。它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机地结合起来，从而达到缩短产品设计周期、提高设计质量的目的。CAD概念的实质在于：（1）人机各尽所长；（2）人机交互结合；（3）最佳设计效率。CAD技术的主要作用如下:（1）提高设计质量和设计效率；（2）能够充分发挥设计人员创造性；（3）缩短产品的设计周期。CAD过程：任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设计活动组成；活动间既有串行的设计活动，也有并行的设计活动；设计过程中的大多数活动可以用CAD实现，但并不绝对；将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程。设计需求分析可行性研究与分析设计结果设计评价设计优化设计分析设计建模与仿真概念设计市场信息设计过程CAD过程制造1.1.2CAD技术的重要应用CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一。CAD技术曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工行业，无论是机械、电子、轻纺行业还是文体、影视广告行业等都离不开CAD技术。CAD技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。在制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机械设计CAD等。仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界”、“玩具总动员”、“侏罗记公园”等。在轻工行业中的应用：如模具CAD和服装CAD等。在医学中的应用：计算机辅助手术规划和手术模拟。在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。近十多年来，在CIMS工程和CAD应用工程的推动下，我国CAD技术应用越来越普遍，越来越多的设计单位和企业采用这一技术来提高设计效率、产品质量和改善劳动条件。目前，我国从国外引进的CAD软件有好几十种，国内的一些科研机构、高校和软件公司也都立足于国内，开发出了自己的CAD软件，并投放市场，我国的CAD技术应用呈现出一片欣欣向荣的景象。CAD技术的发展与现状1.2早期研究第一代CAD第二代CAD第三代CAD普遍应用20世纪50年代20世纪60年代20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代及以后1.2.1CAD技术发展历程CAD技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、软件技术的发展而发展。（1）准备和诞生时期（20世纪50~60年代）电子管计算机。1950年，MIT能够显示简单图形的图形显示器。1958年，Calcomp滚筒式绘图机。20世纪50年代末，SAGE战术防空系统。（2）蓬勃发展和进入应用的时期（20世纪60年代）1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式图形系统。计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。计算机图形学的发展，如Coons曲面。（3）广泛应用时期（20世纪70年代）集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。出现了以小型计算机为平台的CAD系统。图形设备相继推出并完善。图形软件和CAD应用支撑软件不断得到充实与提高。（4）飞速发展时期（20世纪80年代）出现了大规模与超大规模集成电路，使微机进入市场。推出了以UNIX系统支撑的SUN工作站。图形软件更加成熟。（5）日趋成熟的时期（20世纪90年代）出现了基于PC平台的价廉物美的CAD系统。CAD系统的标准化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系统。集成化。科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造。1.2.2发展趋势微机化、集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、标准化。集成化数字化建模产品数据交换产品数据管理继续改进和开发CAX及DFx网络化因特网的协同设计环境CAD应用服务智能化标准化CAD相关技术1.3主要包括交互技术、图形变换技术、线框模型、曲面造型和实体造型技术、特征建模技术、参数化与变量化建模技术等。交互技术交互式CAD系统，指用户在使用计算机系统进行设计时，人和机器可以及时地交换信息。采用交互式系统，人们可以边构思、边打样、边修改，随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果，非常直观。图形交换技术图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来；对图形作平移、旋转、缩放、透视变换；通过矩阵运算来实现图形变换。线框模型技术这是在20世纪60年代发展的造型技术，起初用于二维CAD模型的建立，用户逐点、逐线地构建模型，其目的是使用计算机代替人工绘图。发展到三维造型时，线框模型利用线框和多边形构造三维形体。由于线框模型的重叠特性，需要经过人脑的转换才能呈现所表达的三维模型，并且线框模型难以表达曲面造型，因此在20世纪70年代逐渐向曲面造型和实体造型发展。曲面造型技术曲面造型是指在产品设计中对于曲面形状产品外观的一种建模方法。曲面造型方法使用三维CAD软件的曲面指令功能构建产品的外观形状曲面并得到实体化模型。曲面造型主要用于研究曲线和曲面表示、曲面求交及显示等问题。常用的曲面造型的表示方式有Coons曲面、Bezier曲面、B样条曲面以及非均匀有理B样条曲面（Non-uniformrationalB-spline，NURBS）。曲面造型系统已广泛应用于汽车、飞机和船舶等产品的设计当中。实体造型技术实体造型主要研究如何通过简单体素或特征的拼合构造复杂形体，通过此方式形成的模型称为实体模型。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内，由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。将线框模型、曲面模型和实体模型进行统一并融合的典型三维建模内核包括Parasolid和ACIS。这两种建模内核是当今的主流CAD（SolidWorks、UG、CATIA、AutoCAD等）、CAE（Abaqus、ANSYSIcem-CFD等）和CAM（CimatronE、MasterCAM、OneCNC等）软件系统的几何建模内核。特征建模技术按照特征建模的分类，零部件的特征类型可分为形状特征、装配特征、精度特征、性能特征和补充特征等。使用特征建模，可从构形角度出发，选用对设计制造有意义的特征形体（如槽、凹腔、凸台、空、壳、壁等特征）作为基本单元，从而拼合成零件。另一方面，在特征建模中，除了几何、拓扑信息，其中包含了大量下游活动（计算机辅助工艺过程设计、数控编程等）所需的信息，并且形成了复合STEP标准的产品信息模型，从而为CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，计算机集成制造系统）及CE（ConcurrentEngineering，并行工程）环境下的CAx和DFx等集成打下良好的基础。参数化与变量化建模技术为了实现模型中各个元素间尺寸驱动的功能，并建立几何模型与工程计算间的联系，参数化和变量化技术采用约束表达产品的几何模型，用一组尺寸参数及工程设计参数来定义和控制几何模型。由此形成了使用参数值来驱动形状的能力，并可方便地修改设计形状或进行形状相似产品的系列化设计。另外，参数化与变量化的建模技术可以实现产品设计过程中方案设计、结构设计、工程绘图、装配设计、工程分析和运动仿真等各个环节间的数据共享和驱动。参数化建模主要通过对结构约束、尺寸约束、参数约束这三类约束进行驱动来快速构建和修改模型，而变量化建模除包含这些约束外，还包括面积、体积、强度、刚度、运动学、动力学等工程约束的限制条件和计算方程。CAD技术的应用1.4CAD技术已广泛应用于工业制造、工程建设、电子电路、仿真模拟、广告设计、轻工棉纺、服装设计、平面设计等领域，特别在科研部门，从人体工学直至分子键构型均采用CAD技术实现智能化、可视化的分析。机械领域地图领域室内设计领域电子工程领域建筑设计领域本章小结1.5本章介绍了CAD技术的基本知识及CAD的发展，使读者能够对CAD有一个感性的认识。