现代设计方法自考(笔记).doc

绪论 1、工程设计的发展经历了在直觉设计、经验设计、中间实验辅助设计和现代设计四个阶段。 2、现代设计方法与传统设计方法相比实现了如下几方面的转变： 从定性分析向定量分析、从静态分析向动态分析、从零部件计算向整机计算、从手工设计计算向自动化设计计算及由安全设计向优化设计等。 3、动态性能包括： 固有特性，即各阶固有频率、模态振型和阻尼特性等 系统在外部激振力作用下的响应，即动态应力和动态位移等 系统在工作状态下产生自激振动的可能性等。 4、对整台机器的分析计算工作由于两个原因迟迟未能进行： 在整机结 构复杂，需要完成巨大的计算工作量； 对零件的连续部分（称为结合部）的特性缺乏研究。 5、按零件简结合部的连接方式来分，可分为固定连接和滑动连接。 6、现代化 CAD 工作站所完成的任务包括：利用计算中的专家系统协助确定技术参数和总体方案；绘制总图和零件图；使用有限元对其动、静态性能进行分析计算；通过优化设计不断地进行修改，以获得最优设计方案；在屏幕上显示设计结果，还可以图样和数据的形式输出。 7、常用建立数学模型的方法，除有限元外，还有键图法、边界元法和控制工程。 8、键图法是一种为系统建造数学模型的方法。 9、模型试验设计的过程包括：根据相似理论，设计制造出实物的相似模型；根据设计的要求对其加载进行测试，以判断其结构和尺寸的合理性；根据测试结果，对原设计进行修改，使其更加完善。 10、模型试验设计的主要优点是：可以在时间、材料和仪器等花费都相对不大的情况先，对多种模型进行分析比较以获得更好的设计方案，加速新产品的开发。由于模型在结构的相似性和测试条件上毕竟与实物有差异，所以模型试验结果就会有一定误差，这就是他的局限性。 11、技术经济分析，是技术科学与经济学综合发展的产物；它应用的一个重要方面是在新产品开发时 进行技术的选择和技术经济的评价，以便从多个技术方案中 选出经济效果最佳的方案。 第一章 计算机辅助设计 第一节 CAD系统概述 1、 CAD（计算机辅助设计）指人们在计算机软、硬件的辅助下对产品或工程进行设计、绘图、分析计算、修改和编写技术文件及显示、输出的一种设计方法。 2、一般把应用于 CAD 作业的计算机（中、小 型或微型计算机等）、软件（计算机的操作系统、图形支撑软件和专业应用软件等）以及外围设备（打印机和绘图仪等），总称为 CAD 系统。 3、 70年代，出现了将 CAD硬件与软件配套交付用户的“交钥匙系统” 4、 CAD 技术在机械工业中主要应用有二维绘图、图形及符号库、参数化设计、三维造型、工程分析（常见的有有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等）设计文档和生成报表。 5、 CAD技术的主要特点有以下几个方面： 1）制图速度快，减少手工绘图时间，提高了工作效率。 2）图样格式统一，质量高，促进设计工作规范化、系列化和标准化。 3）提高分析计算速度，能解决服装设计计算问题。 4）易于技术资料的保存及查找，修改设计快，缩短了产品设计周期。 5）设计时可预估产品性能。 6、 CAD涉及到的基础技术： （ 1）图形处理技术（ 2）工 程分析技术（如有限元分析、优化设计方法、物理特性计算、模拟仿真以及各行各业中的工程分析）（ 3）数据管理与数据交换技术 （ 4）文档处理技术（ 5）软件设计技术。 7、 CAD 系统可根据其用途来分类如机械 CAD 系统、电气 CAD 系统等，目前最常见的硬件分类： （ 1）集中式主机系统（ 2）分布式工程工作站系统（ 3）微型计算机系统。 第二节 CAD系统的硬件和软件 1、典型的 CAD 系统基本硬件一般由主机、输入设备、输出设备和存储设备四部分组成。 2、计算机主要是指计算机的中央处理器 CPU 和内存储器两部分，它们是控制和 指挥整 个系统运行并执行实际运算、逻辑分析的装置，是系统的核心。 3、输入设备主要有键盘、光笔、鼠标器、数字化仪和图形扫描仪。 与主机的标准端口 RS-232C串口连接的有鼠标器、数字化仪和图形扫描仪。 主要作用是将字符、平面上或空间中点的坐标输入计算机，其基本功能是“定位”和“拾取”。“定位”是确定和控制光标在屏幕图形上的位置，“拾取”是选取屏幕图形上的某一内容。 4、计算机的键盘分字符键、数字键和功能键三种。 5、光笔是一种检测装置，它能够将屏幕上的显示状态（明暗变化）转换为电信号，送给计算机。 6、鼠标器用 来控制和移动光标在屏幕上的位置，有机械式和光电式之分。 数字化仪有电磁感应式、静电感应式、超声波式以及磁致伸缩式；其作用是输入图形、跟踪光标位置和选择菜单；数字化仪的典型指标是：分辨率、精度、重复精度、板的面积等。 7、图形扫描仪是直接把图形扫描输入计算机中，以像素信息进行存储表示的设备；按颜色可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件可分为电荷耦合器件（ CCD）扫描仪、 MOS电路扫描仪、紧贴型扫描仪等。 8、 CCD 扫描仪的工作原理是：用光源照射原稿，投射光线经过一组光镜头射到CCD 器件上，再经过模 /数转换器、图像数据暂存器等，最终输入到计算机或者图形 /文字输出设备。 9、常用的图形输出设备可分为两大类： （ 1）是与图形输入设备相结合，构成具有交互功能的可以快速生成和删改图形的显示设备；（ 2）是在纸或其它介质上输出的可以永久保存图形的绘图设备。它包括显示设备和绘图设备。 10、显示设备包括图形适配器和图形显示器；从成像原理上有随机扫描式、存储管和光栅扫面式三种。 11、绘图设备包括： 1）滚筒式绘图仪 2）平板式绘图仪 3）静电式绘图仪 12、滚筒式绘图仪是按插补原理进行的，绘图笔沿 X或 Y方向移动 一步的距离称为步距，也叫脉冲当量，滚筒式绘图仪结构简单，价格便宜，易于操作，占地面 积小，绘图速度快，但精度低。 13、平板式绘图仪其特点体积小，重量轻，价格低，但绘图速度、精度低。 14、静电式绘图仪的主要技术指标有：绘图速度、步距、绘图精度、绘图仪功能等。 15、数据存储设备主要指外存储器，是用来存放大量的暂时不用而等待调用的程序和数据的装置。 系统对存储设备的要求：一是存储量大，二是存取效率高。 磁盘有软磁盘和硬磁盘两种。但由于磁带是顺序存取工作方式，不便于是随机访问的数据存储，故一般用于存储批量大、使 用频繁的数据和用于备份保存数据。 16、 CAD系统由硬件和软件两部分组成。软件是实现 CAD各项功能技术的核心；计算机软件是指与计算机操作使用有关的程序、规程、规则以其相关文档资料的总和。 17、 CAD以软件可分为三类和起作用： （ 1）系统软件 系统软件是直接配合硬件工作并对其它软件起支撑作用的软件，主要指操作系统及各种计算机语言等；（ 2）支撑软件 CAD 支撑软件是指在 CAD系统中，支撑用户进行 CAD 的通用性功能软件；（ 3）专用软件 专用软件是专门为适应用户特定使用条件需要而开发的软件。 18、系统软件包括操 作系统、计算机语言、网络通信及管理软件和数据库及数据库管理软件； 19、支撑软件包括基本图形资源软件、二维三维绘图软件、几何造型软件、工程分析及计算软件和文档制作软件。 第三节 CAD系统的图形处理 1、最基本图素类型可分为两类：一类以直线线段为最基本图素，二类以点为最基本的图素。 2、坐标系统分为世界坐标系（无界的）、设备坐标系（有界的）和规格化设备坐标系（有界的）。 3、常对二维或三维图形进行各种几何变换（平移、旋转、缩放等）和投影变换（多面正投影、轴测投影、透视投影等）。无论哪种变换，只要保持图形上各 特征点之间的连接关系不变而按一定的规律改变图形上各点的几何坐标，就可以得 到经变换后的新的图形。 4、基本变换包括比例变换、压缩变换、对称变换、旋转变换和错切变换。 5、比例变换 对图形以坐标原点为中心进行放大或缩小的变换， 变换矩阵为 000 0 0 , 00 0 1aT d a b a和 b分别 x和 y方向的比例因子。若 a=b=1 为恒等变换；若 a=b 1 为等比放大变换， a=b 1 为等比缩小变换；若ab 则变换后的图形产生畸变。 6、压缩变换 将二维图形压缩到某条坐标轴或者原点的变换；将图形压缩到 x坐标轴上 变换矩阵为 1 0 00000 0 1T；将图形压缩到 y轴上 变换矩阵为 0000 1 00 0 1T；将图形压缩到原点上 变换矩阵为 0000000 0 1T。 7、对称变换 图形以坐标原点为中心对称于坐标原点或者某一条轴线的变换； 关于 x轴对称变 换矩阵为 1 0 00 1 00 0 1T；关于 y轴对称变换矩阵 1 0 00 1 00 0 1T关于原点对称的转换矩阵 1 0 00 1 00 0 1T；对称于 +45线对称时 0 1 01 0 00 0 1T；对称于 -45线时 0 1 01 0 00 0 1T 8、旋转变换 在二维平面内，点或平面图形绕坐标原点旋转角的变换，且规定逆时针方向旋转为正，顺时针为负。旋转的变换矩阵 c o s s i n 0s i n c o s 00 0 1T。 9、错切变换 二维图形在某一个坐标轴方向的坐标值不变，而平行于另一个坐标轴的线倾斜角，或平行于两条坐标轴的线都倾斜角的变换； 沿 x方向错切的变换矩阵 1 0 0100 0 1Tc；沿 y方向错切的变换矩阵 100 1 00 0 1bT 沿 x、 y两个方向错切的变换矩阵 10100 0 1bTc 10、二维图形的变换矩阵 a b pT c d ql m s中 abcd可实现图形的比例、对称、旋转、错切四种基本变换。 lm的功能是实现平移变换， ml、 分别为 x、 y方向的平移。 s 的作用是全比例变换； 1s 时等比例缩小； 01s 是等比例放大当 1s 时则为恒等变换。 pq的作用是产生透视变换。 11、三维图形的几何变换矩阵a b c pd e f qTh i j rl m n s式中 a b cd e fh i j为产生比例、对称、旋转、错切四种基本变换； l m n 为产生沿三个轴向的平移变换； s为全比例变换， 1s 时等比例缩小； 01s 是等比例放大当 1s 时则为恒等变换； Tpqr的作用是产生透视变换。 12、三维在比例变换中 a,e,j分别为 x,y,z 三个方向的缩放系数。 13、对称变换 基本对称包括对坐标原点、坐标轴以及坐标平面的对称变换；原理：关不变，不关则变；例如对 xoy坐标平面对称时除立体上各点的 z坐标改变外， x,y坐标均不变故变换矩阵1 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 1T. 14、旋转变换 绕 x 轴旋转角。立 体绕 x轴旋转时 x坐标不变， y， z坐标变换， 变换矩阵为1 0 0 00 c o s s i n 00 s i n c o s 00 0 0 1T。 15、错切变换矩阵的特点是主对角线元素为 1，第 4行第 4列的其余元素全为 0，即1010100 0 0 1bcdfThi；沿 x含 y错切（沿列含行）的变换矩阵1 0 0 01 0 00 0 1 00 0 0 1dT；沿 z含 y错切1 0 0 00 1 00 0 1 00 0 0 1fT。 16、压缩变换 压缩到 xoy平面时 z坐标变为 0，其变换矩阵为1 0 0 00 1 0 000000 0 0 1T。 17、投影变换包括多面正投影、轴测投影和透视投影； 正投影的变换矩阵1 0 0 000000 0 1 00 0 0 1VT；侧面投影变换矩阵0 0 0 01 0 0 00 0 1 00 0 1wTl 水平投影变换矩阵；1 0 0 00 0 1 00 0 0 00 0 1HTn。 18、 轴测投影变换包括正轴测投影和斜轴测投影；正轴测投影变换的方法：先使立体绕 z轴旋转角，再绕 x轴旋转 0 角最后向 xoz坐标平面投影。 变换矩阵c o s s i n 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0s i n c o s 0 0 0 c o s s i n 0 0 0 0 00 0 1 0 0 s i n c o s 0 0 0 1 00 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1c o s 0 s i n s i n 0s i n 0 c o s s i n 00 0 c o s 00 0 0 1ZT 斜轴测投影图是使立体先沿 x含 y错切在沿 z含 y错切，最后向 xoz 坐标面投影形成的；其变换矩阵为1 0 0 0000 0 1 00 0 0 1dfT。 19、透视投影变换 透视图和轴测图都是单面投影图，所不同的轴测图是用于平行投影原理形成的，透视图是用于中心投影原理形成的。灭点即直线上无穷远的透视点。 20、窗口是在用户坐标系中定义的确定显示内容的一个矩形区域，只有在这个区域的图形才能在设备坐标系下输出，而窗口外的部分则被裁掉。用矩形左下角点的坐标 ,xl ybWW和右上角的坐标 ,xr ybWW来确定窗口的大小和位置。 21、视区是在设备坐标系中定义的一个矩形区域，用于输出窗口中的图形；视区决定了窗口中的图形要显示屏幕上的位置和大小。 22、窗口和视区的匹配，就是将两个矩形区域的点按相对位置一一对应起来。则有v x l w x lx r x l x r x lv y b w y by t y b y t y bx V x WV V W Wy V y WV V W W 窗口与视区有以下作用：固定视区的参数，改变窗口参数，可以改变视区中显示的比例。 （ 1）如果同时增大窗口的高度和宽度，则视区显示内容范围增大，图形比例缩小；（ 2）如果 只改动窗口左下角坐标，则显示的比例不变，但显示的范围产生左右、上下移动。如果要使窗口 视区变换后的图形在视区中输出时不产生失真 现象，在定义窗口和视区时，必须保证是窗口和视区的高度和宽度的比例相同。 23、 Cohen Sutherland 算法亦称为编码裁剪法考虑：每一线段或者整个位于窗口的内部，或者能够被窗口分割而使其中的一部分很快地被舍去。算法分为两步：（ 1）先确定一条线段是否整个位于窗口内，若不是，则确定该线段是否整个位于窗口外，若是则舍去； （ 2）如果第一步的判断不成立，那么就通过窗口边界所在的直线将 线段分成两部分，再对每一部分进行第一步测试。 第一位是端点在窗口的左侧，第二位是端点在窗口的右侧，第三位是在窗口的下侧，第四位是在窗口的上侧。如果两个端点的编码