[工学]catia教程

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1、水工结构CAD技术,徐明毅 2009,武汉大学水利水电学院,参考文献,1 陈胜宏，陈敏林，赖国伟编著，水工建筑物，中国水利水电出版社，2004 2 汪树玉，刘国华，陈福林，计算机辅助设计，中国水利水电出版社，1998 3 陈敏林，余明辉，宋维胜，水利水电工程CAD技术，武汉大学出版社，2004 4 丁仁亮，CATIA V5基础教程，机械工业出版社，2006,CAD技术概论,1 CAD技术综述 2 计算机辅助图形设计基础,1 CAD技术综述,1.1 CAD任务和内容 1.2 CAD系统的硬件 1.3 CAD系统的软件 1.4 CAD的发展概况 1.5 国内外流行的CAD软件 1.6 水利水电工程

2、CAD现状,1.1 CAD任务和内容,计算机辅助设计（computer-aided-design），简称CAD，是利用计算机系统来辅助工程或产品设计的技术。 是计算机科学和工程科学中各种先进技术的综合运用，反映现代设计方法的集成，是对传统设计方法的革命。,几个名词,CAD：Computer-aided Design，计算机辅助设计 CAE：Computer-aided Engineering，计算机辅助工程 CAM：Computer-aided Manufacture，计算机辅助制造,MIS： Management Information System，管理信息系统 CIMS：Computer

3、 Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统,传统设计,传统的设计： （1）人工综合一个初始方案 （2）结构分析 （3）改进设计 （4）提供设计成果（文件和图纸） 2、3、4多次反复，以优化设计。,缺点,（1）依赖于设计者的经验 （2）依赖于设计规程和规范 （3）存在随意性、主观性 （4）工作量大，无法达到最优方案,CAD技术,利用计算机和人脑的优点，快速优质进行设计 计算机：高速精确的计算能力；大容量存储能力；复杂数据的管理能力 设计者：综合分析能力；符合客观现实的逻辑判断能力；创造性思维,优点,使设计人员从劳动量大、重复枯燥的手工设计中解脱出来，从事

4、更有创造性的工作。 CAD技术直接提高了生产力，引发新的产业革命。,举例,波音777客机的设计系统：采用计算机三维设计与仿真系统CATIA，使用虚拟设计与网络通讯，缩短了设计周期，节约了设计成本。波音787，空客A380等。 刘易斯的钉鞋：建立人体数字模型，测量奔跑时双足压力，优化钉鞋的尺寸，在世锦赛上取得100m/9.86s的成绩。,相关学科,计算机科学：软件，硬件 计算机图形学 数值分析方法 有限元等结构分析方法 优化理论 系统工程 设计方法学等,应具备功能,完备的CAD系统应具有： 科学计算 图形处理 数据处理 分析检验 文档编制 人工智能,发展趋势,范围：从航空、汽车、机械制造扩展到电

5、子电器、化工、土木、水利、交通、纺织、服装、地质、医疗保健等。 使用环境：从以前的大中型机逐步移植到微机上。通过网络进行连接协同工作。 功能：标准化、集成化、智能化方向。,标准化,软件数据信息交换的需要，对资源共享起重要作用，便于不同的软件协同工作。 CORE：1977年提出的图形标准 CGI：计算机图形设备接口 GKS：计算机图形核心系统 IGES：基本图形转换规范,集成化,从单一功能变成综合功能，出现CAD/ CAE/CAM/MIS构成的计算机集成制造系统CIMS。 网络功能和并行计算技术。,智能化,工程数据库、知识库及专家系统融入CAD，形成智能CAD（AICAD），大大提高设计自动化的

6、程度，使设计者在更高层次，更有效率地工作。,返回本章,1.2 CAD系统的硬件,包括主机和外围设备 主机包括CPU、内存等 外围设备包括外存储设备（硬盘、光盘、活动磁盘）、输入设备（键盘、鼠标）、输出设备（显示器、音箱、打印机）,配置方式,分为中心式与分布式两种 早期为中心式，由主机连接许多终端；随着大中型机被PC代替，PC成为处理中心；由于信息交换和协同工作的需要，逐渐通过网络发展为分布式；为降低管理成本，近来又有集中的趋势，形成螺旋发展的轨迹。中心式和分布式混合工作。,返回本章,1.3 CAD系统的软件,是决定CAD系统的效率和使用是否方便的关键因素，分为三个层次： 系统软件：操作系统，语

7、言处理系统 支撑软件：CAD系统的核心软件。包括图形设备驱动程序，几何造型系统，图形软件系统，计算分析软件系统等。 应用软件：针对工程应用开发的软件,返回本章,1.4 CAD的发展概况,在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容 CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期,第一次CAD技术革命,曲面造型系统 进入70年代，飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，既慢且繁的制作过程大大拖延了产品的研发

8、时间。 法国人提出了贝赛尔算法，法国的达索飞机制造公司在二维绘图系统CADAM的基础上，推出了三维曲面造型系统CATIA。,这标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来 80年代初，几乎全世界所有的汽车工业和航空工业都购买过相当数量的CATIA，其结果是CATIA跃居制造业CAD软件榜首，并且保持了许多年。,第二次CAD技术革命,实体造型技术 由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等。 基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DE

9、AS。,由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。 实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，在实际应用中做设计显得比较勉强。,第三次CAD技术革命,参数化技术 80年代中期，CV公司的一些人提出了一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法参数化实体造型方法 特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。,策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp.)，

10、开始研制命名为Pro/E的参数化软件。 进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。,第四次CAD技术革命,变量化技术 把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术，并非完全基于实体，难以全面应用参数化技术。 大量的转换极易导致数据丢失或其它不利条件,SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术 从1990至1993年，历经3年时间，投资一亿多美元，SDRC公司于1993年推出全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。,今后的发展方向是集成化、智能化。 技术发展

11、，永无止境。CAD技术一直处于不断的发展与探索之中。正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天CAD技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。,返回本章,1.5 国内外流行的CAD软件,国外软件 国内软件,国外软件,（1）Unigraphics(UG) ：优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的。 （2）SOLIDEDGE：基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统,（3）AutoCAD ： AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件。在CAD/CAE/CAM工业领域内，Autodesk公司为拥有全球用户量最多的软件供应商。 （4）Micro

12、Station：美国Intergraph公司从工作站移植到PC的二、三维图形设计软件，操作命令丰富。,（5）SolidWorks ：基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。 （6）Pro/Engineer：单一数据库、参数化、基于特征、全相关已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。将设计至生产全过程集成到一起。,（7）I-DEAS ：美国SDRC公司开发，高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。,（8）C

13、ATIA ：该软件是由法国达索(Dassault)飞机公司开发的高端CAD/CAM软件。内容涵盖了产品概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成、生产加工成产品的全过程。该软件在曲面造型方面具有独特的优势，因而广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等行业的复杂曲面造型设计中。,国内软件,（1）高华CAD ：北京高华计算机有限公司推出的CAD产品 ，包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。,（2）CAXA电子图板 ：北京北航海

14、尔软件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)开发。CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，,（3）GS-CAD98 ：浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统。参照SolidWorks的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现了三维零件设计与装配设计，工程图生成的全程关联 。,（4）金银花系统 ：广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。该软件采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接

15、口的技术。,（5）开目CAD ：华中科技大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成。,我国CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。 国外一些优秀软件，如AutoCAD、UG、SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA等，已经占领了很大一部分国内市场。,在微机平台上开发CAD/CAM软件都是使用Visual C+，OpenGL等工具进行软件开发。 CAD/CAM软件不仅要水平高，有自己的特色，更要能够市场化，在市场运作中产生

16、效益，根据用户的需求不断地更新发展软件。,返回本章,1.5 水利水电工程CAD现状,水电工程的特点： 环境因素复杂，涉及专业多：水文、气象、地质、结构、交通、生态 设计过程繁复，工作量巨大：每个工程需几百至上万张图纸 我国水电资源大部分还有待开发，设计任务十分繁重，需要推广CAD技术。,已有成果及差距,现有成果：如中南院开发的拱坝CAD和水能规划CAD，华东院的重力坝CAD，东北院的地面厂房CAD，上海院的弧形闸门CAD等 差距：覆盖面不广，深度不够，主要辅助图纸生产；停留在单项开发上，没有集成化、网络化；自动化、智能化水平有待加强。,返回本章,2 计算机辅助图形设计基础,2.1 基本概念 2.2 交互技术 2.3 二维图形变换 2.4 图形算法基础 2.5 图形表示与几何造型,2.1 基本概念,“图纸是工程师的语言”，计算机制图可以大大提高工作效率和绘图质量。可以参与设计的整个过程，由人和计算机共同完成设计。 计算机辅助图形设计是CAD技术的一个重要组成部分，主要内容包括：图形输入；图形的生成；图形显示和输出。,图形软件组