计算机辅助分析与设计

第8章计算机辅助分析与设计8.1有限元分析8.2三维实体造型设计计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第1页。计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering，简称CAE)是一门新兴学科，是指工程设计中的分析计算和分析仿真。常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩、强度等的计算分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的应力、变形等的结构分析。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。8.1.1有限元简介近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机，几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、8.1有限元分析下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第2页。科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：①增加产品和工程的可靠性；②在产品的设计阶段发现潜在的问题；③经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；④缩短产品投向市场的时间；⑤模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。8.1.2有限元的基本思想有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第3页。有限元的基本思想可归纳如下：首先，将表示结构的连续体离散为若干个子域(单元)，单元之间通过其边界上的结点相连接成组合体。其次，用每个单元内所假设的近似函数分片地表示全求解域内待求的未知场变量。每个单元内的近似函数用未知场变量函数在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数表示。由于在连接相邻单元的结点上，场变量函数应具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量，将求解原函数的无穷多自由度问题转换为求解场变量函数结点值的有限自由度问题。最后，通过和原问题数学模型(基本万程、边界条件)等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量(场变量函数的结点值)的代数方程组或常微分方程组，应用数值方法求解，从而得到问题的解答。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第4页。8.1.3有限元分析的一般步骤1.物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形形态的需要和计算进度而定(一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大)。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同一材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。2.单元特性分析(1)选择位移模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第5页。取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如y=，其中ai

是待定系数，是与坐标有关的某种函数。

(2)分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第6页。(3)计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。3.单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程

Kq=f(8-1)式中，K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第7页。4.求解未知节点位移解有限元方程式（8-1）得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，分是为了进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。8.1.4有限元网格划分的基本原则将连续体离散化是有限元分析的第一步和基础。由于结构物的形状、载荷特性、边界条件等的差异，所以离散化时，要根据设计对象的具体情况，确定单元(网格)的大小和形状、单元的数量以及划分方案等。依据分析对象的不同，采用的单元类型也不同，常见的有以下几种单元：①杆、梁单元：这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形和应力由沿轴线的坐标确定。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第8页。②板单元：这类单元内任意点的变形和应力由XY两个坐标确定，这是应用最广泛的基本单元，有三角形单元和矩形板单元。③多面体单元：它可分为四面体单元和六面体单元。④薄壳单元：这是由曲面组成的壳单元。划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立正确、合理的有限元模型，这里介绍划分网格时应考虑的一些基本原则。(1)网格数量网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。图8-1中的曲线1表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线，曲线2代表计算时间随网格数量的变化。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第9页。可以看出，网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。同样在响应计算中，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。(2)网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第10页。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。图8-2是中心带圆孔方板的四分之一模型，其网格反映了疏密不同的划分原则。小圆孔附近存在应力集中，采用了比较密的网格。板的四周应力梯度较小，网格分得较稀。其中图8-2(b)中网格疏密相差更大，它比图8-2(a)中的网格少48个，但计算出的孔缘最大应力相差1%，而计算时间却减少了36%。由此可见，采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减少。因此，网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。划分疏密不同的网格主要用于应力分析(包括静应力和动应力)，而计算固有特性时则趋于采用较均匀的网格形式。这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第11页。采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。(3)单元阶次许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。图8-3是一悬臂梁分别用线性和二次三角形单元离散时，其顶端位移随网格数量的收敛情况。可以看出，当网格数量较少时，两种单元的计算精度相差很大，这时采用低阶单元是不合适的。当网格数量较多时，两种单元的精度相差并不很大，这时采用高阶单元并不经济。例如在离散细节时，由于细节尺寸限制，要求细节附近的网格划分很密，这时采用线性单元更合适。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第12页。增加网格数量和单元阶次都可以提高计算精度。因此在精度一定的情况下，用高阶单元离散结构时应选择适当的网格数量，太多的网格并不能明显提高计算精度，反而会使计算时间大大增加。为了兼顾计算精度和计算量，同一结构可以采用不同阶次的单元，即精度要求高的重要部位用高阶单元，精度要求低的次要部位用低阶单元。不同阶次单元之间或采用特殊的过渡单元连接，或采用多点约束等式连接。(4)网格质量网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会使计算中止。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第13页。而在结构次要部位，网格质量可适当降低。当模型中存在质量很差的网格(称为畸形网格)时，计算过程将无法进行。图8-4是三种常见的畸形网格，其中图8-4(a)单元的节点交叉编号，图8-4(b)单元的内角大于180°，图8-4(c)单元的两对节点重合，网格面积为零。(5)网格分界面和分界点结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适应网格。常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几何尺寸突变面、分布载荷分界线(点)、集中载荷作用点和位移约束作用点等。图8-5是具有上述几种界面的结构及其网格划分形式。(6)位移协调性位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递给相邻单元。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第14页。为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间须用多点约束等式或约束单元进行约束处理。图8-6是两种位移不协调的网格划分，图8-6(a)中的节点1仅属于一个单元，变形后会产生材料裂缝或重叠。图8-6(b)中的平面单元和梁单元节点的自由度性质不同，梁单元的力矩无法传递到平面单元。(7)网格布局当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性(如集中质矩阵对称)。不对称布局会引起一定误差，如在图8-7中，悬臂梁截面相对y轴对称，在对称载荷作用下，自由端两对称节点1,2的挠度值本应相等。但若分图8-7(b)所示的不对称网格，计算出的y1=0.0346,y2=0.0350。若改用图8-7(c)所示的网格，则y1和y2完全相同。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第15页。(8)节点和单元编号节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。但对复杂模型和自动分网而言，人为确定合理的编号很困难，目前许多有限元分析软件自带有优化器，网格划分后可进行带宽和波前优化，从而减轻人的劳动强度。

8.1.5有限元软件近些年来，在计算机程序的编制方面，也有了非常大的发展。由于有限元法的通用性，它已经成为解决各种问题的强有力和灵活通用的工具。因此不少国家编制了大型通用的计算机程序，其中比较常用的有：SAP、ADINA、ANSYS、ALGOR、NASTRAN、ABAQUS、COSMOS和MARC。这些通用软件的特点是：单元库内有齐全的一般常用单元，如杆、梁、板、轴对称、板壳、多面体单元等；功能库内有各种分析模块，如静力分析、动力分析、连续体分析、流体分析、热分析、线性与非线性模块等；8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第16页。应用范围广泛，并且一般都具有前后置处理功能，汇集了各种通用的标准子程序，组成了一个庞大的集成化软件系统。这些软件都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的能力和效率，已得到学术界和工程界的公认。纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：1.与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件(例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第17页。等)的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件(如Unigraphics、SolidEdge、Solid-Works)实现真正无缝的双向数据交换。2.更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括分析对象的离散化、有限元求解以及计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理万面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动地划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第18页。但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成型等大应变分析的必要条件。3.由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第19页。例如薄板成型就要求同时考虑结构的大位移、大应变(几何非线性)和塑性(材料非线性)；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。4.由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第20页。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成型时由于塑性功而产生的热问题，需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即“热力耦合”的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动……这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓“流固耦合”的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。5.程序面向用户的开放性随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第21页。允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构(结构本构、热本构、流体本构)、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等。8.1.6ANSYS的基本使用1.ANSYS简介ANSYS公司的创始人是JohnSwanson博士，成立于1970年，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。30多年来，ANSYS公司致力于软件的开发，紧跟世界最新计算技术，有力地推动了有限元技术的发展。ANSYS目前已经集结构、热、流体、电磁、声学的高级多物理场合分析程序于一体，同时还提供了目标设计优化、拓扑优化、概率有限元设计、二次开发技术、子结构、子模型、单元生死、疲劳断裂等先进计算技术。目前ANSYS软件广泛应用于航空航天、核工业、铁道、造船、汽车、石油化工、冶金、能源、机械制造、水利水电、建筑、桥梁、土木、生物医学、地矿、电子电力、通信等行业。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第22页。2.ANSYS工作界面ANSYS的工作环境由7个窗口组成，如图8-8所示。这7个窗口为用户使用ANSYS提供了便利的途径，用户可以非常方便地以交互模式完成分析计算。(1)应用菜单(UtilityMenu)应用菜单包括ANSYS的各种应用命令，包括文件控制(File)、对象选择(Select)、列表显示(List)、图形显示(Plot)、图形显示控制(PIotCtrls)、工作平面设定(WorkPlane)、参数化设计(Parameters),宏命令(Macro)、菜单控制(MenuCtrls)及帮助系统(Help)。每一菜单项包括一系列子菜单项。应用菜单如图8-9所示。(2)主菜单(MainMenu)主菜单(见图8-10)基本上涵盖了ANSYS分析过程中的所有菜单命令，包括前处理、求解器、通用后处理、时间历程后处理、优化设计等。执行不同的菜单项将会得到不同的结果。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第23页。(3)工具栏(Toolbar)工具栏(见图8-11)们包括了一些常用的ANSYS命令和函数，是执行命令的快捷方式。ANSYS预先定义了一些命令按钮。用户可以根据自己的要求对工具栏进行编辑、添加或删减工具栏中的命令按钮。(4)输入窗口(InputWindows)可以直接在文本输入区输入命令或其他文本。在文本输入区顶部，为方便用户操作ANSYS，还给出了关于命令及执行状态的信息提示(如图8-12所示)。命令历程缓冲区包含了所有先前输入的命令及提示信息。在命令历程缓冲区用鼠标单击先前的命令，则该命令将出现在文本输入区。用鼠标双击先前的命令，则ANSYS将执行该命令。(5)图形窗口(GraphicWindow)图形窗口是ANSYS工作环境中占据最大位置的窗口，主要完成图形显示功能，包括显示模型、图形，显示计算结果。用户可以单击标题栏上的按钮对图形窗口进行最小化和最大化操作。8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第24页。(6)快捷菜单(ShortcutMenu)快捷菜单包括窗口选择，视图显示选择，图形放大、缩小、旋转、平移等，为用户提供快捷操作方式。(7)输出窗口(OutputWindow)输出窗口以文本形式显示命令执行后的结果，包括注释、警告、错误及其他信息，如图8-13所示。输出窗口通常位于ANSYS其他窗口之后，用户可以通过单击该窗口将其提到最前，以查看命令执行信息。3.ANSYSANSYS有限元的求解过程与步骤ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成。(1)前处理①定义工作文件名；②设置分析模块；③定义单元类型和选项；8.1有限元分析上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第25页。④定义实常数；⑤定义材料特性；⑥建立分析几何模型；⑦对模型进行网格划分；⑧施加载荷及约束。(2)求解计算①选择求解类型；②进行求解选项设定。(3)后处理①从求解计算结果中读取数据；②对计算结果进行各种图形化显示；③对计算结果进行列表显示；④进行各种后续分析。8.1有限元分析上一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第26页。8.2.1CAID概述计算机辅助设计CAD(computeraideddesign)是指工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。CAD的功能可归纳为四大类:数字建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。一个完整的CAD系统，应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。计算机辅助工业设计CAID(computeraidedforindustrialdesign)即在计算机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持下，进行工业设计领域的各类创造性活动。它是以计算机技术为支柱的信息时代环境下的产物。与传统的工业设计相比，CAID在设计万法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化。由于工业设计是一门综合性的交叉性学科，涉及诸多学科领域，因而计算机辅助工业设计技术也涉及了CAD技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、优化技术、模糊技术、人机工程学等信息技术领域。8.2三维实体造型设计下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第27页。广义上，CAID是CAD的一个分支，许多CAD领域的方法和技术都可加以借鉴和引用。CAID以工业设计知识为主体，以计算机和网络等信息技术为辅助工具，实现产品形态、色彩、宜人性设计和美学原则的量化描述，从而设计出更加实用、经济、美观、宜人和创新的新产品，满足不同层次人们的需求。8.2.2计算机辅助造型技术随着技术的进一步发展，产品设计模式在信息化的基础上，必然朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展。CAID的发展趋势则必然与上述发展趋势相一致，最终建立统一的设计支撑模型。工业设计师与工程设计师将逐步融合，最终走向统一化。当前，国内外关于CAID的研究主要集中在计算机辅助造型技术、人机工程技术、智能技术以及新兴技术的应用研究等方面。其中以辅助产品造型设计为核心，它涉及产品的形态设计、色彩设计、人机设计(包括环境设计)、装饰设计以及设计评价等。以三维造型为基础的产品设计流程如图8-14所示。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第28页。目前工业产品造型设计的软件有CAD和CAID之分。普通CAD软件适用于机构设计阶段，它可进行详细的工程设计和绘图工作，与日后的制造整合；而工业设计师的工作内容比机构设计师更具创造力，他们对产品视觉美感的要求更甚于产品尺寸的精确程度。CAID软件主要注重于曲面的处理，它可在三度空间中自由建构曲线曲面，让设计师较快速地将概念视觉化，并利用其易于修改的特性，可使我们随时观察曲面的变化及整体造型，其功能就如设计师作草模一样。除此之外，CAID软件的渲染功能(Rendering)则可让设计师模拟产品的真实情况，如材质颜色等，便于与决策者沟通，并可作为市场调查的工具使得设计人员可以在产品生产之前，就能够提供和真实产品相同或更具表现力的产品样本和广告图片，供市场调研和客户订购。这在很大程度上提高了产品的市场竞争力，大大降低了产品开发的成本和盲目性。CAID软件除了有可建构3DModel及Rendering等功能外，最重要的是必须可将数据转换到CAD系统，达到数据统一化的目标。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第29页。工业设计师必须把在CAID平台上建立的外观数据转到CAD平台系统，方便后续的设计工作。总结一下，CAID软件应具备下列功能：①三维建模。快速构建Model，并有较大更改的自由度。具有丰富和强大的曲线、曲面建构能力，并提供对曲线、曲面加以视觉化评价的手段。②三维动画。CAID软件中的动画功能一般都能将场景中的物体、光照效果、表面特性、明暗色调参数和摄像机等加以动画表现。一般采用关键帧动画和算法动画两类方式。③图像渲染。良好的Rendering能力，如材质、颜色、灯光等表现能力。能产生精细程度不同的渲染效果图像，有的供图像渲染，有的供在屏幕上快速观看形体效果。④数据输入/输出。与CAD软件之间能够完整地实现数据转换，达到数据一元化的目标。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第30页。能以IGES等多种数据格式与其他CAD系统、NC铣床、快速原型系统等进行数据传输。8.2.3三维造型软件前面已经介绍了CAID软件应具有的功能，供我们选择的软件也有很多种，Pro/e、Alias、CATIA、UG、SolidWorks、Rhino3D、3dsMax等，它们具有各自的特点，在建模、渲染、结构、制造等方面各有所长，可以根据设计师的建模习惯和目的来选择。下面仅对几种三维造型软件及界面进行简单的介绍。1.Rhino软件简介Rhinoceros(又叫Rhino3D，简称Rhino，又称犀牛)是一个专为工业设计、产品开发以及场景设计所开发的概念设计与建模软件。Rhino是由美国RobertMcNeel公司于1998年推出的一款基于NURBS的三维建模软件。自从Rhino推出以来，无数的3D专业制作人员及爱好者都被其强大的建模功能深深迷住并折服。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第31页。首先，它是一个“平民化”的高端软件，所需配置只有Windows95和一块ISA显卡；其次它不像其他三维软件那样有着庞大的身躯，Rhino全部安装完毕才区区20多兆。它将NURBS(Non-uniformrationalB-splines，非均匀有理B样条曲线)建模技术完整地引进到Windows操作系统中，其所构建的是平顺的NURBS曲线及曲面，而非直线和多边形网格面。NURBS是一种用数学方程式来定义曲线的方法，它可以精确定义任何的直线、圆弧、立万体或者其他复杂曲面。Rhino使用修剪自由形式NURBS曲面来精确表现曲线外形,可以利用相接曲面为边界构建实体。Rhino还具有完全整合实体与曲面的能力。Rhino具有极大的弹性和精确性，所以被广泛地应用于制造业、动画和一般插图上，是许多动画或者影像软件的最佳伙伴和模型构建工具。由于Rhino是专门用于设计和建立3D模型的软件，所以Rhino在render(渲染)方面的功能不太理想，但引入了Flamingo及BMRT等渲染器插件的配合，其图像的真实品质已非常接近高端的渲染器。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第32页。Rhino可以输出许多种格式的文件。可以直接输出NURBS模型到3dsMax,Softimage3D等软件中，另外也可以把NURBS转换为多边形组成的物体，供其他三维软件调用。Rhino界面布置如图8-15所示。(1)菜单栏Rhino的大部分命令几乎都包含在菜单中，主要有File、Edit、View、Curve、Surface、Solid、Transform、Tools、Analyze、Render和Help。File:用于新建、打开、保存文件，导入导出其他格式的文件，打印机及系统设置等。Edit:用于恢复、剪切、复制、选择对象，编辑对象以及合并对象等。View:用于设置对象和视图的显示方式。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第33页。Curve:用于创建线段、弧等二维图形及混合图形等。Surface:用于拉伸、旋转、放样等修改。Solid:用于创建长方体、球体等三维物体以及交集、差集等运算。Transform:用于对三维物体的移动、旋转、复制等编辑。Tools:用于控制对象和视图属性，如捕捉对象、视图网格单位设置等。Dimension:用于测量对象的长、宽、高等数值。Analyze：用于分析对象的长度、方向角度等属性。Render:用于渲染对象和建立灯光。Help：帮助文件，如果对哪个命令不明白可以先执行该命令然后打开帮助文件，这样可以获得关于该命令的帮助。(2)命令行在命令栏内输入操作命令和数值，就可以创建各种模型。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第34页。在操作过程中，命令栏内还会提示我们下一步如何操作，达到用户和系统之间的交互。在命令栏的上方是用户所使用过的所有历史命令的记录。(3)标准工具栏标准工具栏中包含有新建文件、打开旧文件、保存文件、复制、粘贴、输入输出文件和打印等一般应用软件常有的按钮，如图8-16所示。工具栏上的快捷按钮由左至右分别是：建立新文件、打开一个文件、保存场景、剪切物体、拷贝物体、粘贴物体、撤销上一个命令、移动视图、旋转视图、缩放视图、缩放选择区域、最大化显示可见物体、最大化显示选择物体、撤销上一次视图调整、调整视图模式、切换视图、设置基本面、捕捉点、选择物体、隐藏物体、图层管理、编辑物体属性、渲染视图、渲染、建立灯光、Rhino参数设置、建立尺寸标注、帮助、文件属性。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第35页。(4)主工具栏Rhino的工具栏是功能非常强大的、具有弹性且可供自行设置的，如图8-17所示。我们可以使用工具栏中的按钮来执行命令(就像从菜单操作一样)，也可以自由移动、复制任一工具到视窗的任一位置，亦可删除或改变它的外形。工具栏也允许设计师将常用的工具集结成一个工具群组，或将工具群组构成控制板，放在任一位置上。它包含了大多数创建和修改模型的工具。凡是按钮上带有白色小三角形的，其中都藏有弹出式子工具栏。另外，将鼠标停留在某个按钮上，系统将显示左键点击或右键点击的功能。工具箱中的工具分别是：取消、建立点、建立线段、建立曲线、建立圆、建立椭圆、建立弧、建立矩形、建立多边形、相交线倒角、建立表面体、对两个面倒角、建立三维物体、布尔运算、曲线投射到面、转换为网格体、多物体组合到一起、炸物体、两个物体相剪、两个物体分割、成组、取消成组、显示可编辑点、显示控制点、生成字体、移动物体、复制物体、旋转物体、缩放物体、显示方向。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第36页。(5)工作视窗栏工作视窗是建立和修改模型的工作空间，默认的视窗共有4个——顶视图、前视图、右视图和透视视图，用户可以根据自己的需要将视窗切换成左视图、后视图和底视图。(6)状态栏状态行提供了有关maker的位置和模型设计辅助工具的状态。也可以使用状态行来切换gridSnap和Ortho。同时，在此也可以看到光标的位置坐标。状态栏上面一行显示关于gridsnap、Ortho、planarmode和objectSnap的状态，这些字体在使用时显黑体字，在不使用时则显示灰色字体。下面一行自左向右，第一栏显示光标和maker在设计视图中的x、y、z轴的坐标值；第二栏显示了maker和maker之间的长度、半径或缩放的比例，所以有时这一栏也可以是空白的；第三栏则显示现在正在操作的layer。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第37页。图8-18是用Rhino建的电熨斗的模型，各视图如图所示。图8-19为渲染视图的效果。2.3dsMax软件简介3dsMax其前身为运行在Dos下的3ds，由著名的AutoDesk公司麾下的Discreet多媒体分部推出，是一款优秀的三维动画制作软件。从3dsMax问世以来，就广泛应用于电视广告、电影制作、建筑、多媒体甚至军事等领域。Max易学易用，操作简便，入门快，功能强大，目前在国内外拥有最大的用户群。3dsMax是一个功能强大的软件包，它包括了系统、建模、材质和贴图、动作设计、视频处理等功能，是一个集成化的系统。3dsMax最大的特色就是拥有众多插件支持，虽然本身欠缺一些功能，但几乎都有强大的插件来补充：动力学加入了Reactor插件，已经可以和Maya的动力学媲美了；流体力学有Realflow插件；粒子系统有ThinKingParticle和ParticleStudio等插件；角色动画有CharacterStudio和ACT肌肉系统。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第38页。3dsMax公认的不足之处是渲染的质量有待进一步提高，不过由于有了Brazil、Vray、FinalRender、MentalRay等超强外挂渲染器的支持，渲染品质都很好，而且速度也快。启动3dsMax后，其界面如图8-20所示。(1)菜单栏主菜单位于屏幕最上方，提供了命令选择。主菜单栏的特点如下：File(文件)：对文件的打开、存储、打印、输入和输出不同格式的其他三维存档格式以及动画的摘要信息、参数变量等命令的应用。Edit(编辑)：对对象的拷贝、删除、选定、临时保存等功能。Tools(工具):包括常用的各种制作工具。Group(组):将多个物体组为一个组，或将一个组分解为多个物体。Views(视图):对视图进行操作，但对对象不起作用。Rendering(渲染):通过某种算法，体现场景的灯光、材质和贴图等效果。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第39页。TrsckView(轨迹视图):控制有关物体运动方向和它的轨迹操作。SchematicView(概要观看)：一个方便有效、有利于提高工作效率的视窗。Customize(定制)：方便用户按照自已的爱好设置操作界面。MAXScript(打开脚本)：这是有关编程的东西。将编好的程序放入3dsMax中来运行。Help(帮助)：关于这个软件的帮助，包括在线帮助、插件信息等。(2)工具栏工具栏如图8-21所示。

：是3dsMax的帮助图标，按一下它，再按一下工作窗口，相关的帮助就会出现。：左边的按钮为撤销上次操作，右边按钮为恢复上次操作，很常用。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第40页。：左边按钮为选择对象，使之和其他的对象链接，建立父子关系，右边按钮为撤消链接。：结合到空间扭曲，使物体产生空间扭曲效果。：选择对象组按钮。第一个图标单击选择物体。第二个单击选区选择矩形区域，它下面有个小三角形，用鼠标按住它后，还有椭圆和自由边选择框二种。第三个图标是选择过滤器。：第一个为根据名字选择物体；第二个按钮是选择并移动物体；第三个是选择并旋转物体；第四个是选择并缩放物体，它下面还有两个缩放工具，一个是正比例缩放，一个是非比例缩放，按定小三角一秒就可以看到这两个缩放的图标。：使用物体轴心点作为变换中心，它也还有两个选择，一个是使用选择轴心，一个是使用选用转换坐标轴心。也是按定它后可以见到另两个轴心变换图标。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第41页。:按下X就是说物体只能在X轴移动或变换；按下Y就是只能在Y轴进行操作；按下Z就是只能在Z轴操作。：选择它之后物体可以在XY轴进行移动和操作。：反向动力开关，用来打开或关闭反向动力学。：第一个图标按钮是对当前选择的物体进行镜像操作；第二个是对当前选择的物体进行环形阵列操作；第三个是对齐当前的对象。：第一个是打开轨迹视窗；第二个是打开关联物体的子父关系。：第一个是材质编辑器，打开后就会弹出一个材质编辑窗(图8-22)，从而对物体的材质进行贴图处理。第二个是渲染场景，打开后弹出一个渲染窗，可进行动画的输出时间、输出大小、图质等设置。第三个是快速渲染，做好了动画之后想看下效果，就按它看一下。第四个是选择渲染的条件。第五个是接上次渲染。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第42页。(3)视口区工作视窗是用户创建模型、贴材质、打灯光和渲染的工作环境，默认状态下分为四个视图，以不同的角度、不同的显示方式和安排方式来观察场景，右下角是一个透视视图，其余的分别为顶视图、前视图和左视图。(4)命令面板作为3dsMax的核心部分，命令面板包括了场景中建模和编辑物体的常用工具及命令。命令面板上共有六个图标按钮，用鼠标点一下，在下面就会出现卷展栏，卷展栏也是命令面板的一部分。在这六个图标中，第一个是Create(创建)，用于创建基本的物体。第二个是Modify(修改)，用于修改和编辑被选择的物体。第三个是Hierarchy(层级)，用来控制有关物体的层次连接。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第43页。第四个是Motion(运动)，用来控制动画的变换，比如位移、缩放、轨迹等运动的状态。第五个是Display(显示)，用于控制并影响物体在视图中的显示状态。第六个是Utilitiew(嵌入程序)，它包含常规实用程序和插入实用程序，也包括了动力计算等方面的程序。(5)状态栏状态行的内容表明当前你选择了什么物体。允许锁住当前的选择以保证在选择其他物体时不发生意外。它提供当前操作的读出坐标以及当前激活视口的网格单位。(6)提示行提示行显示正在使用的当前工具的扩展描述以及一些图标的设置方式。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第44页。(7)时间控制该部分的全程应叫做动画时间控制器，它包括下面的瞬时时间滑条，一个较大的动画图标在它的右边，并且在动画图标的右边有八个控制图标。(8)视图导航使用3dsMax屏幕右下角的视口导航控制器可以改变场景的观察效果，但不改变在场景中的物体。3.Pro/ENGINEER软件简介Pro/ENGINEER是美国PTC公司(即美国参数技术公司)推出的一套由设计至制造的CAD/CAM系统软件，集零件造型、零件组合、创建工程图、模具设计、数控加工等功能为一体，广泛地应用于造型设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、有限元分析及关系数据库管理等各个领域，目的是为工业产品设计提供完整的解决方案，在航空航天、8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第45页。机械、汽车、模具等行业有广泛的应用，是目前进行产品开发、模具设计及制造的最为有效的工具之一。如果您是一位产品设计师，利用该软件的实体建模、曲面建模、自由造型、图形渲染等功能，可轻松实现您的构思与创意；如果您是一位结构或工程设计师，利用该软件，不但可建立零件模型，还可轻松建立部件、整机的装配模型，还可对设计的产品在计算机上预先进行动态与静态分析、装配干涉检验，甚至可体验运动仿真功能，令您的设计快速高效。Pro/Engineer功能如下：(1)特征驱动即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括筋(Ribs)、槽(Slots)、倒角(Chamfers)和抽空(Shells)等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第46页。基于特征的实体模型化系统，工程设计人员可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。(2)三维实体造型与曲面造型系统以三维实体造型为主要造型模式，设计者的设计结果可用真实模型表现出来，并可随时进行模型相关物理量如体积、面积、质量、惯性矩等的计算，另外系统还提供了曲面造型模式，Pro/E生成曲面的方法有拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等，设计者可设计出形状不规则的曲面甚至自由曲面。(3)参数化配合单一数据库，Pro/E引入了约束机制，首创了参数化设计模式。参数指尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等，在设计产品模型时可随时对模型参数进行修改，则模型就按修改发生相应的改变；8.2三维实体造型设计上一页下一页返回计算机辅助分析与设计全文共75页，当前为第47页。另外，参数化设计还可建立起模型参数间尺寸的数学关系式，使设计产品的方法更丰富、更便捷。(4)单一数据库和贯穿所有应用的完全相关性所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，任何