本科学习课件

机械CAD熊鹰xyswjtu@1课程内容机械CAD技术概况机械CAD图形学基础参数化绘图及设计三维建模技术基础CAE应用基础OpenGL开发基础2机械CAD课程目标在学习以上通用设计技术的同时，结合机械设计领域，介绍其实际应用，初步培养开发实用机械CAD系统的能力。

通过本课程的学习，能够了解和掌握机械CAD技术的基本理论和基础知识；掌握机械CAD系统常用软件二次开发方法；具有进行机械CAD系统规划与实施的初步能力。在未来的工作中能够通过进一步学习，较快的掌握机械CAD深入的应用技术。3机械CAD课程特点本门课是一门理论性与实践性都较强的综合性专业课，涉及的知识面广。在学习过程中，要综合运用相关基础理论，通过习题、上机等环节，获得机械CAD技术的基本理论和基础知识，培养解决实际问题的能力。4机械CAD学习方法掌握机械CAD技术的基本原理与方法重视机械CAD技术的实际应用跟踪机械CAD技术的发展前沿5机械CAD先修课程绘图基础：机械制图、计算机绘图设计基础：机械设计高级程序设计语言6机械CAD教材参考教材：肖刚等.机械CAD原理与实践（第2版）.清华大学出版社，2006

童秉枢等.机械CAD技术基础（第3版）.清华大学出版社，20087机械CAD软件AutoCADR2004及以上版本SolidEdge或SolidWorks或Pro/EngineerANSYSOpenGL+VisualC++8机械CAD考核方式

平时30％期末考试(开卷)70％9机械CAD第一章概论10学习要点设计与CAD技术的关系计算机辅助设计与计算机图形学之间的关系机械CAD技术的发展历史机械CAD技术的应用机械CAD技术的特点机械CAD技术的发展趋势11机械CAD1.

CAD技术与现代产品设计

1972年10月，国际信息处理联合会在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上对CAD提出了以下的定义：CAD是一种技术，其中人与机（计算机）结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科的方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。

12机械CADCAD是一个人机结合的求解系统，是现代设计相关学科综合运用的体现。CAD（ComputerAidedDesign）即使用计算机帮助人们进行产品和工程设计。13机械CAD单级圆柱减速器设计传动方案拟定电机选择计算总传动比及分配各级传动比运动参数及动力参数计算传动零件设计计算轴设计计算滚动轴承选择及校核计算键联接选择及计算……14机械CAD产品开发流程设计任务书

概念设计总体方案拟定方案论证需求分析与可行性研究15机械CAD详细设计工艺设计加工制造性能测试设计定型设计完善16机械CAD传统的机械设计过程的特点：每一个环节都是依靠设计者用手工方式来完成的。经验设计者的大部分时间和精力都耗费在装配图和零部件工作图的绘制上（70%），方案的拟订取决于设计者的个人经验，分析计算粗糙，设计工作周期长，效率低。17机械CAD传统的设计过程是一个“设计-评价-再设计”的反复迭代、不断优化的过程，在人工设计情况下，设计周期长，因此实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切要求，正是在这样的背景下产生了计算机辅助设计（CAD）。18机械CADCAD过程模型提出设计任务确定设计目标设计综合分析计算审核检验表达设计结果建立设计模型设计人员设计经验专家知识决策能力产品模型工程分析动态模拟自动绘图NCP计算机系统CAD系统硬件基础软件数据库知识库：算法图形库19机械CAD 设计是产品从设计、制造、装配、销售和生命周期的第一个和最重要的环节，因为产品的成本75%在设计阶段决定的，产品的性能80%是在设计阶段决定的。 机械CAD就是在机械设计领域采用CAD设计方法。机械设计CAD是CAD技术应用重要领域。

20机械CAD几个相关的概念CAD(ComputerAidedDesign)计算机辅助设计CAD(ComputerAidedDrafting)计算机辅助绘图：产生各种图形、存储、调用、编辑、修改CAM(ComputerAidedManufacturing)计算机辅助制造CAE(ComputerAidedEngineering)计算机辅助工程：分析、计算。有限元法、优化设计、仿真21机械CAD几个相关的概念CAPP(ComputerAidedProcessPlanning)计算机辅助工艺设计：设计与制造之间的桥梁，确定加工方法，加工顺序，工、夹、量具以及切削条件等。CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)计算机集成制造系统22机械CAD2.

CAD的发展

CAD技术的核心和基础是计算机图形处理技术，CAD技术的发展与计算机图形学的发展密切相关，并伴随着计算机及其外围设备的发展而发展。计算机图形学(ComputerGraphics)是研究通过计算机将数据转换成图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的学科，其有关图形处理的理论和方法构成了CAD技术的重要基础。 23机械CAD1950年，美国麻省理工学院(MIT)诞生了旋风I号(WhirlwindI)计算机及其显示器。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。 24机械CAD五十年代中期，美国战术防空系统SAGE(SemiAutomaticGroundEnvironment)则是第一个使用具有命令和控制功能的CRT显示控制台的系统；在显示器上，操作员可以用光笔在屏幕上指出被确定的目标。 25机械CAD在整个50年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，它预示着交互式计算机图形学的诞生。26机械CAD1962年，在美国亚特兰大市召开的美国计算机会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan.E.Sutherland

宣读了他的博士论文研究内容“Sketchpad:一个人机交互的图形系统”，文中首次使用了“ComputerGraphics”这一术语，证明交互式计算机图形学是一个可行且有用的研究领域，从而确定计算机图形学作为一个崭新科学分支的地位。奠定了计算机图形学的基础，并开始出现CAD这一术语。

27机械CAD28机械CAD1965，Ivan.E.Sutherland

又发表著名论文“UltimateDisplay”（终极显示），提出了计算机图形学的发展方向。因此，Ivan.E.Sutherland

被公认为是交互图形生成技术的奠定人。他也为此荣获1988年图灵奖。Sutherland在1968左右发明了HMD，HeadMountedDisplay，即头盔显示器－VR应用29机械CAD不久，美国通用汽车公司和IBM公司率先设计了DAC-1

（DesignAutomatedbyComputer

）系统，利用计算机来设计汽车外形与结构，可以说是CAD技术用于工程设计的最早例子（第一个商用CAD系统）。但由于当时刷新式图形显示器价格十分昂贵，因此CAD系统很难普及与推广。 30机械CAD60年代后期存储管式显示器以其低廉的价格进入市场，使CAD系统的成本一下子下降了许多，变得能为许多企业所接受。于是出现了一批厂商，他们将硬、软件放在一起成套出售，即所谓Turnkey系统（交钥匙系统），并很快形成了CAD/CAM产业。31机械CAD70年代。计算机交互图形技术日渐成熟并在工业界日益得到应用。此时各种论文、文献、教程及学术会议大量涌现。整个70年代是计算机图形学及计算机绘图获得广泛应用的时代。但此时它们大多数还是16位机上的三维线框系统及二维绘图系统，还只能解决一些简单的产品设计问题。32机械CAD进入80年代以后，CAD技术得到了迅速的发展，特别是小型机及微型机的性能不断提高，价格不断下跌，计算机外围设备如彩色高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图机等品种齐全的图形处理装置已逐步形成质量可靠的系列产品，并已成为CAD的一般配置，为推动CAD技术向更高水平发展提供了必要条件。33机械CAD在此期间，适用于小型机及微型机的软件技术也迅速提高。发展了数据库技术，开发了大量图形软件，以及与现代设计方法相适应的各种应用软件（如有限元结构分析软件、优化设计软件等）。大量成熟的商品化软件的不断涌现，又促进了CAD技术的应用与发展。AutoCADV1.0于1982.11正式出版，容量为一张360Kb的软盘，无菜单，DOS命令式。34机械CAD20世纪90年代以来，CAD技术不断完善，广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向集线框、表面、实体模型统一表示的非流形形体造型发展。随着信息技术的发展，CAD技术也由过去的单机或局部分布式联网工作方式向基于网络的设计发展，且支持协同的概念设计成为当前研究热点。同时，计算机技术的飞速发展，也为CAD技术的应用提供了强大的硬件支持环境。35机械CAD由于国际上市场竞争日益加剧，要求加快产品更新换代。产品由原来单一品种、大批量生产模式转向多品种、高质量、小批量生产模式。因而，传统的人工设计方法已不能适应这种市场变化的要求，广大企业纷纷求助于CAD技术。广泛的社会需求及应用，又促使CAD技术得到进一步发展与提高。36机械CAD目前，CAD技术在一些技术先进的工业国家中已经得到了广泛的应用。CAD的应用领域已从早期的辅助机械设计、印刷电路板设计，逐步扩展到服装与花样设计、管道布局设计等方面。37机械CAD1989年美国评出近25年间当代十项最杰出的工程技术成就，其中第4项是CAD/CAM。1991年海湾战争结束后的第三个星期，美国政府发表了跨世纪的国家关键技术发展战略，列举了6大技术领域中的22项关键项目，认为这些项目对于美国的长期国家安全和经济繁荣至关重要。而CAD/CAM技术与其中的两大领域11个项目紧密相关。38机械CADCAD技术推动了几乎一切领域的设计革命，CAD技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。39机械CAD美国科学院工程技术委员会对1986年的统计分析是：（1）降低工程设计成本13%~30%；（2）减少产品设计到投产的时间30%~60%；（3）产品质量的量级提高2~5倍；（4）减少加工过程30%~60%；（5）降低人力成本5%~20%；（6）增加产品作业生产率40%~70%；（7）增加设备的生产率2~3倍；（8）增加工程师分析问题的广度和深度的能力3~35倍。

40机械CAD据国外资料分析表明，从19世纪70年代到20世纪80年代这100多年里，加工过程的效率提高了200%；生产管理效率提高了80%~120%，而产品设计效率仅提高了20%左右，后两者的效率以成为生产进一步发展的制约因数。CAD技术为实现设计于制造自动化提供了重要手段。41机械CAD3.CAD系统的组成CAD系统CAD硬件系统CAD软件系统应用软件支撑软件系统软件外围设备计算机42机械CAD1)CAD系统的类型 按硬件组成分类：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。 按工作方法及功能分类：检索型、自动型、交互型、智能型。43机械CAD单机系统44机械CAD网络系统45机械CAD2)硬件系统 应具有较强的人机交互设备及图形输入输出装置。CAD系统的硬件

鼠标扫描仪数字化仪运算速度内存容量显示器显示卡打印机绘图仪主机图形输入设备图形显示与输出设备网络设备46机械CAD47机械CAD48机械CAD49机械CAD50机械CAD51机械CAD3)软件系统 具备了CAD硬件以后，软件配置水平决定了整个CAD系统性能的优劣。因而，硬件是CAD系统的物质基础，而软件则是CAD系统的核心。从CAD系统发展趋势来看，软件占据着愈来愈重要的地位，软件的成本目前已超过了硬件，因此应十分重视软件工作。52机械CADCAD系统的软件可分成三个层次：系统软件、支撑软件、应用软件。系统软件是与计算机硬件直接相关联的软件，一般由软件专业人员研制，它起着扩充计算机的功能和合理调度与运用计算机的作用。支撑软件是在系统软件基础上研制的，它包括进行CAD作业时所需的各种通用软件。应用软件则是在基础软件及支撑软件支持下，为实现某个应用领域内特定任务而编制的软件。53机械CADCAD软件层次关系用户的软件用应CAD支撑软件系统软件OS54机械CADa系统软件操作系统 特点：公用性、基础性55机械CADb支撑软件1．图形处理软件：解决几何图形设计问题。基本图形资源软件：根据各种图形标准或规范实现的软件包，大多是供应用程序调用的图形子程序包或函数库，与计算机硬件无关，具有优良的可移植性。它是图形系统的最底层。有CGI、GKS、PHIGS、OpenGL等。56机械CAD绘图软件：解决零件图的详细设计问题，输出符合工程要求的零件图或装配图。如AutoCAD,大型CAD/CAM软件中的某一个模块，如Pro/E中的绘图模块。几何造型软件：主要解决零部件的结构设计问题，存储它们的三维几何数据及相关信息。如实体造型系统，曲面造型系统、参数化特征造型系统等。57机械CAD2．工程分析及计算软件：解决工程设计中各种数值计算问题常用数学方法程序库：解微分方程、线性代数方程、数值积分、有限差分以及曲线曲面拟合等数学问题。有限元结构分析软件：分析固体力学、流体力学、场问题等。优化设计软件3．数据库管理系统：操纵和管理数据库的软件。4．网络通信及管理软件。5．文档制作软件。58机械CADC应用软件：在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域而研制的软件。如飞机设计中的总体方案，重量设计、空气动力计算、结构分析、起落架设计等。应用软件是大型软件公司的“盲区”，通常要靠用户自行开发。这是因为应用软件的专业性很强，涉及的领域广泛，其开发需要丰富的专业知识和经验；大型软件公司不愿意将资金投在量不大用户不够广泛的、专业性很强的应用软件。 59机械CAD在激烈的市场竞争中，各家专业公司都力求保住技术优势，决不肯轻易出售自己的CAD专业设计系统。因此这类软通常由用户结合当前设计工作需要自行研究开发。 60机械CAD所开发的应用软件应具备如下特点（l）能够切实可行地解决具体工程问题，给出直接用于设计的最终结果；（2）符合规范、标准和工程设计中的习惯；（3）充分利用计算机辅助设计系统的软件资源，具有较高的效率；（4）具有较好的设备无关性和数据存储无关性，便于运行于各类硬件环境以及与不同软件的连接；（5）使用方便，易学，具有良好的人机交互界面；（6）运行可靠，维护简单，便于扩充，具有良好的再开发性。61机械CAD4)典型商品化CAD支撑软件A高端具有强大的三维图形处理能力、分析能力、制造功能及网络功能。如：CATIA，UGNX，Pro/E等。B中端具有高端产品的三维零件设计、装配功能，能满足一般机械产品设计、绘图的功能要求，但通常曲面造型功能较弱。如：SolidEdge、SolidWorks、MDT等。C低端主要具备二维绘图能力及简单的三维造型功能。如：AutoCad、北航海尔CAXA62机械CADCAD软件系统的功能组成63机械CAD4.CAD技术在机械行业中的应用1)二维绘图。这是最普遍最广泛的一种应用，用来代替传统的手工绘图64机械CAD2)图形及符号库。将复杂图形分解为许多简单图形及符号，先存入库中，需要时调出，经编辑修改后插入到另一图形中去，从而使图形设计工作更加方便。65机械CAD3)参数化设计。标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，调出后赋以一组新的尺寸参数就能生成一个新的图形。66机械CAD4)三维造型 采用实体造型设计零部件结构，经消隐及着色等处理后显示物体的真实形状，还可作装配及运动仿真，以便观察有无干涉等。67机械CAD68机械CAD5)工程分析 常见的有有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等。此外针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分析问题，如注塑模设计中要进行塑流分析、冷却分析、变形分析等。69机械CAD70机械CAD6)设计文档或生成报表。许多设计属性需要制成文档说明或输出报表，有些设计参数需要用图形或曲线来表达。71机械CAD优点1．减少手工绘图时间，提高绘图效率。2．提高分析计算速度，解决复杂计算问题。3．促进设计工作的规范化、系列化和标准化。4．便于修改设计。5.在设计阶段可预估产品的特性。6.为实现CAM等提供了基础。72机械CAD其它方面的应用1．CAD/CAM技术发展的不断的深化，使产品的设计工作内容和方式有着根本性变革，这一技术成为工业发达国家制造业保持竞争优势，开拓市场的主要技术手段。73机械CAD波音777的新设计系统74机械CAD波音777的新设计系统波音777是美国波音公司研制的双发中远程宽体客机。波音777首飞时是民用航空历史上最大的双发喷气飞机。1990年10月项目正式启动。为了开发和生产波音777，波音公司花费了15亿美元来扩建厂房。777计划是波音公司有史以来第二次商业豪赌（第一次为波音747客机的研制），如果计划失败波音公司就将破产。1994年6月12日第1架波音777首次试飞，由于波音777是采用CAD技术设计，因此不需要制造原型机。一架777飞机上有300万个零部件，由来自全球17个国家的900多家供应商提供。75机械CAD波音777的新设计系统波音公司在777飞机的设计中采用了法国达索/IBM公司的CATIA三维计算机设计与仿真系统，用来定义或描述整架飞机外形及有关零部件，并检验它们之间是否有干涉情况。这使波音公司在777机的设计过程中不再制作传统的全尺寸实物模型，意味着波音777机成为有史以来高级程度的设计水平——实现所谓的“无纸”飞机。整个波音777机计划投入了数十亿美元，仅在CATIA系统上就花了近亿美元资金。为了减小风险，先期工作中做几个小规模的试验。由于设计准确，随后对设计结果的更改次数大大减少，这样将节约因设计改动所带来的成本支出。76机械CAD波音公司将整架飞机的布局在CATIA系统上定义，有一半的飞机零件由三维造型系统完成了大部分细节设计。同时，也使管理人员了解到电子化设计过程的工作情况，使波音公司的高级管理人员第一次把计算机工作作为总计划进度中的独立部分来安排。还使他们意外地感到，CATIA系统不仅用于设计工作，还是一种有效的通讯工具，使所有设计人员紧密地联系在一起。这也是导致波音提倡这一新设计方法的关键原因之一。它能使所有设计人员随时评审或使用同一设计图形，从而大大加快工程的流程，免去各部门花几个月的时间去传阅图纸。

77机械CAD使用CATIA系统电子化预组装功能，可以得到一个飞机的全尺寸计算机模型，利用干涉检查功能，发现设计中2500多处发生干涉。如果按常规设计，这些干涉问题需几年后才能发现。使用人机工程测试功能，可方便地精确计算出零件的重量和惯性矩，利用标准的计算机人体模型在飞机内部活动，进行检验维修可行性和其他人机问题的测试工作。波音公司为了使用好CATIA系统，共花了10万人时的训练时间。78机械CAD波音777飞机的设计和制造在设计和制造领域里产生了一场革命。这场革命有三个特征产生了深远的影响。第一个特征是数字化(DigitalDefinition),全部数字化定义，实现了CAD/CAPP/CAM等一系列过程的集成，实现了无纸生产，实现了数字化预装配（DigitalPre-assembly）；第二个特征是标准化，波音公司与其合作生产发动机等公司的信息交换是在产品交换标准（STEP）下实现的；第三个特征是网络化，通过网络交换信息。79机械CAD2006年12月6日，波音公司使用最新的3D技术显示出虚拟的787梦想飞机下线场面。PLM实现了从设计到生产车间，从生产到客户支援每一个环节的虚拟显示，最终实现了波音787项目数字式总装到“飞机全寿命期电影”的一次革命。80机械CAD汽车虚拟实验81机械CADVR82机械CAD虚拟装配83机械CAD2．艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域里CAD技术应用的延伸，有着不可估量的经济和社会效益。

84机械CADCAD技术应用的延伸——体育

1991年东京世界田径锦标赛上，卡尔·刘易斯创造了新的100米世界记录——9.86秒。他的获胜与他那双由CAD系统设计的钉鞋有很大关系。这种首次面世的一次性钉鞋由日本Mijuno公司设计，每只仅重115克。该公司在Medusa系统上建立了刘易斯的人体数字模型，包括极其精确的体重和体形数据，并重现了刘易斯的脚足和肌肉的形状，以及由此决定的奔跑中产生的对钉鞋的压力。为减轻钉鞋的重量，Mijuno公司主要使用在DEC的VAX平台上运行的，由CV公司开发的Medusa软件设计鞋底。同时使用AsraSystem公司的Cadra系统进行鞋帮式样设计。85机械CAD86机械CAD英国达尔康有限公司（Delcam）虽然只有800员工，但他们的客户遍布全球，一名运动员站到该公司一台价值两万美元的仪器上几分钟之后，他们就可以有针对性地设计、制造出量身订做的鞋子。可以想象，鞋子的价格必然不菲。不过，为了穿上合脚的鞋子，为了获得好成绩，不少运动员成了他们的客户。87机械CAD悉尼奥运会

自动调节热量的运动衣SwiftSuit88机械CAD澳洲女飞人凯西·弗里曼首次穿上这件极度另类、从头套到脚的运动衣上场时，叫人看傻了眼。然而在她夺下400米金牌后，它随即成为史上最快的战衣。这件衣服的神奇之处不仅在于减小阻力，还可以调节热量。这件衣服的颜色由深浅两种色彩搭配而成，深色材料放在需要吸热的地方，浅色材料放在需要反射的地方，不同的材料使空气更流通，有助于平衡人体的温度。89机械CAD人体在运动时特定部位会特别热，需要透气通风或自由活动。SwiftSuit根据此运动原理采用数种不同的驱汗布料立体剪裁组合，在腋下、背部及胸部下侧等“聚热区”采用透气网状布料散热。肘部、膝部和背部用3D裁减，有效减少运动员在移动时与空气产生的阻力。而看上去有些滑稽的头套可以减少3％的阻力，相当于在2000米长跑比赛中少跑24米的距离。90机械CAD北京奥运会2008年7月15日消息：安世亚太携手ANSYS，HP以及世界著名的泳衣生产者SPEEDO在北京长富宫饭店举行2008奥运仿真技术秀，为大家揭秘奥运背后鲜为人知的奥秘——CAE仿真技术，解读CAE是如何助力奥运的。91机械CAD菲尔普斯的“鲨鱼皮”“任何不穿LZRRacer的运动员，也许最终都只能坐在家里，看NBC的转播。”－－美国游泳队主帅马克·舒伯特在奥运会前最后一次选拔赛的时候冲着美国《体育画报》说注：LZRRacer是Speedo公司的产品92机械CAD运动员要求理想的泳衣实现水中运动过程尽可能平滑和不受到干扰，因此经CAE软件流体数值分析，研究人员能够得到泳衣各部位的阻力特性，并在高阻力区域布置LzrPanels(低磨擦材料)，从而使运动员在水中尽可能地产生减少阻力的流体动力。93机械CAD在泳衣的设计过程中，为了能够在泳衣中找到合适的部位放置LzrPanels(低磨擦材料)，研究人员对400多位运动员和顶尖游泳健儿进行了连续扫描分析，运动员都采用了手在头上部的滑行姿势。因为游泳比赛中，30%的赛程使用的会是这种姿势，通过降低该姿势下的阻力来提高泳衣的整体性能。随后，研究人员使用流体软件分析的仿真数据，精确定位运动员在水中身体的高磨擦区，通过CAE技术寻找游泳运动员在水中身体最大阻力的位置，然后在该部位采用低磨擦材料进行设计。94机械CADCAE技术分析“鲨鱼皮”泳衣性能95机械CADCAE技术分析运动员最大阻力位置96机械CAD当应用CAE技术的时候，计算机能够预测运动员身体周围每处水的速度、应力。阻力高的区域用红色显示，以此表明泳衣上哪些部分需要进行改进。例如，从上图可以明显看到胸部的阻力比较大，在这些高阻力的区域就可以安置LzrPanels(低磨擦材料)。此外，CAE技术还可以帮助研究人员考察更多的极端情况。例如，运用CAE技术，可以针对不同人的体型与身高执行不同的泳衣设计方案。由于运动员的技术水平、体型特征等条件都各不相同，所以也只有量身定制的“鲨鱼皮”才能使他们的技术水平发挥到极致。97机械CAD 假如把“Speedo”的研究机构列出一个名单，我们会发现，很多最尖端的科研机构都在其中，包括美国国家航空航天局（NASA）澳大利亚体育学院ANSYS公司英国诺丁汉大学新西兰奥塔格大学等98机械CAD罗马世锦赛在2009年罗马世锦赛上，最抢风头的泳衣是传统品牌ARENA和意大利本土品牌JAKED。在本次世锦赛上，共有惊人的43人次打破世界纪录，108人次破赛会纪录。这不仅在世锦赛历史上绝对空前，而且有望在未来相当一段时间内“绝后”。这其中，超过五分之四的破纪录选手穿着高科技泳衣。ARENA它更大面积地使用了聚亚氨酯材料，并将泳衣的厚度压缩到难以想象的程度。此外，意大利品牌JAKED100%由聚亚氨酯材料制作，而这种能够增加浮力的材料通常只被用于生产汽车和飞机轮胎。跟这两款泳衣相比，SPEEDO的“鲨鱼皮”立刻相形见拙了。99机械CAD运动科技违背了体育精神吗？100机械CAD迫于压力，国际泳联不得不宣布，从2010年1月1日起禁用高科技泳衣，并明确规定所有男选手必须“赤膊上阵”。101机械CAD2007年10月底，国家体育总局田径馆铺设了一条45米长的数字跑道。这条跑道采用了大面积柔性压力阵列传感器、现场总线、网络和分布式信息处理技术，可实时检测运动员步频、步距、足部触地时间、离地时间、速度、发力大小、发力角度等信息，在此基础上构建了训练信息采集和技术诊断分析系统，可以为田径项目提供一种全新的科学化训练平台。102机械CAD鸟巢鸟巢的设计是不规则的，如何合理安排通风口的位置，让观众在不同方位、不同角度的座席上感受基本相同的温度，这就需要CAE仿真的数据计算；还有突发事件发生时，观众安全逃生通道的设计，这里面除了要考虑数万名观众的疏散效率，还要考虑观众个体的逃生心理，如何使安全通道和疏散口的安排最合理、最安全、最快捷，这都需要CAE仿真的数据计算。鸟巢”的相关设计师运用流体力学设计，模拟出91000个人同时观赛的自然通风状况，让所有观众都能享有同样的自然光和自然通风。103机械CAD鸟巢为了让每位观众都有好视角，台阶高度必须精确设计，台阶不是直线上升，而是呈曲线上升，这样体育场不会太高，可以降低成本，又不会影响视角视线。要实现这一点，就需要借助大家熟悉的计算机辅助设计（CAD）了。当“鸟巢”还只是一张图纸时，设计师们就通过电脑，了解到观众的视线如何。104机械CAD科学计算可视化科学计算可视化(VisualizationinScientificComputing,ViSC)是指运用计算机图形学和图像处理技术,将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。国际上关于科学计算可视化的研究始于20世纪80年代末,它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图形或图像。目前，科学计算可视化在医学图象处理、地质勘探、气象预报、有限元分析等很多方面得到了成功地应用。已成为计算机图形学的一个重要研究方向。105机械CAD106机械CAD107机械CAD108机械CAD109机械CAD过去开发一个大规模集成电路芯片，要花两年时间，用CAD只要两周即可完成；美国GM公司汽车设计中应用CAD技术，使新型汽车的设计周期由5年缩短为3年，新产品的可信度由20％提高到60％；法国一家公司在飞机设计中应用了CAD技术能在很短的时间内设计出几十个方案，供用户进行选择，使新产品的性能提高了9％。110机械CADCAD技术在我国的应用据统计，2000年全国已有29个省（市），4个行业，近600家示范企业，3000个重点应用单位，约10万个企业和设计院应用和普及了CAD技术。平均投入产出比为1:17.2。国产CAD软件覆盖了CAD所需软件产品类型的85％，建立了CAD人才培训网络（由9大培训中心组成）。但与发达国家相比差距明显。1990年美国制造业做到了“三个三”，即产品生命周期三年，产品制造周期三个月，产品设计周期三周。2000年我国主导产品的生命周期约为10.5年，开发周期为18个月。111机械CAD5.CAD技术特点1)CAD技术复杂、涉及面广CAD技术首先依赖于计算机硬件、外部设备的配置及其开发环境和工具，如操作系统、窗口管理、图形显示、用户界面、网络技术、数据通信、程序语言和测试工具等。CAD软件技术涉及到系统框架设计、数据模式定义、数据交换规范、内存管理、工程数据库设计、系统的可移植性和可扩充性、运行的可靠性、稳定性和容错性等。它的算法设计包括三维复杂物体的描述方法、求值技术、有限元模型的自动生成，前后置处理、参数化设计、特征技术、产品定义方法，消除隐藏线，色彩处理以及动态仿真等许多方面。112机械CADCAD技术涉及到计算机科学与工程、计算数学、机械设计、人机工程、电子技术及其他很多工程技术，体现了现代新技术的相互渗透性。113机械CAD2)CAD技术变化快、竞争激烈 现代有名的CAD软件都是规模巨大，功能众多，系统复杂，所以投资大，开发周期长，难以即时跟上硬件平台和开发环境的迅速发展，以及广大用户需求的变化和不断增长的要求。在1980年处于领先地位的美国10家CAD公司中在1990年有7家日子难过。由于CAD软件的国际竞争激烈，导致公司的升沉和兼并，重新组合不断发生。114机械CADAutoCAD2011（2010年3月）20世纪70年代，美国麦道飞机公司成立了解决自动编程系统的数控小组，后来发展成为CAD/CAM一体化的UG1软件。90年代被EDS公司收并，为通用汽车公司服务。2007年5月正式被西门子收购。115机械CAD3)CAD技术是正在发展中的一种高技术高技术的软件产品的基础理论、工具或所需要的硬件技术，要有较长时间的探索、试验和改进，才能逐渐成熟起来。目前CAD最流行的基础技术、开发环境和工具，它们的开始年代一般较早，但到技术成熟、推广应用要经历漫长的道路。116机械CAD如交互式图形显示器是1964年发明，鼠标于1965年发明，UNIX操作系统是1969年研制出来的，NURBS曲线是1972年，实体造型的边界表示和布尔运算是1972年，变量设计是1967年，特征造型是1978年。这些技术的成熟、推广应用都经历了近一二十年的时间。说明现代新技术的复杂性和难度较大，需要付出巨大的人力、物力和高昂的代价。117机械CAD4)CAD技术投资大、风险高、产出高那些技术发展缓慢，或开放性和标准化程度差的软件，很容易被淘汰掉。例如波音飞机公司早期采用软硬件配套的turnkey系统，系统间互不联系，难以与IBM主机进行相互通讯。为此波音公司花费4000万美元建立信息交换网，并不成功。后来波音公司致力于自行开发一个高水平的集成化CAD/CAM系统，想以此克服第一阶段的弊病。波音公司共投入250人年，耗资3000万美元，因达不到预期的效果而中途夭折。波音公司总结了前面十余年的宝贵经验和失败的教训，经过认真调研，最后决定以巨资引进法国达索飞机公司的CATIA软件。中国需要卖掉8亿件衬衫才能换来一架波音飞机

118机械CAD6.现代CAD的主要技术特征1）参数化建模技术在产品设计初期，由于边界条件的不确定性和人们对产品本身了解的模糊性，很难使设计的产品一次性满足所有的设计条件，这就需要对产品形状和尺寸不断修改，以逐渐满足各种条件。因此，任何产品的设计过程都只一个不断修改、不断满足设计条件的反复过程。119机械CAD手工设计中图纸的修改要不断使用橡皮擦除和重画，十分不便。在传统CAD中，各几何元素的相互关系是一定的，修改模型需要使用大量的删除和重画命令。为了提高设计效率，特别是满足概念设计的需求，就要求CAD模型具有易于修改的特性。参数化技术就是为适应这种需求提出来的。120机械CAD20世纪90年代初，美国PTC公司提出了参数化建模技术，并推出了参数化建模系统Pro/E。SDRC公司也提出了变量化设计技术，并在I-DEAS软件中运用。虽然两个系统的叫法不一，并在底层实现原理上有所区别，但共性都是模型的参数化。所谓参数化建模(parametricmodeling)是指在保持原有模型约束条件不变的基础上，通过改变模型尺寸，驱动模型变化以获得新的模型。因此参数化建模的两个核心技术是约束和尺寸驱动。121机械CAD约束(constraint)是对模型几何元素位置和相对位置关系的限制，这些限制能够保证新的模型能按人的设计意图变化，而不致生成不需要的模型；尺寸驱动(dimensiondriving)是指当尺寸值变化时，模型随之变化以达到新的尺寸值，从而获得新的模型。可见约束是参数化建模的基础和保证，尺寸驱动是参数化建模的动力。因此，参数化建模是一种基于约束并能用尺寸驱动模型变化的建模技术。用参数化技术生成的模型称为参数化模型。122机械CAD对于参数化模型，只要修改模型上的尺寸值，模型就会变化为一种新的模型。123机械CAD参数化模型124机械CAD2）基于特征的建模技术 基于特征的建模（feature-basedmodeling）将任何三维模型视为一系列特征的组合，而特征是一种几何结构相对简单的基本几何体。这样，无论模型如何复杂，都可以通过一定数量的特征按照一定方式组合而成。 基于特征的建模具有以下优点：建模过程类似产品的实际加工过程，步骤清晰，每步操作明确，因此建模十分方便，效率很高。三维模型建立后，系统将详细记录模型的生成过程，以及每步操作中的特征类型和参数，即每个模型都有一个完整的特征历程树。125机械CAD 基于特征的建模技术涉及两个重要概念：特征。特征是具有一定形状的几何体，是构成复杂模型的基本几何模型。组合。组合是特征的累积方式。常见组合形式是并、差、交布尔运算。126机械CAD127机械CAD3）全数据相关技术一个CAD系统具有不同的功能模块，在产品的涉及过程中，涉及人员可能会利用不同的模块，在不同的地理位置并行地进行产品设计。由于是对同一产品进行设计，自然希望各个模块使用统一的数据模型，以使设计人员能够共享、交换数据，保证设计过程的协同和并行。为此，产品的几何模型应保持完整性和一致性。128机械CAD各个功能模块通过链接方式（不是复制）从主模型中引用数据，这就保证了每个功能模块与主模型数据的一致性。当主模型发生变化时，模块数据会随之变化；相反，当某个模块的数据修改后，主模型也会随之修改。129机械CAD20世纪90年代，SDRC公司提出了主模型的概念，并在I-DEASMasterSeries版中率先推出了该技术，较好地解决了数据的完整性和一致性问题。所谓主模型是指CAD系统中的各个功能模块均采用一个统一或单一的数据模型，用于集中存储产品设计数据，所有模块需要和产生的数据都来自或存放在该模型中。130机械CAD4）智能导航技术计算机绘图中涉及大量点的定位操作，如画直线时需要确定两个端点，画圆时需要确定圆心位置等，因此点的定位快慢直接影响绘图速度。1992年初，SDRC公司在其I-DEAS中推出了动态引导器（dynamicsnavigator）。在CAD建模或编辑中涉及大量定位和选择操作。所谓智能，是指CAD系统能够自动理解和判断人的设计意图，从而引导和帮助设计人员快速、准确定位到需要的点或选择到需要的对象。131机械CAD自动捕捉现有几何元素的特征点 这一功能主要用于草图的绘制。当启动绘图命令并要求输入点时，移动鼠标，当光标接近已有几何元素的特征点时，屏幕上将出现特征点符号，这时点击鼠标，系统会自动地准确定位到显示的特征点上。几何元素的特征点包括端点、切点、中点、圆心等。132机械CAD自动生成约束 在绘制草图时，系统会自动捕捉人的意图自动生成约束。例如，在绘制直线时，直线起点确定后，当直线接近水平或竖直方向时，系统会自动给出水平或竖直的约束。当绘制两平行相等的线段时，只要所画第二条线段处于近似平行和相等，系统就会给出平行和相等的约束。133机械CAD自动显示可供选择的对象 当需要选择模型几何元素时，在模型上移动光标，系统会高亮显示可供选择的对象，当高亮显示的对象是用户需要的对象时，单击鼠标就会准确选中显示的对象。选择导航可以帮助用户预测什么对象将被选择，提高选择的准确性。134机械CAD7.现代CAD的主要方法特征1）三维设计方法传统设计用基于投影原理的各种视图表示产品结构，并在图纸上按工程制图规格绘制视图，以此作为加工依据。传统CAD依然沿用这种表示，只是用计算机绘图代替了手工绘图，因此最早CAD中的D仅仅表示Drawing或Drafting。单一的计算机绘图系统还不能和其它系统进行有效集成，常常是一种孤立的应用。三维设计是指在设计初期就用三维模型表示产品结构，而不是先画好图纸后再生成三维模型。

135机械CAD136机械CAD三维模型的优点三维模型能够包含产品完整的设计信息且无二义性。不仅能描述结构形状和大小的几何和拓扑信息，还能包括表面积、体积、材料、加工、分析结果等信息。三维模型是零件设计与其它功能集成的基础。可用于装配设计以检查零件间的位置关系和干涉情况，可用于有限元网格的自动划分，可用于数控加工的图形编程以及投影生成零件的各种视图。基于三维模型生成的具有高度真实感的图像，更能清楚、直观地反映零件的外观形状、色彩、质地、纹理以及通过剖切产生的内