機械CAD熊鷹xyswjtu@1課程內容機械CAD技術概況機械CAD圖形學基礎參數化繪圖及設計三維建模技術基礎CAE應用基礎OpenGL開發基礎2機械CAD課程目標在學習以上通用設計技術的同時，結合機械設計領域，介紹其實際應用，初步培養開發實用機械CAD系統的能力。

通過本課程的學習，能夠了解和掌握機械CAD技術的基本理論和基礎知識；掌握機械CAD系統常用軟件二次開發方法；具有進行機械CAD系統規劃與實施的初步能力。在未來的工作中能夠通過進一步學習，較快的掌握機械CAD深入的應用技術。3機械CAD課程特點本門課是一門理論性與實踐性都較強的綜合性專業課，涉及的知識面廣。在學習過程中，要綜合運用相關基礎理論，通過習題、上機等環節，獲得機械CAD技術的基本理論和基礎知識，培養解決實際問題的能力。4機械CAD學習方法掌握機械CAD技術的基本原理與方法重視機械CAD技術的實際應用跟蹤機械CAD技術的發展前沿5機械CAD先修課程繪圖基礎：機械制圖、計算機繪圖設計基礎：機械設計高級程序設計語言6機械CAD教材參考教材：肖剛等.機械CAD原理與實踐（第2版）.清華大學出版社，2006

童秉樞等.機械CAD技術基礎（第3版）.清華大學出版社，20087機械CAD軟件AutoCADR2004及以上版本SolidEdge或SolidWorks或Pro/EngineerANSYSOpenGL+VisualC++8機械CAD考核方式

平時30％期末考試(開卷)70％9機械CAD第一章概論10學習要點設計與CAD技術的關系計算機輔助設計與計算機圖形學之間的關系機械CAD技術的發展歷史機械CAD技術的應用機械CAD技術的特點機械CAD技術的發展趨勢11機械CAD1.

CAD技術與現代產品設計

1972年10月，國際信息處理聯合會在荷蘭召開的“關于CAD原理的工作會議”上對CAD提出了以下的定義：CAD是一種技術，其中人與機（計算機）結合為一個問題求解組，緊密配合，發揮各自所長，從而使其工作優于每一方，并為應用多學科的方法的綜合性協作提供了可能。CAD是工程技術人員以計算機為工具，對產品和工程進行設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱。

12機械CADCAD是一個人機結合的求解系統，是現代設計相關學科綜合運用的體現。CAD（ComputerAidedDesign）即使用計算機幫助人們進行產品和工程設計。13機械CAD單級圓柱減速器設計傳動方案擬定電機選擇計算總傳動比及分配各級傳動比運動參數及動力參數計算傳動零件設計計算軸設計計算滾動軸承選擇及校核計算鍵聯接選擇及計算……14機械CAD產品開發流程設計任務書

概念設計總體方案擬定方案論證需求分析與可行性研究15機械CAD詳細設計工藝設計加工制造性能測試設計定型設計完善16機械CAD傳統的機械設計過程的特點：每一個環節都是依靠設計者用手工方式來完成的。經驗設計者的大部分時間和精力都耗費在裝配圖和零部件工作圖的繪制上（70%），方案的擬訂取決于設計者的個人經驗，分析計算粗糙，設計工作周期長，效率低。17機械CAD傳統的設計過程是一個“設計-評價-再設計”的反復迭代、不斷優化的過程，在人工設計情況下，設計周期長，因此實現某種程度的設計自動化，縮短設計周期，降低設計成本，提高設計質量，就成為機械設計發展的迫切要求，正是在這樣的背景下產生了計算機輔助設計（CAD）。18機械CADCAD過程模型提出設計任務確定設計目標設計綜合分析計算審核檢驗表達設計結果建立設計模型設計人員設計經驗專家知識決策能力產品模型工程分析動態模擬自動繪圖NCP計算機系統CAD系統硬件基礎軟件數據庫知識庫：算法圖形庫19機械CAD 設計是產品從設計、制造、裝配、銷售和生命周期的第一個和最重要的環節，因為產品的成本75%在設計階段決定的，產品的性能80%是在設計階段決定的。 機械CAD就是在機械設計領域采用CAD設計方法。機械設計CAD是CAD技術應用重要領域。

20機械CAD幾個相關的概念CAD(ComputerAidedDesign)計算機輔助設計CAD(ComputerAidedDrafting)計算機輔助繪圖：產生各種圖形、存儲、調用、編輯、修改CAM(ComputerAidedManufacturing)計算機輔助制造CAE(ComputerAidedEngineering)計算機輔助工程：分析、計算。有限元法、優化設計、仿真21機械CAD幾個相關的概念CAPP(ComputerAidedProcessPlanning)計算機輔助工藝設計：設計與制造之間的橋梁，確定加工方法，加工順序，工、夾、量具以及切削條件等。CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)計算機集成制造系統22機械CAD2.

CAD的發展

CAD技術的核心和基礎是計算機圖形處理技術，CAD技術的發展與計算機圖形學的發展密切相關，并伴隨著計算機及其外圍設備的發展而發展。計算機圖形學(ComputerGraphics)是研究通過計算機將數據轉換成圖形，并在專用設備上顯示的原理、方法和技術的學科，其有關圖形處理的理論和方法構成了CAD技術的重要基礎。 23機械CAD1950年，美國麻省理工學院(MIT)誕生了旋風I號(WhirlwindI)計算機及其顯示器。該顯示器用一個類似于示波器的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。 24機械CAD五十年代中期，美國戰術防空系統SAGE(SemiAutomaticGroundEnvironment)則是第一個使用具有命令和控制功能的CRT顯示控制臺的系統；在顯示器上，操作員可以用光筆在屏幕上指出被確定的目標。 25機械CAD在整個50年代，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機配置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期。與此同時，類似的技術在設計和生產過程中也陸續得到了應用，它預示著交互式計算機圖形學的誕生。26機械CAD1962年，在美國亞特蘭大市召開的美國計算機會議上,美國麻省理工學院林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland

宣讀了他的博士論文研究內容“Sketchpad:一個人機交互的圖形系統”，文中首次使用了“ComputerGraphics”這一術語，證明交互式計算機圖形學是一個可行且有用的研究領域，從而確定計算機圖形學作為一個嶄新科學分支的地位。奠定了計算機圖形學的基礎，并開始出現CAD這一術語。

27機械CAD28機械CAD1965，Ivan.E.Sutherland

又發表著名論文“UltimateDisplay”（終極顯示），提出了計算機圖形學的發展方向。因此，Ivan.E.Sutherland

被公認為是交互圖形生成技術的奠定人。他也為此榮獲1988年圖靈獎。Sutherland在1968左右發明了HMD，HeadMountedDisplay，即頭盔顯示器－VR應用29機械CAD不久，美國通用汽車公司和IBM公司率先設計了DAC-1

（DesignAutomatedbyComputer

）系統，利用計算機來設計汽車外形與結構，可以說是CAD技術用于工程設計的最早例子（第一個商用CAD系統）。但由于當時刷新式圖形顯示器價格十分昂貴，因此CAD系統很難普及與推廣。 30機械CAD60年代后期存儲管式顯示器以其低廉的價格進入市場，使CAD系統的成本一下子下降了許多，變得能為許多企業所接受。于是出現了一批廠商，他們將硬、軟件放在一起成套出售，即所謂Turnkey系統（交鑰匙系統），并很快形成了CAD/CAM產業。31機械CAD70年代。計算機交互圖形技術日漸成熟并在工業界日益得到應用。此時各種論文、文獻、教程及學術會議大量涌現。整個70年代是計算機圖形學及計算機繪圖獲得廣泛應用的時代。但此時它們大多數還是16位機上的三維線框系統及二維繪圖系統，還只能解決一些簡單的產品設計問題。32機械CAD進入80年代以后，CAD技術得到了迅速的發展，特別是小型機及微型機的性能不斷提高，價格不斷下跌，計算機外圍設備如彩色高分辨率圖形顯示器、大型數字化儀、自動繪圖機等品種齊全的圖形處理裝置已逐步形成質量可靠的系列產品，并已成為CAD的一般配置，為推動CAD技術向更高水平發展提供了必要條件。33機械CAD在此期間，適用于小型機及微型機的軟件技術也迅速提高。發展了數據庫技術，開發了大量圖形軟件，以及與現代設計方法相適應的各種應用軟件（如有限元結構分析軟件、優化設計軟件等）。大量成熟的商品化軟件的不斷涌現，又促進了CAD技術的應用與發展。AutoCADV1.0于1982.11正式出版，容量為一張360Kb的軟盤，無菜單，DOS命令式。34機械CAD20世紀90年代以來，CAD技術不斷完善，廣泛采用了特征造型和基于約束的參數化和變量化造型方法，并向集線框、表面、實體模型統一表示的非流形形體造型發展。隨著信息技術的發展，CAD技術也由過去的單機或局部分布式聯網工作方式向基于網絡的設計發展，且支持協同的概念設計成為當前研究熱點。同時，計算機技術的飛速發展，也為CAD技術的應用提供了強大的硬件支持環境。35機械CAD由于國際上市場競爭日益加劇，要求加快產品更新換代。產品由原來單一品種、大批量生產模式轉向多品種、高質量、小批量生產模式。因而，傳統的人工設計方法已不能適應這種市場變化的要求，廣大企業紛紛求助于CAD技術。廣泛的社會需求及應用，又促使CAD技術得到進一步發展與提高。36機械CAD目前，CAD技術在一些技術先進的工業國家中已經得到了廣泛的應用。CAD的應用領域已從早期的輔助機械設計、印刷電路板設計，逐步擴展到服裝與花樣設計、管道布局設計等方面。37機械CAD1989年美國評出近25年間當代十項最杰出的工程技術成就，其中第4項是CAD/CAM。1991年海灣戰爭結束后的第三個星期，美國政府發表了跨世紀的國家關鍵技術發展戰略，列舉了6大技術領域中的22項關鍵項目，認為這些項目對于美國的長期國家安全和經濟繁榮至關重要。而CAD/CAM技術與其中的兩大領域11個項目緊密相關。38機械CADCAD技術推動了幾乎一切領域的設計革命，CAD技術的發展和應用水平已成為衡量一個國家科技現代化和工業現代化水平的重要標志之一。39機械CAD美國科學院工程技術委員會對1986年的統計分析是：（1）降低工程設計成本13%~30%；（2）減少產品設計到投產的時間30%~60%；（3）產品質量的量級提高2~5倍；（4）減少加工過程30%~60%；（5）降低人力成本5%~20%；（6）增加產品作業生產率40%~70%；（7）增加設備的生產率2~3倍；（8）增加工程師分析問題的廣度和深度的能力3~35倍。

40機械CAD據國外資料分析表明，從19世紀70年代到20世紀80年代這100多年里，加工過程的效率提高了200%；生產管理效率提高了80%~120%，而產品設計效率僅提高了20%左右，后兩者的效率以成為生產進一步發展的制約因數。CAD技術為實現設計于制造自動化提供了重要手段。41機械CAD3.CAD系統的組成CAD系統CAD硬件系統CAD軟件系統應用軟件支撐軟件系統軟件外圍設備計算機42機械CAD1)CAD系統的類型 按硬件組成分類：主機系統、小型機系統、工作站系統、微機系統和基于網絡的微機－工作站系統。 按工作方法及功能分類：檢索型、自動型、交互型、智能型。43機械CAD單機系統44機械CAD網絡系統45機械CAD2)硬件系統 應具有較強的人機交互設備及圖形輸入輸出裝置。CAD系統的硬件

鼠標掃描儀數字化儀運算速度內存容量顯示器顯示卡打印機繪圖儀主機圖形輸入設備圖形顯示與輸出設備網絡設備46機械CAD47機械CAD48機械CAD49機械CAD50機械CAD51機械CAD3)軟件系統 具備了CAD硬件以后，軟件配置水平決定了整個CAD系統性能的優劣。因而，硬件是CAD系統的物質基礎，而軟件則是CAD系統的核心。從CAD系統發展趨勢來看，軟件占據著愈來愈重要的地位，軟件的成本目前已超過了硬件，因此應十分重視軟件工作。52機械CADCAD系統的軟件可分成三個層次：系統軟件、支撐軟件、應用軟件。系統軟件是與計算機硬件直接相關聯的軟件，一般由軟件專業人員研制，它起著擴充計算機的功能和合理調度與運用計算機的作用。支撐軟件是在系統軟件基礎上研制的，它包括進行CAD作業時所需的各種通用軟件。應用軟件則是在基礎軟件及支撐軟件支持下，為實現某個應用領域內特定任務而編制的軟件。53機械CADCAD軟件層次關系用戶的軟件用應CAD支撐軟件系統軟件OS54機械CADa系統軟件操作系統 特點：公用性、基礎性55機械CADb支撐軟件1．圖形處理軟件：解決幾何圖形設計問題。基本圖形資源軟件：根據各種圖形標準或規范實現的軟件包，大多是供應用程序調用的圖形子程序包或函數庫，與計算機硬件無關，具有優良的可移植性。它是圖形系統的最底層。有CGI、GKS、PHIGS、OpenGL等。56機械CAD繪圖軟件：解決零件圖的詳細設計問題，輸出符合工程要求的零件圖或裝配圖。如AutoCAD,大型CAD/CAM軟件中的某一個模塊，如Pro/E中的繪圖模塊。幾何造型軟件：主要解決零部件的結構設計問題，存儲它們的三維幾何數據及相關信息。如實體造型系統，曲面造型系統、參數化特征造型系統等。57機械CAD2．工程分析及計算軟件：解決工程設計中各種數值計算問題常用數學方法程序庫：解微分方程、線性代數方程、數值積分、有限差分以及曲線曲面擬合等數學問題。有限元結構分析軟件：分析固體力學、流體力學、場問題等。優化設計軟件3．數據庫管理系統：操縱和管理數據庫的軟件。4．網絡通信及管理軟件。5．文檔制作軟件。58機械CADC應用軟件：在系統軟件、支撐軟件的基礎上，針對某一專門應用領域而研制的軟件。如飛機設計中的總體方案，重量設計、空氣動力計算、結構分析、起落架設計等。應用軟件是大型軟件公司的“盲區”，通常要靠用戶自行開發。這是因為應用軟件的專業性很強，涉及的領域廣泛，其開發需要豐富的專業知識和經驗；大型軟件公司不愿意將資金投在量不大用戶不夠廣泛的、專業性很強的應用軟件。 59機械CAD在激烈的市場競爭中，各家專業公司都力求保住技術優勢，決不肯輕易出售自己的CAD專業設計系統。因此這類軟通常由用戶結合當前設計工作需要自行研究開發。 60機械CAD所開發的應用軟件應具備如下特點（l）能夠切實可行地解決具體工程問題，給出直接用于設計的最終結果；（2）符合規范、標準和工程設計中的習慣；（3）充分利用計算機輔助設計系統的軟件資源，具有較高的效率；（4）具有較好的設備無關性和數據存儲無關性，便于運行于各類硬件環境以及與不同軟件的連接；（5）使用方便，易學，具有良好的人機交互界面；（6）運行可靠，維護簡單，便于擴充，具有良好的再開發性。61機械CAD4)典型商品化CAD支撐軟件A高端具有強大的三維圖形處理能力、分析能力、制造功能及網絡功能。如：CATIA，UGNX，Pro/E等。B中端具有高端產品的三維零件設計、裝配功能，能滿足一般機械產品設計、繪圖的功能要求，但通常曲面造型功能較弱。如：SolidEdge、SolidWorks、MDT等。C低端主要具備二維繪圖能力及簡單的三維造型功能。如：AutoCad、北航海爾CAXA62機械CADCAD軟件系統的功能組成63機械CAD4.CAD技術在機械行業中的應用1)二維繪圖。這是最普遍最廣泛的一種應用，用來代替傳統的手工繪圖64機械CAD2)圖形及符號庫。將復雜圖形分解為許多簡單圖形及符號，先存入庫中，需要時調出，經編輯修改后插入到另一圖形中去，從而使圖形設計工作更加方便。65機械CAD3)參數化設計。標準化或系列化的零部件具有相似結構，但尺寸需經常改變，采用參數化設計的方法建立圖形程序庫，調出后賦以一組新的尺寸參數就能生成一個新的圖形。66機械CAD4)三維造型 采用實體造型設計零部件結構，經消隱及著色等處理后顯示物體的真實形狀，還可作裝配及運動仿真，以便觀察有無干涉等。67機械CAD68機械CAD5)工程分析 常見的有有限元分析、優化設計、運動學及動力學分析等。此外針對某個具體設計對象還有它們自己的工程分析問題，如注塑模設計中要進行塑流分析、冷卻分析、變形分析等。69機械CAD70機械CAD6)設計文檔或生成報表。許多設計屬性需要制成文檔說明或輸出報表，有些設計參數需要用圖形或曲線來表達。71機械CAD優點1．減少手工繪圖時間，提高繪圖效率。2．提高分析計算速度，解決復雜計算問題。3．促進設計工作的規范化、系列化和標準化。4．便于修改設計。5.在設計階段可預估產品的特性。6.為實現CAM等提供了基礎。72機械CAD其它方面的應用1．CAD/CAM技術發展的不斷的深化，使產品的設計工作內容和方式有著根本性變革，這一技術成為工業發達國家制造業保持競爭優勢，開拓市場的主要技術手段。73機械CAD波音777的新設計系統74機械CAD波音777的新設計系統波音777是美國波音公司研制的雙發中遠程寬體客機。波音777首飛時是民用航空歷史上最大的雙發噴氣飛機。1990年10月項目正式啟動。為了開發和生產波音777，波音公司花費了15億美元來擴建廠房。777計劃是波音公司有史以來第二次商業豪賭（第一次為波音747客機的研制），如果計劃失敗波音公司就將破產。1994年6月12日第1架波音777首次試飛，由于波音777是采用CAD技術設計，因此不需要制造原型機。一架777飛機上有300萬個零部件，由來自全球17個國家的900多家供應商提供。75機械CAD波音777的新設計系統波音公司在777飛機的設計中采用了法國達索/IBM公司的CATIA三維計算機設計與仿真系統，用來定義或描述整架飛機外形及有關零部件，并檢驗它們之間是否有干涉情況。這使波音公司在777機的設計過程中不再制作傳統的全尺寸實物模型，意味著波音777機成為有史以來高級程度的設計水平——實現所謂的“無紙”飛機。整個波音777機計劃投入了數十億美元，僅在CATIA系統上就花了近億美元資金。為了減小風險，先期工作中做幾個小規模的試驗。由于設計準確，隨后對設計結果的更改次數大大減少，這樣將節約因設計改動所帶來的成本支出。76機械CAD波音公司將整架飛機的布局在CATIA系統上定義，有一半的飛機零件由三維造型系統完成了大部分細節設計。同時，也使管理人員了解到電子化設計過程的工作情況，使波音公司的高級管理人員第一次把計算機工作作為總計劃進度中的獨立部分來安排。還使他們意外地感到，CATIA系統不僅用于設計工作，還是一種有效的通訊工具，使所有設計人員緊密地聯系在一起。這也是導致波音提倡這一新設計方法的關鍵原因之一。它能使所有設計人員隨時評審或使用同一設計圖形，從而大大加快工程的流程，免去各部門花幾個月的時間去傳閱圖紙。

77機械CAD使用CATIA系統電子化預組裝功能，可以得到一個飛機的全尺寸計算機模型，利用干涉檢查功能，發現設計中2500多處發生干涉。如果按常規設計，這些干涉問題需幾年后才能發現。使用人機工程測試功能，可方便地精確計算出零件的重量和慣性矩，利用標準的計算機人體模型在飛機內部活動，進行檢驗維修可行性和其他人機問題的測試工作。波音公司為了使用好CATIA系統，共花了10萬人時的訓練時間。78機械CAD波音777飛機的設計和制造在設計和制造領域里產生了一場革命。這場革命有三個特征產生了深遠的影響。第一個特征是數字化(DigitalDefinition),全部數字化定義，實現了CAD/CAPP/CAM等一系列過程的集成，實現了無紙生產，實現了數字化預裝配（DigitalPre-assembly）；第二個特征是標準化，波音公司與其合作生產發動機等公司的信息交換是在產品交換標準（STEP）下實現的；第三個特征是網絡化，通過網絡交換信息。79機械CAD2006年12月6日，波音公司使用最新的3D技術顯示出虛擬的787夢想飛機下線場面。PLM實現了從設計到生產車間，從生產到客戶支援每一個環節的虛擬顯示，最終實現了波音787項目數字式總裝到“飛機全壽命期電影”的一次革命。80機械CAD汽車虛擬實驗81機械CADVR82機械CAD虛擬裝配83機械CAD2．藝術、電影、動畫、廣告和娛樂等領域里CAD技術應用的延伸，有著不可估量的經濟和社會效益。

84機械CADCAD技術應用的延伸——體育

1991年東京世界田徑錦標賽上，卡爾·劉易斯創造了新的100米世界記錄——9.86秒。他的獲勝與他那雙由CAD系統設計的釘鞋有很大關系。這種首次面世的一次性釘鞋由日本Mijuno公司設計，每只僅重115克。該公司在Medusa系統上建立了劉易斯的人體數字模型，包括極其精確的體重和體形數據，并重現了劉易斯的腳足和肌肉的形狀，以及由此決定的奔跑中產生的對釘鞋的壓力。為減輕釘鞋的重量，Mijuno公司主要使用在DEC的VAX平臺上運行的，由CV公司開發的Medusa軟件設計鞋底。同時使用AsraSystem公司的Cadra系統進行鞋幫式樣設計。85機械CAD86機械CAD英國達爾康有限公司（Delcam）雖然只有800員工，但他們的客戶遍布全球，一名運動員站到該公司一臺價值兩萬美元的儀器上幾分鐘之后，他們就可以有針對性地設計、制造出量身訂做的鞋子。可以想象，鞋子的價格必然不菲。不過，為了穿上合腳的鞋子，為了獲得好成績，不少運動員成了他們的客戶。87機械CAD悉尼奧運會

自動調節熱量的運動衣SwiftSuit88機械CAD澳洲女飛人凱西·弗里曼首次穿上這件極度另類、從頭套到腳的運動衣上場時，叫人看傻了眼。然而在她奪下400米金牌后，它隨即成為史上最快的戰衣。這件衣服的神奇之處不僅在于減小阻力，還可以調節熱量。這件衣服的顏色由深淺兩種色彩搭配而成，深色材料放在需要吸熱的地方，淺色材料放在需要反射的地方，不同的材料使空氣更流通，有助于平衡人體的溫度。89機械CAD人體在運動時特定部位會特別熱，需要透氣通風或自由活動。SwiftSuit根據此運動原理采用數種不同的驅汗布料立體剪裁組合，在腋下、背部及胸部下側等“聚熱區”采用透氣網狀布料散熱。肘部、膝部和背部用3D裁減，有效減少運動員在移動時與空氣產生的阻力。而看上去有些滑稽的頭套可以減少3％的阻力，相當于在2000米長跑比賽中少跑24米的距離。90機械CAD北京奧運會2008年7月15日消息：安世亞太攜手ANSYS，HP以及世界著名的泳衣生產者SPEEDO在北京長富宮飯店舉行2008奧運仿真技術秀，為大家揭秘奧運背后鮮為人知的奧秘——CAE仿真技術，解讀CAE是如何助力奧運的。91機械CAD菲爾普斯的“鯊魚皮”“任何不穿LZRRacer的運動員，也許最終都只能坐在家里，看NBC的轉播。”－－美國游泳隊主帥馬克·舒伯特在奧運會前最后一次選拔賽的時候沖著美國《體育畫報》說注：LZRRacer是Speedo公司的產品92機械CAD運動員要求理想的泳衣實現水中運動過程盡可能平滑和不受到干擾，因此經CAE軟件流體數值分析，研究人員能夠得到泳衣各部位的阻力特性，并在高阻力區域布置LzrPanels(低磨擦材料)，從而使運動員在水中盡可能地產生減少阻力的流體動力。93機械CAD在泳衣的設計過程中，為了能夠在泳衣中找到合適的部位放置LzrPanels(低磨擦材料)，研究人員對400多位運動員和頂尖游泳健兒進行了連續掃描分析，運動員都采用了手在頭上部的滑行姿勢。因為游泳比賽中，30%的賽程使用的會是這種姿勢，通過降低該姿勢下的阻力來提高泳衣的整體性能。隨后，研究人員使用流體軟件分析的仿真數據，精確定位運動員在水中身體的高磨擦區，通過CAE技術尋找游泳運動員在水中身體最大阻力的位置，然后在該部位采用低磨擦材料進行設計。94機械CADCAE技術分析“鯊魚皮”泳衣性能95機械CADCAE技術分析運動員最大阻力位置96機械CAD當應用CAE技術的時候，計算機能夠預測運動員身體周圍每處水的速度、應力。阻力高的區域用紅色顯示，以此表明泳衣上哪些部分需要進行改進。例如，從上圖可以明顯看到胸部的阻力比較大，在這些高阻力的區域就可以安置LzrPanels(低磨擦材料)。此外，CAE技術還可以幫助研究人員考察更多的極端情況。例如，運用CAE技術，可以針對不同人的體型與身高執行不同的泳衣設計方案。由于運動員的技術水平、體型特征等條件都各不相同，所以也只有量身定制的“鯊魚皮”才能使他們的技術水平發揮到極致。97機械CAD 假如把“Speedo”的研究機構列出一個名單，我們會發現，很多最尖端的科研機構都在其中，包括美國國家航空航天局（NASA）澳大利亞體育學院ANSYS公司英國諾丁漢大學新西蘭奧塔格大學等98機械CAD羅馬世錦賽在2009年羅馬世錦賽上，最搶風頭的泳衣是傳統品牌ARENA和意大利本土品牌JAKED。在本次世錦賽上，共有驚人的43人次打破世界紀錄，108人次破賽會紀錄。這不僅在世錦賽歷史上絕對空前，而且有望在未來相當一段時間內“絕后”。這其中，超過五分之四的破紀錄選手穿著高科技泳衣。ARENA它更大面積地使用了聚亞氨酯材料，并將泳衣的厚度壓縮到難以想象的程度。此外，意大利品牌JAKED100%由聚亞氨酯材料制作，而這種能夠增加浮力的材料通常只被用于生產汽車和飛機輪胎。跟這兩款泳衣相比，SPEEDO的“鯊魚皮”立刻相形見拙了。99機械CAD運動科技違背了體育精神嗎？100機械CAD迫于壓力，國際泳聯不得不宣布，從2010年1月1日起禁用高科技泳衣，并明確規定所有男選手必須“赤膊上陣”。101機械CAD2007年10月底，國家體育總局田徑館鋪設了一條45米長的數字跑道。這條跑道采用了大面積柔性壓力陣列傳感器、現場總線、網絡和分布式信息處理技術，可實時檢測運動員步頻、步距、足部觸地時間、離地時間、速度、發力大小、發力角度等信息，在此基礎上構建了訓練信息采集和技術診斷分析系統，可以為田徑項目提供一種全新的科學化訓練平臺。102機械CAD鳥巢鳥巢的設計是不規則的，如何合理安排通風口的位置，讓觀眾在不同方位、不同角度的座席上感受基本相同的溫度，這就需要CAE仿真的數據計算；還有突發事件發生時，觀眾安全逃生通道的設計，這里面除了要考慮數萬名觀眾的疏散效率，還要考慮觀眾個體的逃生心理，如何使安全通道和疏散口的安排最合理、最安全、最快捷，這都需要CAE仿真的數據計算。鳥巢”的相關設計師運用流體力學設計，模擬出91000個人同時觀賽的自然通風狀況，讓所有觀眾都能享有同樣的自然光和自然通風。103機械CAD鳥巢為了讓每位觀眾都有好視角，臺階高度必須精確設計，臺階不是直線上升，而是呈曲線上升，這樣體育場不會太高，可以降低成本，又不會影響視角視線。要實現這一點，就需要借助大家熟悉的計算機輔助設計（CAD）了。當“鳥巢”還只是一張圖紙時，設計師們就通過電腦，了解到觀眾的視線如何。104機械CAD科學計算可視化科學計算可視化(VisualizationinScientificComputing,ViSC)是指運用計算機圖形學和圖像處理技術,將科學計算過程中產生的數據及計算結果轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來,并進行交互處理的理論、方法和技術。國際上關于科學計算可視化的研究始于20世紀80年代末,它使往日冗繁、枯燥的數據變成生動、直觀的圖形或圖像。目前，科學計算可視化在醫學圖象處理、地質勘探、氣象預報、有限元分析等很多方面得到了成功地應用。已成為計算機圖形學的一個重要研究方向。105機械CAD106機械CAD107機械CAD108機械CAD109機械CAD過去開發一個大規模集成電路芯片，要花兩年時間，用CAD只要兩周即可完成；美國GM公司汽車設計中應用CAD技術，使新型汽車的設計周期由5年縮短為3年，新產品的可信度由20％提高到60％；法國一家公司在飛機設計中應用了CAD技術能在很短的時間內設計出幾十個方案，供用戶進行選擇，使新產品的性能提高了9％。110機械CADCAD技術在我國的應用據統計，2000年全國已有29個省（市），4個行業，近600家示范企業，3000個重點應用單位，約10萬個企業和設計院應用和普及了CAD技術。平均投入產出比為1:17.2。國產CAD軟件覆蓋了CAD所需軟件產品類型的85％，建立了CAD人才培訓網絡（由9大培訓中心組成）。但與發達國家相比差距明顯。1990年美國制造業做到了“三個三”，即產品生命周期三年，產品制造周期三個月，產品設計周期三周。2000年我國主導產品的生命周期約為10.5年，開發周期為18個月。111機械CAD5.CAD技術特點1)CAD技術復雜、涉及面廣CAD技術首先依賴于計算機硬件、外部設備的配置及其開發環境和工具，如操作系統、窗口管理、圖形顯示、用戶界面、網絡技術、數據通信、程序語言和測試工具等。CAD軟件技術涉及到系統框架設計、數據模式定義、數據交換規范、內存管理、工程數據庫設計、系統的可移植性和可擴充性、運行的可靠性、穩定性和容錯性等。它的算法設計包括三維復雜物體的描述方法、求值技術、有限元模型的自動生成，前后置處理、參數化設計、特征技術、產品定義方法，消除隱藏線，色彩處理以及動態仿真等許多方面。112機械CADCAD技術涉及到計算機科學與工程、計算數學、機械設計、人機工程、電子技術及其他很多工程技術，體現了現代新技術的相互滲透性。113機械CAD2)CAD技術變化快、競爭激烈 現代有名的CAD軟件都是規模巨大，功能眾多，系統復雜，所以投資大，開發周期長，難以即時跟上硬件平臺和開發環境的迅速發展，以及廣大用戶需求的變化和不斷增長的要求。在1980年處于領先地位的美國10家CAD公司中在1990年有7家日子難過。由于CAD軟件的國際競爭激烈，導致公司的升沉和兼并，重新組合不斷發生。114機械CADAutoCAD2011（2010年3月）20世紀70年代，美國麥道飛機公司成立了解決自動編程系統的數控小組，后來發展成為CAD/CAM一體化的UG1軟件。90年代被EDS公司收并，為通用汽車公司服務。2007年5月正式被西門子收購。115機械CAD3)CAD技術是正在發展中的一種高技術高技術的軟件產品的基礎理論、工具或所需要的硬件技術，要有較長時間的探索、試驗和改進，才能逐漸成熟起來。目前CAD最流行的基礎技術、開發環境和工具，它們的開始年代一般較早，但到技術成熟、推廣應用要經歷漫長的道路。116機械CAD如交互式圖形顯示器是1964年發明，鼠標于1965年發明，UNIX操作系統是1969年研制出來的，NURBS曲線是1972年，實體造型的邊界表示和布爾運算是1972年，變量設計是1967年，特征造型是1978年。這些技術的成熟、推廣應用都經歷了近一二十年的時間。說明現代新技術的復雜性和難度較大，需要付出巨大的人力、物力和高昂的代價。117機械CAD4)CAD技術投資大、風險高、產出高那些技術發展緩慢，或開放性和標準化程度差的軟件，很容易被淘汰掉。例如波音飛機公司早期采用軟硬件配套的turnkey系統，系統間互不聯系，難以與IBM主機進行相互通訊。為此波音公司花費4000萬美元建立信息交換網，并不成功。后來波音公司致力于自行開發一個高水平的集成化CAD/CAM系統，想以此克服第一階段的弊病。波音公司共投入250人年，耗資3000萬美元，因達不到預期的效果而中途夭折。波音公司總結了前面十余年的寶貴經驗和失敗的教訓，經過認真調研，最后決定以巨資引進法國達索飛機公司的CATIA軟件。中國需要賣掉8億件襯衫才能換來一架波音飛機

118機械CAD6.現代CAD的主要技術特征1）參數化建模技術在產品設計初期，由于邊界條件的不確定性和人們對產品本身了解的模糊性，很難使設計的產品一次性滿足所有的設計條件，這就需要對產品形狀和尺寸不斷修改，以逐漸滿足各種條件。因此，任何產品的設計過程都只一個不斷修改、不斷滿足設計條件的反復過程。119機械CAD手工設計中圖紙的修改要不斷使用橡皮擦除和重畫，十分不便。在傳統CAD中，各幾何元素的相互關系是一定的，修改模型需要使用大量的刪除和重畫命令。為了提高設計效率，特別是滿足概念設計的需求，就要求CAD模型具有易于修改的特性。參數化技術就是為適應這種需求提出來的。120機械CAD20世紀90年代初，美國PTC公司提出了參數化建模技術，并推出了參數化建模系統Pro/E。SDRC公司也提出了變量化設計技術，并在I-DEAS軟件中運用。雖然兩個系統的叫法不一，并在底層實現原理上有所區別，但共性都是模型的參數化。所謂參數化建模(parametricmodeling)是指在保持原有模型約束條件不變的基礎上，通過改變模型尺寸，驅動模型變化以獲得新的模型。因此參數化建模的兩個核心技術是約束和尺寸驅動。121機械CAD約束(constraint)是對模型幾何元素位置和相對位置關系的限制，這些限制能夠保證新的模型能按人的設計意圖變化，而不致生成不需要的模型；尺寸驅動(dimensiondriving)是指當尺寸值變化時，模型隨之變化以達到新的尺寸值，從而獲得新的模型。可見約束是參數化建模的基礎和保證，尺寸驅動是參數化建模的動力。因此，參數化建模是一種基于約束并能用尺寸驅動模型變化的建模技術。用參數化技術生成的模型稱為參數化模型。122機械CAD對于參數化模型，只要修改模型上的尺寸值，模型就會變化為一種新的模型。123機械CAD參數化模型124機械CAD2）基于特征的建模技術 基于特征的建模（feature-basedmodeling）將任何三維模型視為一系列特征的組合，而特征是一種幾何結構相對簡單的基本幾何體。這樣，無論模型如何復雜，都可以通過一定數量的特征按照一定方式組合而成。 基于特征的建模具有以下優點：建模過程類似產品的實際加工過程，步驟清晰，每步操作明確，因此建模十分方便，效率很高。三維模型建立后，系統將詳細記錄模型的生成過程，以及每步操作中的特征類型和參數，即每個模型都有一個完整的特征歷程樹。125機械CAD 基于特征的建模技術涉及兩個重要概念：特征。特征是具有一定形狀的幾何體，是構成復雜模型的基本幾何模型。組合。組合是特征的累積方式。常見組合形式是并、差、交布爾運算。126機械CAD127機械CAD3）全數據相關技術一個CAD系統具有不同的功能模塊，在產品的涉及過程中，涉及人員可能會利用不同的模塊，在不同的地理位置并行地進行產品設計。由于是對同一產品進行設計，自然希望各個模塊使用統一的數據模型，以使設計人員能夠共享、交換數據，保證設計過程的協同和并行。為此，產品的幾何模型應保持完整性和一致性。128機械CAD各個功能模塊通過鏈接方式（不是復制）從主模型中引用數據，這就保證了每個功能模塊與主模型數據的一致性。當主模型發生變化時，模塊數據會隨之變化；相反，當某個模塊的數據修改后，主模型也會隨之修改。129機械CAD20世紀90年代，SDRC公司提出了主模型的概念，并在I-DEASMasterSeries版中率先推出了該技術，較好地解決了數據的完整性和一致性問題。所謂主模型是指CAD系統中的各個功能模塊均采用一個統一或單一的數據模型，用于集中存儲產品設計數據，所有模塊需要和產生的數據都來自或存放在該模型中。130機械CAD4）智能導航技術計算機繪圖中涉及大量點的定位操作，如畫直線時需要確定兩個端點，畫圓時需要確定圓心位置等，因此點的定位快慢直接影響繪圖速度。1992年初，SDRC公司在其I-DEAS中推出了動態引導器（dynamicsnavigator）。在CAD建模或編輯中涉及大量定位和選擇操作。所謂智能，是指CAD系統能夠自動理解和判斷人的設計意圖，從而引導和幫助設計人員快速、準確定位到需要的點或選擇到需要的對象。131機械CAD自動捕捉現有幾何元素的特征點 這一功能主要用于草圖的繪制。當啟動繪圖命令并要求輸入點時，移動鼠標，當光標接近已有幾何元素的特征點時，屏幕上將出現特征點符號，這時點擊鼠標，系統會自動地準確定位到顯示的特征點上。幾何元素的特征點包括端點、切點、中點、圓心等。132機械CAD自動生成約束 在繪制草圖時，系統會自動捕捉人的意圖自動生成約束。例如，在繪制直線時，直線起點確定后，當直線接近水平或豎直方向時，系統會自動給出水平或豎直的約束。當繪制兩平行相等的線段時，只要所畫第二條線段處于近似平行和相等，系統就會給出平行和相等的約束。133機械CAD自動顯示可供選擇的對象 當需要選擇模型幾何元素時，在模型上移動光標，系統會高亮顯示可供選擇的對象，當高亮顯示的對象是用戶需要的對象時，單擊鼠標就會準確選中顯示的對象。選擇導航可以幫助用戶預測什么對象將被選擇，提高選擇的準確性。134機械CAD7.現代CAD的主要方法特征1）三維設計方法傳統設計用基于投影原理的各種視圖表示產品結構，并在圖紙上按工程制圖規格繪制視圖，以此作為加工依據。傳統CAD依然沿用這種表示，只是用計算機繪圖代替了手工繪圖，因此最早CAD中的D僅僅表示Drawing或Drafting。單一的計算機繪圖系統還不能和其它系統進行有效集成，常常是一種孤立的應用。三維設計是指在設計初期就用三維模型表示產品結構，而不是先畫好圖紙后再生成三維模型。

135機械CAD136機械CAD三維模型的優點三維模型能夠包含產品完整的設計信息且無二義性。不僅能描述結構形狀和大小的幾何和拓撲信息，還能包括表面積、體積、材料、加工、分析結果等信息。三維模型是零件設計與其它功能集成的基礎。可用于裝配設計以檢查零件間的位置關系和干涉情況，可用于有限元網格的自動劃分，可用于數控加工的圖形編程以及投影生成零件的各種視圖。基于三維模型生成的具有高度真實感的圖像，更能清楚、直觀地反映零件的外觀形狀、色彩、質地、紋理以及通過剖切產生的內