概述计算机辅助设计课件

1、2021/2/1,计算机辅助设计,主讲 赵振华,Computer Aided Design,2,第1章概述,前 言 1.1 什么是计算机辅助设计 1.2 产品设计的过程 1.3 CAD的发展及特点 1.4 计算机辅助设计的应用 1.5 CAD系统的组成与配置 1.6 CAD的发展趋势 作业,3,前言 任务及学习方法,本课程的任务（目的） 1. 提高计算机应用能力； 2. 为有效地选择、使用CAD系统奠定基础。 3. 为自主开发CAD程序（系统）提供基本认识,1）本课程学习中应做好课堂笔记。由于CAD是一门新兴技术，其发展较快，因此在教学的内容上将在教材的基础上对一些问题扩展。笔记将有助于复习和

2、进一步消化课程内容。 （2）基本概念是学习的重点。本课程教学的目的是为今后的学习和工作建立基础，因此基本概念的掌握最重要。 （3）上机练习有助于理解教学内容。更重要的是CAD技术本身就是一门可以直接在生产实际中产生效益的新兴技术。 （4）每一章的最后都提出了一些思考题。希望同学们独立地去完成思考题，这样有助于大家加深对本课程的理解,前言 学习方法,前言 参考书目,参考书： 1 计算机图形学原理及算法教程:Visual C+版.第2版 和青芳编著 清华大学出版社 2010.1 2 Windows程序设计.第5版 (美) Charles Petzold著 清华大学出版社 2010.9 3 UG二次

3、开发技术基础, 吴立军编著 电子工业出版社 2005.9 4 机械优化设计 王科社编著 国防工业出版社 2007.4,前言 学习要求,学习形式： 课堂讲述、上机学习、课后练习 上课要求： 不得无故缺课，3次取消考试资格 成绩评定： 平 时 (考勤、作业) 20%； 上机操作 (60分钟) 40%； 期终考试 (60分钟) 40,1.1 什么是计算机辅助设计,计算机辅助设计：Computer Aided Design，CAD 是指在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和。 中心是设计 采用计算机技术解决设计中可能存在的问题这是CAD的内涵。 计算机辅助设计包

4、括的内容很多，如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机绘图等,1.1 什么是计算机辅助设计,设计的重要性 “设计工作是新产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平，直接关系到产品质量、性能、研制周期和技术经济效益”书本P1 设计的广泛性 除了花草树木这些自然景物，从茶杯到桌子、建筑、公路、桥梁、火车所有跟普通人生活息息相关的物品和工程设施，都需要设计,1.2 产品设计过程,产品设计过程的步骤： （1）提出任务 （2）明确设计要求 （3）方案设计 （4）技术设计 （5）制造加工及试验,是,否,是,否,是,否,1.2 产品设计模式,正向设计过程： 最短路径原则 相似性联想 逆向设计过程

5、 新零件的设计，主要用于产品改型或仿型设计； 已有零件的复制和仿制，再现原产品设计、复杂产品仿制等； 损坏或磨损零件的还原，以便修复或重制； 产品的检测，例如检测分析产品的变形，检测焊接质量等，以及对加工产品与三维数字化模型之间的误差进行分析,1.2 产品设计过程 常规设计,缺点： “传统的产品开发方法，其设计、制造以及检测环节相互独立，严重脱节，须反复进行产品的试制检测修改设计” “严重的结构缺陷及设计原理、基本参数的错误在设计阶段也往往不能及时发现，有的到了产品开发的后期或正式生产甚至在投入使用一段时间后才发现” “这样的产品开发程序效率低，浪费了大量时间、人力和资金,需求分析,问题定义,

6、综合设计,分析、优化,评价,表示,不满足要求,风扇、压气机、燃烧室、涡轮、进排气、管路。成千上万个零件。 固体力学、流体力学、燃烧、传热、控制仿真。 材料性能、试验数据、载荷谱、零件加工返修资料,客户提出基本要求：航程、推力、可靠性、寿命、排放等,根据基本要求给出基本方案，包括：发动机类型；长度、直径等基本尺寸；压气机级数、涡轮级数、燃烧室类型以及转子支撑方式等方案；各部件详细设计；强度和寿命考核,部件详细设计,压气机,涡轮,燃烧室,附件,强度、寿命、可靠性考核,1.2 产品设计过程,设计需要： （1）确定对象的形状 图纸 （2）确定尺寸 计算 （3）对像属性的描述 资料 （4）产品实验,计算

7、机特点： 图形显示，各种外设 计算速度快 存储量大、检索快 仿真,计算机的特点和所能解决的问题,14,1.3 CAD的发展历史,15,1. 大型机 ：60年代 使用大型计算机，只有少数大企业有能力购 置，用在航空和汽车业中 2. 小型机：70年代 使用小型计算机，更多的企业有能力购置，用在微电子行业中 3. 微机和工作站：80年代以来 使用微机和工作站，在更多行业中得到应用,1.3 CAD的发展阶段,16,1. 大型机 ：60年代 通用汽车公司：DAC-I系统，用于汽车设计 洛克希德公司：CADAM系统，用于飞机设计 2. 小型机：70年代 Applicon公司：AGS系统 Computer

8、Vision公司：CADDS系统 3. 微机和工作站：80年代以来 Autodesk公司：AutoCAD PTC公司：Pro/ENGINEERING,1.3 CAD的发展代表性产品,17,工作内容 设计数据库 图形数据库 应用程序库,1.3 CAD的特点,18,建立模型； 设计计算； 图形显示； 仿真； 出图样、文档等,在数据库的基础上开展CAD工作五个方面,1.3 CAD的特点,1.3 CAD的特点,1）提高设计质量 综合性的技术知识；人机交互使产品设计更加合理； 优化设计；数据的一致性。 2）提高生产率 自动化；设计与分析、制造的一体化。 3）降低成本 节省了劳动力；节约时间成本； 原材料

9、的节省（优化设计）；市场竞争力提高（更新快） 4）CAD技术将设计人员从繁琐的计算和绘图工作中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动,1.4 计算机辅助设计的应用,1. 工程制图（机械,1.4 计算机辅助设计的应用,1. 工程制图（建筑,1.4 计算机辅助设计的应用,1. 工程制图（电子,1.4 计算机辅助设计的应用,1. 工程制图（服装设计,1.4 计算机辅助设计的应用,2. 造型,1.4 计算机辅助设计的应用,3. 模拟仿真（静力学,1.4 计算机辅助设计的应用,3. 模拟仿真（动力学,烟囱爆破拆除模拟,1.4 计算机辅助设计的应用,3. 模拟仿真（流体力学,1.4 计算机辅助设计的应用,

10、3. 模拟仿真（机械传动,1.4 计算机辅助设计的应用,4. 汽车,1.4 计算机辅助设计的应用,5. 航空发动机,制图,造型,流场计算,强度分析,CAD的技术层次 （1）应用已有软件 （2）二次开发 （3）全新开发,已有软件不能满足需求 二次开发存在版权问题 二次开发效率过低 出现新的技术需要全新开发,1.4 计算机辅助设计的应用,都需要知道什么知识,CAD的基本技术 1. 交互技术 在计算机辅助设计中，交互技术是必不可少的。交互式cad系统， 指用户在使用计算机系统进行设计时，人和计算机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

11、作的显示结果，非常直观,1.4 计算机辅助设计的应用,CAD的基本技术 2. 图形变换技术 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,1.4 计算机辅助设计的应用,CAD的基本技术 3. 曲面与实体造型技术 是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立3D实体模型的关键技术。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,1.4 计算机辅助设计的应用,CAD的基本技术 4. 科学计算 模拟真实世界的数学、力学方法。例如有限元、边界元等计算方

12、法等,1.4 计算机辅助设计的应用,CAD的基本技术 5. 优化设计 选定在设计时力图改善的一个或几个量作为目标函数，在一定约束条件下，以数学方法和电子计算机为工具，不断调整设计参量，最后使目标函数获得最佳的设计,1.4 计算机辅助设计的应用,CAD的基本技术 6. 二次开发技术 在现有的软件上进行定制修改，功能的扩展，然后达到自己想要的功能，一般来说都不会改变原有系统的内核,1.4 计算机辅助设计的应用,1.5 CAD系统的组成与配置,1.5.1 CAD系统的分类 按硬件分：主机系统、小型机系统、工作站系统、微机系统和基于网络的微机-工作站系统系统。 按系统配置分：主机终端形式、分布式台式计

13、算机形式、客户/服务器形式、浏览器/服务器形式。 按工作方法及功能分类:检索型、自动型、交互型、智能型,1.5 CAD系统的组成与配置,1）检索型 数据库类型+参数化 （2）自动型 数据库类型+参数化+计算 （3）交互型 人机交互系统 （4）智能型 加入人工智能和专家系统，能进行推理和判断，能对方案进行构思和判断，比较“傻瓜,1.5 CAD系统的组成与配置,1.5.2 CAD的硬件组成,文件服务器,绘图仪,打印机,扫描仪,数控机床,机器人,自动测试装置,CAM工作站,CAPP工作站,CAD工作站,CAE工作站,管理工作站,数据服务器,企业内部网络,1.5 CAD系统的组成与配置,1.5.3 C

14、AD的软件组成 （1）系统软件：如Windows XP等 （2）支撑软件： a 图形处理软件 b 工程分析及计算机软件 c 数据库管理系统 d 网络通信及管理软件 e 文档制作软件 （3）应用软件,1.5.3.2 常用CAD软件介绍 1. 绘图软件 AutoCAD-欧特克公司 特点：专业制图，三维建模，渲染,1.5 CAD系统的组成与配置,1.5.3.2 常用CAD软件介绍 2. 造型软件 UG-美国麦道 Pro/Engineer-美国参数技术公司 CATIA-法国达索飞机公司 特点：三维，CAD/CAM，参数化设计,1.5 CAD系统的组成与配置,1.5.3.2 常用CAD软件介绍 3. 分

15、析软件 CAE（Computer Aided Engineering）计算机辅助工程 ANSYS美国ANSYS公司 特点：有限元分析-固体、流体、热、电磁场，动态，非线性、多场耦合分析（Fluent，AN-SOFT，CFX） ABAQUSSIMULIA公司（后并入法国达索系统公司） 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体 力学结构力学系统，非线性 MSC/NASTRAN MSC/MARC ADINA LS-DYNA Pam crash,1.5 CAD系统的组成与配置,1.5.3.2 常用CAD软件介绍 3. 分析软件 CFD（Computational Fluid Dynamics）计算流体动力学 CFX英国AEA公司 用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。 FLUENT 灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，湍流、相变、化学反应与燃烧、多相流,1.5 CAD系统的组成与配置,机械创新设计 机械优势设计 稳健设计 模糊设计 虚拟设计 绿色设计,1.6 CAD的发展趋势,协同工作并具智能化 引入人工智能 建立在网络上的CAD系统是主要趋势 从