飞机结构设计课件

计算机辅助设计曾建江zengjj@计算机辅助设计曾建江1计算机辅助设计ComputerAidedDesign（CAD）使用计算机帮助人们进行产品和工程设计领域中的各项工作设计人员通过人一机交互操作的方式进行产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和零件加工信息(工程图纸或数控加工信息等)的输出，以及技术文档和有关技术报告的编制。计算机辅助设计ComputerAidedDesign（CAD/CAM技术是一项综合性的高新技术，该技术的应用和发展，已引起一场深刻的产品设计与制造的技术革命，对产品结构、产业结构、管理结构、生产方式以及人才知识结构等产生重大的影响。

1989年，美国国家工程科学院将CAD/CAM技术评为当代十项最杰出的工程技术成就之一伴随着计算机技术和计算机图形学技术的发展而迅速发展起来的CAD/CAM技术是一项综合性的高新技术，该技术的应用和发展CAD(CAM)技术不能代替人们的设计和制造行为，而只是实现这些行为的先进手段或工具。人们设计和制造行为，则由专业技术人员的创造能力和工作经验，以及现代设计方法等所提供的科学思维方法和实施办法来确定。

CAD(CAM)技术不能代替人们的设计和制造行为，而只是实现CAD系统软件结构专业CAD系统通用CAD系统图形语言连接API：GKS/PHIGS/GLCGI设备相关服务操作系统通信接口非图形设备图形工作站图形设备GKS元文件图形元文件CGMIGES/STEP其他系统内部数据库外部数据库CAD系统软件结构专业CAD系统通用CAD系统图形语言连接内容

CAD硬件 CAD软件系统： 光栅图形学 图形变换

几何造型技术 真实感图形学

图形标准曲线曲面实体参数化特征新的几何建模方法OPENGL图形交换标准内容 CAD硬件曲线曲面OPENGLCAD系统集成化：CAECAPPCAMPDM、CIMS、CE、ERPCAD热点：网络化CAD系统：系统构成、模型压缩智能化CAD系统逆向工程CAD系统集成化：参考文献朱心雄，自由曲线曲面造型技术，科学出版社施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条，北京航空航天大学出版社童秉枢，现代CAD技术，清华大学出版社唐荣锡，CAD/CAM技术，北航出版社蔡青等，CAD/CAM系统的可视化、集成化、智能化、网络化，西北工业大学出版社范玉青，现代飞机制造技术，北航出版参考文献朱心雄，自由曲线曲面造型技术，科学出版社CAD硬件高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。一个图形系统包括：图形处理器图形输出设备图形输入设备构成。CAD硬件高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备CAD软件系统：光栅图形学光栅显示器上显示的图形，称之为光栅图形。光栅显示器象素个数是有限的，象素的颜色和灰度等级也是有限的，象素是有大小的，所以光栅图形只是近似的实际图形。如何使光栅图形最完美地逼近实际图形，便是光栅图形学要研究的内容。CAD软件系统：光栅图形学光栅显示器上显示的图形，称之为光栅CAD软件系统：图形变换几何变换窗口区到视图区的坐标变换二维图形的几何变换三维几何变换图形的投影变换CAD软件系统：图形变换几何变换CAD软件系统：几何造型技术几何造型技术是一种研究在计算机中，如何表达物体模型形状的技术。在几何造型系统中，描述物体的三维模型有三种线框模型表面模型实体模型。CAD软件系统：几何造型技术几何造型技术是一种研究在计算机中数字建模－模型表示方法线框模型

表面模型（注重几何描述，曲面）

实体模型（注重几何体之间的拓扑关系）边界表示（Brep）构造几何表示（CSG）数字建模－模型表示方法线框模型数字建模数字建模，即如何构造、计算几何外形；形状分析，包括曲面的奇性分析、凸性分析、基于有限元的曲线曲面工程可用性分析等；

形状修正与变形，即在形状分析的基础上修改模型，直至满足设计者的意图。数字建模数字建模，即如何构造、计算几何外形；数字建模数字建模曲面造型技术曲面造型技术的研究领域包括曲面求交

曲面拼接

曲面变形

曲面重建

曲面简化

曲面转换

曲面位差

曲面表示

曲面造型技术曲面造型技术的研究领域包括曲面造型技术在曲面的表示方法上，曲面造型技术大致包括以下几类：

参数曲面造型技术

隐式曲面造型技术细分曲面造型技术变形曲面造型技术基于形状混合的曲面造型技术其它曲面造型技术曲面造型技术在曲面的表示方法上，曲面造型技术大致包曲面造型技术:参数曲线曲面描述曲线参数三次样条Bezier曲线B样条曲线NURBS－－非均匀有理B样条曲线曲面Ferguson曲面Coons曲面Bezier曲面B样条曲面NURBS曲面曲面造型技术:参数曲线曲面描述曲线NURBS曲面（90个）NURBS曲面（90个）具有几何运算下的封闭性；

定义了一个半空间，将空间分为：

曲面的内侧

曲面的外侧

曲面之上

用于计算机动画中，如人体的肌肉、水滴、云、烟等物体的造型和表现．曲面造型技术:隐式曲面造型技术

具有几何运算下的封闭性；定义了一个半空间，将空间分为：形状修改修改控制顶点、微分几何特性权因子、重节点、重顶点裁减（Trim）过渡（Blend）布尔操作（Bool）形状修改修改控制顶点、微分几何特性切矢的修改切矢的修改CAGD目前的研究热点计算机辅助几何设计（CAGD）曲面造型新方法曲面转换

复杂形体建模约束求解CAGD目前的研究热点计算机辅助几何设计（CAGD）曲面造型新方法传统NURBS造型，仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面形状，修改不方便设计方法有扫掠法(Sweeping)，蒙皮法(Skinning)，放样(Lofting)法和旋转法，修改时调整生成曲线形状来改变曲面形状现有造型手段过于简单、不便用户使用，难以实现曲面的有效修改曲面造型新方法传统NURBS造型，仅允许调整控制顶点或权因子变形曲面造型技术1986,Sederberg和Parry:自由变形(Free-FormDeformation,FFD);

1990,Coquillart:广义FFD方法(ExtendedFree-FormDeformation,EFFD);

1992,Hsu等:直接操纵物体变形的方法(DirectManipulationofFree-FormDeformation,DFFD);

1982,Barr:拉伸、均匀张缩、扭转和弯曲等变形的数学表示（非自由变形）

;

B样条表示的变形造型;RFFD;轴变形方法(AxialDeformation)等.

变形造型：假定物体有很好的弹性，在外力（拉深、压缩、扭转、弯曲）的作用下，要发生变形变形曲面造型技术1986,Sederberg和Parry自由变形法自由变形法能量优化法（MinimalEnergy）以曲线曲面拥有最小物理变形能为目标，运用各种约束及施加外载荷的方式控制曲线曲面造型方法首先要解决的是确定优化过程的目标函数（从物理变形能、从几何性质出发）约束条件：型值点、切矢、法矢、几何连续性等数学规划法求解优化结果能量优化法（MinimalEnergy）以曲线曲面拥有最小细分曲面2M3M0M1Ms初始控制网格网格序列的极限kM细分曲面2M3M0M1Ms初始控制网格网格序列初始网格几何规则拓扑规则细分极限曲面

初始网格几何规则拓扑规则细分极限曲面Geri’sGameGeri’sGame基于形状混合的曲面造型技术ShapeBlending、ShapeInterpolation、ShapeAveraging、ShapeTransition、ShapeEvolving、Morphing/MetamorphosisAB根据处理对象不同，形状混合技术的研究主要有以下几个方面:二维曲线或多边形的形状混合技术；二维图象混合方法和基于体素的三维物体混合方法；三维曲面的形状混合技术．

基于形状混合的曲面造型技术ShapeBlending、其它曲面造型技术PDE曲面、能量优化、流曲线曲面造型技术；

散乱点曲面拟合造型方法、蒙皮(Skinning)造型技术、广义Sweeping造型技术、基于变分原理的造型技术、分形造型技术、小波曲线曲面的造型方法等．

其它曲面造型技术PDE曲面、能量优化、流曲线曲面造型技术当今CAD/CAM软件

国外高端中低端国内当今CAD/CAM软件国外综合型:三维实体特征参数化造型

CATIA

——IBM和Dassault达索系统公司

Pro/Engineer——PTCUG——EDS功能全：曲面、实体三维设计、装配、CAM、工程图绘制、工程分析等，包含专业设计模块如：钣金设计、模具设计、管道设计、曲面反求从设计、分析到制造，贯穿整个产品生命周期综合型:三维实体特征参数化造型CATIA

——IBM和D中档

SOLID

EDGE——EDSSOLID

WORKS——IBM和DassaultInventor（MDT）——Autodesk功能少：一般有三维实体设计、装配、仿真、高级渲染、工程绘图但一般没有CAM、曲面造型、有限元分析模块少：solidedge有钣金设计、管道设计、焊接设计模块用户界面友好、易操作、价格低

中档SOLID

EDGE——EDS功能少：一般有三维实体专业型

反求软件，大型软件中的一个模块Surfacer——Imageware(EDS)平面变立体立体浮雕CAD/CAM系统

ARTCAM——英国DELCAM公司二维视图建三维实体

MicroCADAM

/

Helix——CSC公司（CADAM）专业型反求软件，大型软件中的一个模块国内CAXA（二维、三维）中科院凯思博宏PICAD（二维）广东高华（二维）北航和广州红地的金银花（ACIS平台）国内CAXA（二维、三维）主流的几何平台ACIS－SpatialParasolid－UGSGraniteone－PTCCAA－CatiaShapemanager－Autodesk主流的几何平台ACIS－SpatialCAD软件系统：真实感图形学真实感图形学是计算机图形学中的一个重要组成部分，它的基本要求就是在计算机中生成三维场景的真实感图形（或图象）。随着计算机图形学和计算机技术的发展，真实感图形学在我们的日常工作、学习和生活中已经有了非常广泛的应用。计算机辅助、多媒体教育、虚拟现实系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等许多方面，真实感图形学都发挥了重要的作用CAD软件系统：真实感图形学真实感图形学是计算机图形学中的一飞机结构设计课件CAD软件系统：图形标准应用程序员接口API：GKS，PHIGS，OPENGL语言连接规范计算机图形接口的标准化：设备无关图形数据交换标准：IGES、STEPCAD软件系统：图形标准应用程序员接口API：GKS，PHICAD/CAM技术的作用建立一个产品的CAD系统，即建立一种新的设计和生产技术管理体制组织平行作业产品设计阶段用三维几何模型模拟零件、部件、设备的装配和安装，及早发现结构布局和系统安装的空间安干涉组织迅速有效的发图更改。进行产品的性能仿真提前进行产品的外观造型设计CAD/CAM技术的作用建立一个产品的CAD系统，即建立一种CAD/CAM软件产业特点高投入、高效益、高风险注意：全盘吸收已有的软件开发成果把握时机不断创新发挥优势，独树一帜注意技术积累形成巩固的技术和经营核心CAD/CAM软件产业特点高投入、高效益、高风险CAD软件发展计算机图形系统：用来绘制或显示直线、圆弧或曲线组成的二、三维图形工程绘图系统：可交互绘制各种工程图纸模仿技术人员的手工设计，效率低，不直观几何造型系统：三维几何造型向集成化、特征造型和参数化发展产品模型系统支持产品生命周期统一的数据模型CAD软件发展计算机图形系统：用来绘制或显示直线、圆弧或曲线从二维绘图到三维建模；从零件设计到产品设计；从建物理样机到电子虚拟样机；从工程分析到产品优化以及串行作业到并行工程的过程。

从二维绘图到三维建模；飞机结构设计课件飞机结构设计课件飞机结构设计课件飞机结构设计课件飞机结构设计课件

CAD技术的发展趋势

CAD和CAM系统的集成化

(1)

提高CAD系统的集成度，即要求在整个产品设计过程中的各个阶段，每一设计步骤都能有效地使用CAD技术，这就要求一个CAD系统(硬件和软件)的功能要齐全，软件集成度要高；(2)

CAD和CAM集成，即要求设计信息能自动地转换成CAM系统的信息；（3）CAX的集成。

CAD技术的发展趋势CAD和CAM系统的集成化飞机结构设计课件发展趋势：CAD系统的智能化

产品设的过程是一个复杂的综合、分析和反复修改的过程，设计人员只有具备多学科的专门知识与丰富的经验才能得到一个较佳的设计结果。产品设计是一项创造性的活动，设计过程中很多工作是非数据计算性的，不是以数学公式为核心的，而是通过反复思考、推理和判断来解决的目前以分析计算和图形为核心的CAD系统是不能解决上述问题的。对于同一设计对象，由于设计人员的不同，可能设计出不同的结果，即设计结果与设计者的经验和掌握专业知识的程度有关。

发展趋势：CAD系统的智能化产品设的过程是一个复杂的综合特别是在概念设计和构思及评价阶段，专家在该领域的经验十分重要，而在这一阶段还没有条件采用仿真技术来处理。在CAD系统中引进人工智能(ArtificialIntelligeuce)技术专家系统(ExpertSystem)是将人工智能技术首先引入产品设计领域的。

特别是在概念设计和构思及评价阶段，专家在该领域的经验十分重要（1）专家系统

（1）专家系统飞机结构设计课件发展趋势：CAD软件的标准化

CAD软件的标准化，其实是指图形软件的标准。图形标准是一组由基本图素(点、线和面)与图形属性(线型和颜色等)构成的通用标准图形系统。当应用程序调用这些图形标准子程序时即可生成图形和图像，并通过交互显示设备实现图形的输入和输出

发展趋势：CAD软件的标准化CAD软件的标准化，其实是指发展趋势：CAD系统的网络化(1)共享网络资源。在网络内的各台计算机可以共享程序和数据及其他资源。(2)平衡负载。当在网络上的某台计算机工作特别繁重时，可把一部分工作分配到其他计算机去完成，特别是要处理复杂计算或图形时，可把这些任务交给具有高速计算能力和处理图形能力强的计算机。(3)提高系统的性能价格比。在网络系统中可用一些小型机、工作站和微机来代替价格昂贵的大型计算机，它们共同完成要在大型机上处理的工作任务。(4)提供远距离的数据通信介质。

发展趋势：CAD系统的网络化(1)共享网络资源。在网络内CAD硬件高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。一个图形系统包括：图形处理器图形输出设备输入设备构成。CAD硬件高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备CAD硬件系统工作站和个人计算机图形显示器图形处理器图形输入设备图形输出设备CAD硬件系统工作站和个人计算机图形显示设备的发展：画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器图形显示设备的发展：画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器图形显示设备绝大多数是基于阴极射线管(CRTCathode－RayTube)的监视器

存储管式显示器，随机扫描显示器(又称矢量显示器)，但是这些显示器的缺点是很明显的，图形表现能力也很弱

光栅扫描显示器是图形显示技术走向成熟的一个标志

图形显示设备绝大多数是基于阴极射线管(CRTCathode光栅扫描的显示系统光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期光栅扫描的显示系统光栅扫描显示系统绘图过程绘图过程分辨率：显示质量和存储数据量屏幕分辨率：屏幕最大区域内水平扫描线数和每线上的点数（垂直象素数）图像分辨率：象素分辨率：象素点的宽度与长度的比例点间距：用毫米度量的一个象素点中心到下一个象素点中心的距离分辨率：显示质量和存储数据量17英寸，显示区域：12.901x9.675对角线16.125英寸，分辨率1024x768点间距：dp[水平]=(12.901/1024)x25.4mm=0.32mmdp[垂直]=(9.675/768)x25.4mm=0.32mm17英寸，显示区域：12.901x9.675柱面、球面点距定义示意图柱面、球面点距定义示意图带宽T与分辨率、帧频F的关系带宽＝刷新率x分辨率/0.744带宽问题高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽--依然是个问题！解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流 显示器都采用逐行扫描方式）隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场场频：==2*帧频彩显：带宽T与分辨率、帧频F的关系彩显：图形输入设备键盘鼠标跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择。数据手套则是通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。图形输入设备键盘在线虚拟现实飞机结构设计课件数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备，其基本工作原理是采用电磁感应技术。图形扫描仪是直接把图形和图象扫描到计算机中以象素信息进行存储的设备。三维扫描仪数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备，其三维扫描仪(测量机)分类接触式三坐标测量机（CMMcoordinatemeasuremachine）机械手非接触式光学测量声学测量磁学测量破坏式——自动断层扫描三维扫描仪(测量机)分类接触式接触式测量机工作方式：点触发，连续或间断式数据采集特点：不受物体表面颜色及光照的限制，对物体边界也能产生准确的测量结果缺点：由于测头的限制，可能丢失某些测头不可到达的细节数据不能测量软材料测量速度受到机构运动的限制接触式测量机工作方式：点触发，连续或间断式数据采集CMM意大利COORD3公司半桥式CMM测量机CMM意大利COORD3公司半桥式CMM测量机龙门式CMM龙门式CMM机械手式测量机测量方法：操作者手持测量手臂，末端探针接触被测量物体表面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，通过串口线传到各种软件包上FaroARM手动式

机械手式测量机测量方法：操作者手持测量手臂，末端探针接触被测Cimcore手动式Cimcore接触式测量数据接触式测量数据光学测量机激光三角形法

激光测距法

投影光栅法

图像分析法

特点：高速测量，短时间内测量大量的点缺点：对表面粗糙和表面漫反射率敏感（如透明、）光学测量机激光三角形法特点：高速测量，短时间内测量大量的点3DScanners3DScannersCyberWare测量机CyberWare测量机ATOS流动光学三坐标测量系统ATOS流动光学三坐标测量系统飞机结构设计课件Atos测量数据Atos测量数据飞机结构设计课件自动断层扫描逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法将待测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）完全封装，待树脂固化后，固定到铣床上，进行微吃刀量切削，得到包含零件和树脂材料的截面，移到CCD摄像机下，对当前截面进行采样量化，由于封装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边缘提取、纹理分析、二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓提取，得到各轮廓的坐标值。重复步骤2、3，再到铣床上切削，再分析。

自动断层扫描逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法飞机结构设计课件测量中的问题精度标定透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感误差不可测量性阴影、障碍物，夹具多个视点测量，再进行多视拼合测量噪声

被测物体表面特征的影响光洁度、表面涂层对光线的反射率头发测量，粗糙表面的典型实例测量中的问题精度标定图形输出设备打印机针打喷墨激光技术指标速度DPI对象类型图形输出设备打印机飞机结构设计课件图形输出设备绘图机平板式平面电机式滚筒式技术指标速度精度步距功能指标图形输出设备绘图机飞机结构设计课件计算机辅助设计曾建江zengjj@计算机辅助设计曾建江93计算机辅助设计ComputerAidedDesign（CAD）使用计算机帮助人们进行产品和工程设计领域中的各项工作设计人员通过人一机交互操作的方式进行产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和零件加工信息(工程图纸或数控加工信息等)的输出，以及技术文档和有关技术报告的编制。计算机辅助设计ComputerAidedDesign（CAD/CAM技术是一项综合性的高新技术，该技术的应用和发展，已引起一场深刻的产品设计与制造的技术革命，对产品结构、产业结构、管理结构、生产方式以及人才知识结构等产生重大的影响。

1989年，美国国家工程科学院将CAD/CAM技术评为当代十项最杰出的工程技术成就之一伴随着计算机技术和计算机图形学技术的发展而迅速发展起来的CAD/CAM技术是一项综合性的高新技术，该技术的应用和发展CAD(CAM)技术不能代替人们的设计和制造行为，而只是实现这些行为的先进手段或工具。人们设计和制造行为，则由专业技术人员的创造能力和工作经验，以及现代设计方法等所提供的科学思维方法和实施办法来确定。

CAD(CAM)技术不能代替人们的设计和制造行为，而只是实现CAD系统软件结构专业CAD系统通用CAD系统图形语言连接API：GKS/PHIGS/GLCGI设备相关服务操作系统通信接口非图形设备图形工作站图形设备GKS元文件图形元文件CGMIGES/STEP其他系统内部数据库外部数据库CAD系统软件结构专业CAD系统通用CAD系统图形语言连接内容

CAD硬件 CAD软件系统： 光栅图形学 图形变换

几何造型技术 真实感图形学

图形标准曲线曲面实体参数化特征新的几何建模方法OPENGL图形交换标准内容 CAD硬件曲线曲面OPENGLCAD系统集成化：CAECAPPCAMPDM、CIMS、CE、ERPCAD热点：网络化CAD系统：系统构成、模型压缩智能化CAD系统逆向工程CAD系统集成化：参考文献朱心雄，自由曲线曲面造型技术，科学出版社施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条，北京航空航天大学出版社童秉枢，现代CAD技术，清华大学出版社唐荣锡，CAD/CAM技术，北航出版社蔡青等，CAD/CAM系统的可视化、集成化、智能化、网络化，西北工业大学出版社范玉青，现代飞机制造技术，北航出版参考文献朱心雄，自由曲线曲面造型技术，科学出版社CAD硬件高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。一个图形系统包括：图形处理器图形输出设备图形输入设备构成。CAD硬件高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备CAD软件系统：光栅图形学光栅显示器上显示的图形，称之为光栅图形。光栅显示器象素个数是有限的，象素的颜色和灰度等级也是有限的，象素是有大小的，所以光栅图形只是近似的实际图形。如何使光栅图形最完美地逼近实际图形，便是光栅图形学要研究的内容。CAD软件系统：光栅图形学光栅显示器上显示的图形，称之为光栅CAD软件系统：图形变换几何变换窗口区到视图区的坐标变换二维图形的几何变换三维几何变换图形的投影变换CAD软件系统：图形变换几何变换CAD软件系统：几何造型技术几何造型技术是一种研究在计算机中，如何表达物体模型形状的技术。在几何造型系统中，描述物体的三维模型有三种线框模型表面模型实体模型。CAD软件系统：几何造型技术几何造型技术是一种研究在计算机中数字建模－模型表示方法线框模型

表面模型（注重几何描述，曲面）

实体模型（注重几何体之间的拓扑关系）边界表示（Brep）构造几何表示（CSG）数字建模－模型表示方法线框模型数字建模数字建模，即如何构造、计算几何外形；形状分析，包括曲面的奇性分析、凸性分析、基于有限元的曲线曲面工程可用性分析等；

形状修正与变形，即在形状分析的基础上修改模型，直至满足设计者的意图。数字建模数字建模，即如何构造、计算几何外形；数字建模数字建模曲面造型技术曲面造型技术的研究领域包括曲面求交

曲面拼接

曲面变形

曲面重建

曲面简化

曲面转换

曲面位差

曲面表示

曲面造型技术曲面造型技术的研究领域包括曲面造型技术在曲面的表示方法上，曲面造型技术大致包括以下几类：

参数曲面造型技术

隐式曲面造型技术细分曲面造型技术变形曲面造型技术基于形状混合的曲面造型技术其它曲面造型技术曲面造型技术在曲面的表示方法上，曲面造型技术大致包曲面造型技术:参数曲线曲面描述曲线参数三次样条Bezier曲线B样条曲线NURBS－－非均匀有理B样条曲线曲面Ferguson曲面Coons曲面Bezier曲面B样条曲面NURBS曲面曲面造型技术:参数曲线曲面描述曲线NURBS曲面（90个）NURBS曲面（90个）具有几何运算下的封闭性；

定义了一个半空间，将空间分为：

曲面的内侧

曲面的外侧

曲面之上

用于计算机动画中，如人体的肌肉、水滴、云、烟等物体的造型和表现．曲面造型技术:隐式曲面造型技术

具有几何运算下的封闭性；定义了一个半空间，将空间分为：形状修改修改控制顶点、微分几何特性权因子、重节点、重顶点裁减（Trim）过渡（Blend）布尔操作（Bool）形状修改修改控制顶点、微分几何特性切矢的修改切矢的修改CAGD目前的研究热点计算机辅助几何设计（CAGD）曲面造型新方法曲面转换

复杂形体建模约束求解CAGD目前的研究热点计算机辅助几何设计（CAGD）曲面造型新方法传统NURBS造型，仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面形状，修改不方便设计方法有扫掠法(Sweeping)，蒙皮法(Skinning)，放样(Lofting)法和旋转法，修改时调整生成曲线形状来改变曲面形状现有造型手段过于简单、不便用户使用，难以实现曲面的有效修改曲面造型新方法传统NURBS造型，仅允许调整控制顶点或权因子变形曲面造型技术1986,Sederberg和Parry:自由变形(Free-FormDeformation,FFD);

1990,Coquillart:广义FFD方法(ExtendedFree-FormDeformation,EFFD);

1992,Hsu等:直接操纵物体变形的方法(DirectManipulationofFree-FormDeformation,DFFD);

1982,Barr:拉伸、均匀张缩、扭转和弯曲等变形的数学表示（非自由变形）

;

B样条表示的变形造型;RFFD;轴变形方法(AxialDeformation)等.

变形造型：假定物体有很好的弹性，在外力（拉深、压缩、扭转、弯曲）的作用下，要发生变形变形曲面造型技术1986,Sederberg和Parry自由变形法自由变形法能量优化法（MinimalEnergy）以曲线曲面拥有最小物理变形能为目标，运用各种约束及施加外载荷的方式控制曲线曲面造型方法首先要解决的是确定优化过程的目标函数（从物理变形能、从几何性质出发）约束条件：型值点、切矢、法矢、几何连续性等数学规划法求解优化结果能量优化法（MinimalEnergy）以曲线曲面拥有最小细分曲面2M3M0M1Ms初始控制网格网格序列的极限kM细分曲面2M3M0M1Ms初始控制网格网格序列初始网格几何规则拓扑规则细分极限曲面

初始网格几何规则拓扑规则细分极限曲面Geri’sGameGeri’sGame基于形状混合的曲面造型技术ShapeBlending、ShapeInterpolation、ShapeAveraging、ShapeTransition、ShapeEvolving、Morphing/MetamorphosisAB根据处理对象不同，形状混合技术的研究主要有以下几个方面:二维曲线或多边形的形状混合技术；二维图象混合方法和基于体素的三维物体混合方法；三维曲面的形状混合技术．

基于形状混合的曲面造型技术ShapeBlending、其它曲面造型技术PDE曲面、能量优化、流曲线曲面造型技术；

散乱点曲面拟合造型方法、蒙皮(Skinning)造型技术、广义Sweeping造型技术、基于变分原理的造型技术、分形造型技术、小波曲线曲面的造型方法等．

其它曲面造型技术PDE曲面、能量优化、流曲线曲面造型技术当今CAD/CAM软件

国外高端中低端国内当今CAD/CAM软件国外综合型:三维实体特征参数化造型

CATIA

——IBM和Dassault达索系统公司

Pro/Engineer——PTCUG——EDS功能全：曲面、实体三维设计、装配、CAM、工程图绘制、工程分析等，包含专业设计模块如：钣金设计、模具设计、管道设计、曲面反求从设计、分析到制造，贯穿整个产品生命周期综合型:三维实体特征参数化造型CATIA

——IBM和D中档

SOLID

EDGE——EDSSOLID

WORKS——IBM和DassaultInventor（MDT）——Autodesk功能少：一般有三维实体设计、装配、仿真、高级渲染、工程绘图但一般没有CAM、曲面造型、有限元分析模块少：solidedge有钣金设计、管道设计、焊接设计模块用户界面友好、易操作、价格低

中档SOLID

EDGE——EDS功能少：一般有三维实体专业型

反求软件，大型软件中的一个模块Surfacer——Imageware(EDS)平面变立体立体浮雕CAD/CAM系统

ARTCAM——英国DELCAM公司二维视图建三维实体

MicroCADAM

/

Helix——CSC公司（CADAM）专业型反求软件，大型软件中的一个模块国内CAXA（二维、三维）中科院凯思博宏PICAD（二维）广东高华（二维）北航和广州红地的金银花（ACIS平台）国内CAXA（二维、三维）主流的几何平台ACIS－SpatialParasolid－UGSGraniteone－PTCCAA－CatiaShapemanager－Autodesk主流的几何平台ACIS－SpatialCAD软件系统：真实感图形学真实感图形学是计算机图形学中的一个重要组成部分，它的基本要求就是在计算机中生成三维场景的真实感图形（或图象）。随着计算机图形学和计算机技术的发展，真实感图形学在我们的日常工作、学习和生活中已经有了非常广泛的应用。计算机辅助、多媒体教育、虚拟现实系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等许多方面，真实感图形学都发挥了重要的作用CAD软件系统：真实感图形学真实感图形学是计算机图形学中的一飞机结构设计课件CAD软件系统：图形标准应用程序员接口API：GKS，PHIGS，OPENGL语言连接规范计算机图形接口的标准化：设备无关图形数据交换标准：IGES、STEPCAD软件系统：图形标准应用程序员接口API：GKS，PHICAD/CAM技术的作用建立一个产品的CAD系统，即建立一种新的设计和生产技术管理体制组织平行作业产品设计阶段用三维几何模型模拟零件、部件、设备的装配和安装，及早发现结构布局和系统安装的空间安干涉组织迅速有效的发图更改。进行产品的性能仿真提前进行产品的外观造型设计CAD/CAM技术的作用建立一个产品的CAD系统，即建立一种CAD/CAM软件产业特点高投入、高效益、高风险注意：全盘吸收已有的软件开发成果把握时机不断创新发挥优势，独树一帜注意技术积累形成巩固的技术和经营核心CAD/CAM软件产业特点高投入、高效益、高风险CAD软件发展计算机图形系统：用来绘制或显示直线、圆弧或曲线组成的二、三维图形工程绘图系统：可交互绘制各种工程图纸模仿技术人员的手工设计，效率低，不直观几何造型系统：三维几何造型向集成化、特征造型和参数化发展产品模型系统支持产品生命周期统一的数据模型CAD软件发展计算机图形系统：用来绘制或显示直线、圆弧或曲线从二维绘图到三维建模；从零件设计到产品设计；从建物理样机到电子虚拟样机；从工程分析到产品优化以及串行作业到并行工程的过程。

从二维绘图到三维建模；飞机结构设计课件飞机结构设计课件飞机结构设计课件飞机结构设计课件飞机结构设计课件

CAD技术的发展趋势

CAD和CAM系统的集成化

(1)

提高CAD系统的集成度，即要求在整个产品设计过程中的各个阶段，每一设计步骤都能有效地使用CAD技术，这就要求一个CAD系统(硬件和软件)的功能要齐全，软件集成度要高；(2)

CAD和CAM集成，即要求设计信息能自动地转换成CAM系统的信息；（3）CAX的集成。

CAD技术的发展趋势CAD和CAM系统的集成化飞机结构设计课件发展趋势：CAD系统的智能化

产品设的过程是一个复杂的综合、分析和反复修改的过程，设计人员只有具备多学科的专门知识与丰富的经验才能得到一个较佳的设计结果。产品设计是一项创造性的活动，设计过程中很多工作是非数据计算性的，不是以数学公式为核心的，而是通过反复思考、推理和判断来解决的目前以分析计算和图形为核心的CAD系统是不能解决上述问题的。对于同一设计对象，由于设计人员的不同，可能设计出不同的结果，即设计结果与设计者的经验和掌握专业知识的程度有关。

发展趋势：CAD系统的智能化产品设的过程是一个复杂的综合特别是在概念设计和构思及评价阶段，专家在该领域的经验十分重要，而在这一阶段还没有条件采用仿真技术来处理。在CAD系统中引进人工智能(ArtificialIntelligeuce)技术专家系统(ExpertSystem)是将人工智能技术首先引入产品设计领域的。

特别是在概念设计和构思及评价阶段，专家在该领域的经验十分重要（1）专家系统

（1）专家系统飞机结构设计课件发展趋势：CAD软件的标准化

CAD软件的标准化，其实是指图形软件的标准。图形标准是一组由基本图素(点、线和面)与图形属性(线型和颜色等)构成的通用标准图形系统。当应用程序调用这些图形标准子程序时即可生成图形和图像，并通过交互显示设备实现图形的输入和输出

发展趋势：CAD软件的标准化CAD软件的标准化，其实是指发展趋势：CAD系统的网络化(1)共享网络资源。在网络内的各台计算机可以共享程序和数据及其他资源。(2)平衡负载。当在网络上的某台计算机工作特别繁重时，可把一部分工作分配到其他计算机去完成，特别是要处理复杂计算或图形时，可把这些任务交给具有高速计算能力和处理图形能力强的计算机。(3)提高系统的性能价格比。在网络系统中可用一些小型机、工作站和微机来代替价格昂贵的大型计算机，它们共同完成要在大型机上处理的工作任务。(4)提供远距离的数据通信介质。

发展趋势：CAD系统的网络化(1)共享网络资源。在网络内CAD硬件高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。一个图形系统包括：图形处理器图形输出设备输入设备构成。CAD硬件高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备CAD硬件系统工作站和个人计算机图形显示器图形处理器图形输入设备图形输出设备CAD硬件系统工作站和个人计算机图形显示设备的发展：画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器图形显示设备的发展：画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器图形显示设备绝大多数是基于阴极射线管(CRTCathode－RayTube)的监视器

存储管式显示器，随机扫描显示器(又称矢量显示器)，但是这些显示器的缺点是很明显的，图形表现能力也很弱

光栅扫描显示器是图形显示技术走向成熟的一个标志

图形显示设备绝大多数是基于阴极射线管(CRTCathode光栅扫描的显示系统光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期光栅扫描的显示系统光栅扫描显示系统绘图过程绘图过程分辨率：显示质量和存储数据量屏幕分辨率：屏幕最大区域内水平扫描线数和每线上的点数（垂直象素数）图像分辨率：象素分辨率：象素点的宽度与长度的比例点间距：用毫米度量的一个象素点中心到下一个象素