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1、第一章 CAD技术概论及CAD系统,1.1 CAD技术的内涵,计算机辅助设计（Computer Aided Design , CAD)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，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计 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。它涉及以下基础技术： （1） 图形处理技术 如二维交互图形技术、三维几何造型技术及其他图形 输入输出技术。 （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（如面 积、体积、重心、惯性矩等计算） 、模拟仿真等。,（3） 数据管理与数据交换技术 如产品数据管理（PDM） 、数据库
2、、异构系统间 数据交换和接口等。 （4） 文档处理技术 如文档制作、编辑及文字处理等。 （5） 界面开发技术 如图形用户界面（GUI) 、网络用户界面等。 （6） 基于Web的网络应用和开发技术,1.2 其他计算机辅助处理过程,CAD创建的产品模型可用于支持产品全生命周期（设 计、制造、装配、检验、销售、维修、回收、报废 ）各 相关过程的生产活动，因此CAD系统与下列计算机辅助 处理过程有紧密联系，经常集成在一起工作。 （1）CAE（Computer Aided Engineering)计算机辅助 工程 一般指辅助工程分析，主要包括有限元分析、优化 技术及机械系统运动学和动力学分析等内容。,、
3、,（2）CAPP（Computer Aided Process Planning) 计算 机辅助工艺设计 指输入产品数据（几何形状、尺寸、加工要求、材料、热处理、批量等）后，计算机系统依据企业的加工设备、加工能力、管理规章制度和生产积累的工艺经验，进行工艺过程分析，制定零件的加工工艺过程和工艺参数。 CAPP是CAD至CAM的连接桥梁。 （3）CAM（Computer Aided Manufacturing)计算机 辅助制造,指在数控加工中，在输入零件的工艺路线和工序内容后， 生成输出刀具加工运动时运动轨迹（刀位文件）和数控 代码。 （4）PDM（Product Data Management
4、) 产品数据管 理 指将所有与产品相关的信息和所有与产品相关过程 统一进行管理。典型的PDM功能，如电子文档仓库管 理，工作流/设计过程管理，产品结构与配置，设计检 索和零件库，项目管理，分布式环境协同工作，文件 查看和批准等。,常用CAM软件,（5）MRP-II（Manufacturing Resource Planning) 制 造资源规划 以物料需求计划为核心，覆盖企业生产活动所有领 域，有效利用各种制造资源的计算机系统。 （6）ERP（Enterprise Resource Planning) 企业资源计 划 ERP将制造业企业的制造流程看作是一个紧密连接 的供应链，其中包括供应商、制
5、造工厂、分销网络、 和客户等，对供应链上所有环节有效地进行信息集 成管理。ERP超越了MRP-II的范围和集成功能。,（7）CIM/CIMS（Contemporary Integrated Manufacturing/ Contemporary Integrated Manufacturing System) 现代集成制造/现代集成制造系统 在国外，CIM/CIMS原表示Computer Integrated Man- ufacturing/Computer Integrated Manufacturing System, 即计算机集成制造和计算机集成制造系统，其内涵 为借助计算机，将企业中各
6、种与制造有关的技术系 统集成起来，提高企业的竞争能力，我国在863/CIMS 主题研究和实施中，拓展了原CIM/CIMS的内涵，提 出了称为现代集成制造与现代集成制造系统的概念。,CIM技术是基于传统制造技术、信息技术、管理技术、 自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术，包括总 体技术（CIMS集成模式、体系结构、标准化技术、系 统的建模与防真等）；支撑技术（网络数据库、集成框 架、企业级产品数据管理、计算机支持协同工作技术、 人机接口等）；设计自动化技术（CAD 、CAE 、CAPP 、 CAM 、 DFX）；加工制造自动化技术；管理与决策信 息系统技术等。,1.3 CAD技术发展趋势,1
7、. 集成化 各种CAX（CAD、 CAM、 CAE、 CAPP）的集成，以及CAX与PDM（产品数据管理）的集成。 2. 网络化 将设计工作推向网络协同的模式。使得异地用户能够协同设计，并且提供多种CAD应用服务，例如设计任务规划、网上虚拟装配等。 3. 智能化 将人工智能（AI）技术，特别是专家系统技术，与传统CAD技术结合起来。 4. 标准化 有利于图形数据交换与融合的各种图形标准化的制订。例如面向图形设备的标准CGI，面向用户的图形标准GKS和PHIGS等。,1.4 CAD系统的硬件,图形输入设备,键盘 鼠标 数字化仪 图形输入板 扫描仪 数码相机 数码摄像机 触摸屏 语音输入设备 数据
8、手套 数据头盔 .,图1-1 CAD系统的基本构成,1.5 CAD系统的软件,用户的应用软件,CAD支撑软件,系统软件,OS,图1-2 CAD软件层次,结 束,CAD支撑软件,教科书P30 典型CAD软件及相应开发公司简介: 1. Dassault 公司/Catia系统 达索(Dassault)是一家法国公司，其开发的并由IBM 负责销售的CAD/CAM/CAE/PDM集成化应用系统Catia. 在世界CAD/CAE/CAM领域处于领先地位,占有广泛的市 场份额.CATIA起源于航空工业,被广泛应用于航空航天、 汽车制造、造船、机械制造等行业. 2. EDS公司/UG UG系统是一个综合性的设
9、计、分析、制造一体化集成 系统，除了CAD/CAE/CAM功能外，还具有计算机辅助,质量控制CAQ，计算机辅助测试CAT，计算机辅助工艺 规划CAPP等功能，是目前市场的主导竞争者之一。 3. PTC公司/Pro/E系统 Pro/E是第一个称为第三代CAD/CAM的系统，它对第二 代CAD/CAM进行了彻底的分析和改造，以全新的概念， 把所有的功能模块在统一的数据库下联系起来，使其在 同一数据结构下工作，提供了所有工程项目之间的全关 联，真正实现了集成化系统。PTC公司是CAD/CAM/CAE 领域最大的软件商，在世界处于领袖地位。PTC公司进入 中国市场较晚，但增长势头很猛,4. SDRC
10、(EDS)公司/I-DEAS系统 I-DEAS软件是一个综合性的集成化CAD/CAE/CAM系 统，也是目前市场上主导竞争者之一。I-DEAS软件以 工程分析功能丰富强大而见长，测试数据分析功能独到 。I-DEAS软件发展到Master Series时，CAM功能有很大 的提高，但与CAD的集成程度不高。 5. Autodesk公司/AutoCAD系统 Autodesk公司在80年代期间成为以绘图为中心的微机机 械CAD的主导供应商。从80年代末期，公司开始研制用 于工作站、企业长期策略的3D机械CAD技术。AutoCAD 软件的CAM功能弱，目前推出了MDT软件，使微机平台 的CAD/CAM
11、系统的应用上了一个台阶。,系统软件,1. 网络通信及管理软件 CAD系统向网络化发展，用户能共享网内全部硬、软件资源。 2. 数据库及数据库管理系统软件 数据库：以一定的组织方式存储在计算机中的相互有关的数据的集合。 数据库管理系统（DBMS）：支持人们建立、使用和修改数据库中 数据的软件。,OS,操作系统OS(operateing system) 1. 功能 OS具有五方面的管理功能： 内存分配管理 文件管理 外部设备管理 作业管理 中断管理,2. 类型,UNIX系统 UNIX系统是1970年由AT&T公司利用与机器无关的C语 言开发的，它是一个多用户多任务分时操作系统。UNIX 系统功能强
12、，可移植性好，是工程工作站广泛采用的操 作系统。 Linux系统 Linux是一个遵循POSIX标准的免费类Unix操作系统，由 芬兰籍的Linus B.Torvalds首创，并有世界上众多的开发 者加入，可运行大多数UNIX程序，更重要的是它源码可 自由使用。目前Linux已有多种发行版本、支持多种CPU， 已经在服务器和桌面应用中占有相当大的市场。,ANSYS软件 由美国ANSYS有限公司开发，ANSYS软件是融结构、热 、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件, 其功能已为全世界所公认。是迄今为止世界范围内唯一 通过ISO9001质量认证的分析设计类软件。 结构分析：线性、非线性
13、结构静力分析；结构动力分 析， 包括模态分析（模态循环对称、预应力模态等） 、 谐波响应分析、瞬态动力响应分析、谱分析、随机振动 分析等；线性及非线性屈曲分析等。,MSC(公司）/NASTRAN软件 是世界上功能全面应用广泛的大型通用结构有限元分析 软件，它可以解决各类结构的强度、刚度、屈曲、模态、 动力学、热力学、非线性、（噪）声学、流体-结构耦合、 气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化等。 NASTRAN程序提供开放式用户开发环境和DMAP语言及 十余种CAD接口，以满足用户的特殊需要。,LS-DYNA软件 简介,LS-DYNA 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种
14、复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。,一直以来，ADINA在计算理论和求解问题的广泛性方面处于全球领先的地位，尤其针对结构非线性、流/固耦合等复杂问题的求解具有强大优势，被业内人士认为是非线性有限元发展方向的先导。经过近20年的商业化开发，ADINA已经成为全球最重要的非线性求解软件，被广泛应用于各个工业领域的工程仿真计算，包括土木建筑、交通运输、石油化工、机械制造、航空航天、汽车、国防军工、船舶、以及科学研究等各个
15、领域。,ADINA 软件简介,ADINA的最早版本出现于1975，在K. J. Bathe博士的带领下，由其研究小组共同开发出ADINA有限元分析软件。ADINA的含义是Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis的首字母缩写，为动力非线性有限元分析，这表达了软件开发者的基本目标，即ADINA除了求解线性问题外，还要具备分析非线性问题的强大功能，包括求解结构以及涉及结构场之外的多场耦合问题。,1986年，K. J. Bathe博士在美国马萨诸塞州Watertown成立ADINA R&D公司，开始ADINA软件商业化发展的历程。实际上ADINA
16、到1984年（ADINA84版）时已经具备基本功能框架，而ADINA公司成立的目标是使其产品ADINA这大型商业有限元求解软件，专注求解结构、流体、流体与结构耦合等复杂非线性问题，并力求程序的求解能力、可靠性、求解效率全球领先。,ABAQUS软件简介,ABAQUS软件公司是世界知名的有限元软件公司，成立于1978年，总部设在罗得岛州普罗维登斯市。 ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结
