現代設計方法自考(筆記).doc

緒論 1、工程設計的發(fā)展經歷了在直覺設計、經驗設計、中間實驗輔助設計和現代設計四個階段。 2、現代設計方法與傳統設計方法相比實現了如下幾方面的轉變： 從定性分析向定量分析、從靜態(tài)分析向動態(tài)分析、從零部件計算向整機計算、從手工設計計算向自動化設計計算及由安全設計向優(yōu)化設計等。 3、動態(tài)性能包括： 固有特性，即各階固有頻率、模態(tài)振型和阻尼特性等 系統在外部激振力作用下的響應，即動態(tài)應力和動態(tài)位移等 系統在工作狀態(tài)下產生自激振動的可能性等。 4、對整臺機器的分析計算工作由于兩個原因遲遲未能進行： 在整機結 構復雜，需要完成巨大的計算工作量； 對零件的連續(xù)部分（稱為結合部）的特性缺乏研究。 5、按零件簡結合部的連接方式來分，可分為固定連接和滑動連接。 6、現代化 CAD 工作站所完成的任務包括：利用計算中的專家系統協助確定技術參數和總體方案；繪制總圖和零件圖；使用有限元對其動、靜態(tài)性能進行分析計算；通過優(yōu)化設計不斷地進行修改，以獲得最優(yōu)設計方案；在屏幕上顯示設計結果，還可以圖樣和數據的形式輸出。 7、常用建立數學模型的方法，除有限元外，還有鍵圖法、邊界元法和控制工程。 8、鍵圖法是一種為系統建造數學模型的方法。 9、模型試驗設計的過程包括：根據相似理論，設計制造出實物的相似模型；根據設計的要求對其加載進行測試，以判斷其結構和尺寸的合理性；根據測試結果，對原設計進行修改，使其更加完善。 10、模型試驗設計的主要優(yōu)點是：可以在時間、材料和儀器等花費都相對不大的情況先，對多種模型進行分析比較以獲得更好的設計方案，加速新產品的開發(fā)。由于模型在結構的相似性和測試條件上畢竟與實物有差異，所以模型試驗結果就會有一定誤差，這就是他的局限性。 11、技術經濟分析，是技術科學與經濟學綜合發(fā)展的產物；它應用的一個重要方面是在新產品開發(fā)時 進行技術的選擇和技術經濟的評價，以便從多個技術方案中 選出經濟效果最佳的方案。 第一章 計算機輔助設計 第一節(jié) CAD系統概述 1、 CAD（計算機輔助設計）指人們在計算機軟、硬件的輔助下對產品或工程進行設計、繪圖、分析計算、修改和編寫技術文件及顯示、輸出的一種設計方法。 2、一般把應用于 CAD 作業(yè)的計算機（中、小 型或微型計算機等）、軟件（計算機的操作系統、圖形支撐軟件和專業(yè)應用軟件等）以及外圍設備（打印機和繪圖儀等），總稱為 CAD 系統。 3、 70年代，出現了將 CAD硬件與軟件配套交付用戶的“交鑰匙系統” 4、 CAD 技術在機械工業(yè)中主要應用有二維繪圖、圖形及符號庫、參數化設計、三維造型、工程分析（常見的有有限元分析、優(yōu)化設計、運動學及動力學分析等）設計文檔和生成報表。 5、 CAD技術的主要特點有以下幾個方面： 1）制圖速度快，減少手工繪圖時間，提高了工作效率。 2）圖樣格式統一，質量高，促進設計工作規(guī)范化、系列化和標準化。 3）提高分析計算速度，能解決服裝設計計算問題。 4）易于技術資料的保存及查找，修改設計快，縮短了產品設計周期。 5）設計時可預估產品性能。 6、 CAD涉及到的基礎技術： （ 1）圖形處理技術（ 2）工 程分析技術（如有限元分析、優(yōu)化設計方法、物理特性計算、模擬仿真以及各行各業(yè)中的工程分析）（ 3）數據管理與數據交換技術 （ 4）文檔處理技術（ 5）軟件設計技術。 7、 CAD 系統可根據其用途來分類如機械 CAD 系統、電氣 CAD 系統等，目前最常見的硬件分類： （ 1）集中式主機系統（ 2）分布式工程工作站系統（ 3）微型計算機系統。 第二節(jié) CAD系統的硬件和軟件 1、典型的 CAD 系統基本硬件一般由主機、輸入設備、輸出設備和存儲設備四部分組成。 2、計算機主要是指計算機的中央處理器 CPU 和內存儲器兩部分，它們是控制和 指揮整 個系統運行并執(zhí)行實際運算、邏輯分析的裝置，是系統的核心。 3、輸入設備主要有鍵盤、光筆、鼠標器、數字化儀和圖形掃描儀。 與主機的標準端口 RS-232C串口連接的有鼠標器、數字化儀和圖形掃描儀。 主要作用是將字符、平面上或空間中點的坐標輸入計算機，其基本功能是“定位”和“拾取”。“定位”是確定和控制光標在屏幕圖形上的位置，“拾取”是選取屏幕圖形上的某一內容。 4、計算機的鍵盤分字符鍵、數字鍵和功能鍵三種。 5、光筆是一種檢測裝置，它能夠將屏幕上的顯示狀態(tài)（明暗變化）轉換為電信號，送給計算機。 6、鼠標器用 來控制和移動光標在屏幕上的位置，有機械式和光電式之分。 數字化儀有電磁感應式、靜電感應式、超聲波式以及磁致伸縮式；其作用是輸入圖形、跟蹤光標位置和選擇菜單；數字化儀的典型指標是：分辨率、精度、重復精度、板的面積等。 7、圖形掃描儀是直接把圖形掃描輸入計算機中，以像素信息進行存儲表示的設備；按顏色可分為單色掃描儀和彩色掃描儀；按所采用的固態(tài)器件可分為電荷耦合器件（ CCD）掃描儀、 MOS電路掃描儀、緊貼型掃描儀等。 8、 CCD 掃描儀的工作原理是：用光源照射原稿，投射光線經過一組光鏡頭射到CCD 器件上，再經過模 /數轉換器、圖像數據暫存器等，最終輸入到計算機或者圖形 /文字輸出設備。 9、常用的圖形輸出設備可分為兩大類： （ 1）是與圖形輸入設備相結合，構成具有交互功能的可以快速生成和刪改圖形的顯示設備；（ 2）是在紙或其它介質上輸出的可以永久保存圖形的繪圖設備。它包括顯示設備和繪圖設備。 10、顯示設備包括圖形適配器和圖形顯示器；從成像原理上有隨機掃描式、存儲管和光柵掃面式三種。 11、繪圖設備包括： 1）滾筒式繪圖儀 2）平板式繪圖儀 3）靜電式繪圖儀 12、滾筒式繪圖儀是按插補原理進行的，繪圖筆沿 X或 Y方向移動 一步的距離稱為步距，也叫脈沖當量，滾筒式繪圖儀結構簡單，價格便宜，易于操作，占地面 積小，繪圖速度快，但精度低。 13、平板式繪圖儀其特點體積小，重量輕，價格低，但繪圖速度、精度低。 14、靜電式繪圖儀的主要技術指標有：繪圖速度、步距、繪圖精度、繪圖儀功能等。 15、數據存儲設備主要指外存儲器，是用來存放大量的暫時不用而等待調用的程序和數據的裝置。 系統對存儲設備的要求：一是存儲量大，二是存取效率高。 磁盤有軟磁盤和硬磁盤兩種。但由于磁帶是順序存取工作方式，不便于是隨機訪問的數據存儲，故一般用于存儲批量大、使 用頻繁的數據和用于備份保存數據。 16、 CAD系統由硬件和軟件兩部分組成。軟件是實現 CAD各項功能技術的核心；計算機軟件是指與計算機操作使用有關的程序、規(guī)程、規(guī)則以其相關文檔資料的總和。 17、 CAD以軟件可分為三類和起作用： （ 1）系統軟件 系統軟件是直接配合硬件工作并對其它軟件起支撐作用的軟件，主要指操作系統及各種計算機語言等；（ 2）支撐軟件 CAD 支撐軟件是指在 CAD系統中，支撐用戶進行 CAD 的通用性功能軟件；（ 3）專用軟件 專用軟件是專門為適應用戶特定使用條件需要而開發(fā)的軟件。 18、系統軟件包括操 作系統、計算機語言、網絡通信及管理軟件和數據庫及數據庫管理軟件； 19、支撐軟件包括基本圖形資源軟件、二維三維繪圖軟件、幾何造型軟件、工程分析及計算軟件和文檔制作軟件。 第三節(jié) CAD系統的圖形處理 1、最基本圖素類型可分為兩類：一類以直線線段為最基本圖素，二類以點為最基本的圖素。 2、坐標系統分為世界坐標系（無界的）、設備坐標系（有界的）和規(guī)格化設備坐標系（有界的）。 3、常對二維或三維圖形進行各種幾何變換（平移、旋轉、縮放等）和投影變換（多面正投影、軸測投影、透視投影等）。無論哪種變換，只要保持圖形上各 特征點之間的連接關系不變而按一定的規(guī)律改變圖形上各點的幾何坐標，就可以得 到經變換后的新的圖形。 4、基本變換包括比例變換、壓縮變換、對稱變換、旋轉變換和錯切變換。 5、比例變換 對圖形以坐標原點為中心進行放大或縮小的變換， 變換矩陣為 000 0 0 , 00 0 1aT d a b a和 b分別 x和 y方向的比例因子。若 a=b=1 為恒等變換；若 a=b 1 為等比放大變換， a=b 1 為等比縮小變換；若ab 則變換后的圖形產生畸變。 6、壓縮變換 將二維圖形壓縮到某條坐標軸或者原點的變換；將圖形壓縮到 x坐標軸上 變換矩陣為 1 0 00000 0 1T；將圖形壓縮到 y軸上 變換矩陣為 0000 1 00 0 1T；將圖形壓縮到原點上 變換矩陣為 0000000 0 1T。 7、對稱變換 圖形以坐標原點為中心對稱于坐標原點或者某一條軸線的變換； 關于 x軸對稱變 換矩陣為 1 0 00 1 00 0 1T；關于 y軸對稱變換矩陣 1 0 00 1 00 0 1T關于原點對稱的轉換矩陣 1 0 00 1 00 0 1T；對稱于 +45線對稱時 0 1 01 0 00 0 1T；對稱于 -45線時 0 1 01 0 00 0 1T 8、旋轉變換 在二維平面內，點或平面圖形繞坐標原點旋轉角的變換，且規(guī)定逆時針方向旋轉為正，順時針為負。旋轉的變換矩陣 c o s s i n 0s i n c o s 00 0 1T。 9、錯切變換 二維圖形在某一個坐標軸方向的坐標值不變，而平行于另一個坐標軸的線傾斜角，或平行于兩條坐標軸的線都傾斜角的變換； 沿 x方向錯切的變換矩陣 1 0 0100 0 1Tc；沿 y方向錯切的變換矩陣 100 1 00 0 1bT 沿 x、 y兩個方向錯切的變換矩陣 10100 0 1bTc 10、二維圖形的變換矩陣 a b pT c d ql m s中 abcd可實現圖形的比例、對稱、旋轉、錯切四種基本變換。 lm的功能是實現平移變換， ml、 分別為 x、 y方向的平移。 s 的作用是全比例變換； 1s 時等比例縮??； 01s 是等比例放大當 1s 時則為恒等變換。 pq的作用是產生透視變換。 11、三維圖形的幾何變換矩陣a b c pd e f qTh i j rl m n s式中 a b cd e fh i j為產生比例、對稱、旋轉、錯切四種基本變換； l m n 為產生沿三個軸向的平移變換； s為全比例變換， 1s 時等比例縮??； 01s 是等比例放大當 1s 時則為恒等變換； Tpqr的作用是產生透視變換。 12、三維在比例變換中 a,e,j分別為 x,y,z 三個方向的縮放系數。 13、對稱變換 基本對稱包括對坐標原點、坐標軸以及坐標平面的對稱變換；原理：關不變，不關則變；例如對 xoy坐標平面對稱時除立體上各點的 z坐標改變外， x,y坐標均不變故變換矩陣1 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 1T. 14、旋轉變換 繞 x 軸旋轉角。立 體繞 x軸旋轉時 x坐標不變， y， z坐標變換， 變換矩陣為1 0 0 00 c o s s i n 00 s i n c o s 00 0 0 1T。 15、錯切變換矩陣的特點是主對角線元素為 1，第 4行第 4列的其余元素全為 0，即1010100 0 0 1bcdfThi；沿 x含 y錯切（沿列含行）的變換矩陣1 0 0 01 0 00 0 1 00 0 0 1dT；沿 z含 y錯切1 0 0 00 1 00 0 1 00 0 0 1fT。 16、壓縮變換 壓縮到 xoy平面時 z坐標變?yōu)?0，其變換矩陣為1 0 0 00 1 0 000000 0 0 1T。 17、投影變換包括多面正投影、軸測投影和透視投影； 正投影的變換矩陣1 0 0 000000 0 1 00 0 0 1VT；側面投影變換矩陣0 0 0 01 0 0 00 0 1 00 0 1wTl 水平投影變換矩陣；1 0 0 00 0 1 00 0 0 00 0 1HTn。 18、 軸測投影變換包括正軸測投影和斜軸測投影；正軸測投影變換的方法：先使立體繞 z軸旋轉角，再繞 x軸旋轉 0 角最后向 xoz坐標平面投影。 變換矩陣c o s s i n 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0s i n c o s 0 0 0 c o s s i n 0 0 0 0 00 0 1 0 0 s i n c o s 0 0 0 1 00 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1c o s 0 s i n s i n 0s i n 0 c o s s i n 00 0 c o s 00 0 0 1ZT 斜軸測投影圖是使立體先沿 x含 y錯切在沿 z含 y錯切，最后向 xoz 坐標面投影形成的；其變換矩陣為1 0 0 0000 0 1 00 0 0 1dfT。 19、透視投影變換 透視圖和軸測圖都是單面投影圖，所不同的軸測圖是用于平行投影原理形成的，透視圖是用于中心投影原理形成的。滅點即直線上無窮遠的透視點。 20、窗口是在用戶坐標系中定義的確定顯示內容的一個矩形區(qū)域，只有在這個區(qū)域的圖形才能在設備坐標系下輸出，而窗口外的部分則被裁掉。用矩形左下角點的坐標 ,xl ybWW和右上角的坐標 ,xr ybWW來確定窗口的大小和位置。 21、視區(qū)是在設備坐標系中定義的一個矩形區(qū)域，用于輸出窗口中的圖形；視區(qū)決定了窗口中的圖形要顯示屏幕上的位置和大小。 22、窗口和視區(qū)的匹配，就是將兩個矩形區(qū)域的點按相對位置一一對應起來。則有v x l w x lx r x l x r x lv y b w y by t y b y t y bx V x WV V W Wy V y WV V W W 窗口與視區(qū)有以下作用：固定視區(qū)的參數，改變窗口參數，可以改變視區(qū)中顯示的比例。 （ 1）如果同時增大窗口的高度和寬度，則視區(qū)顯示內容范圍增大，圖形比例縮??；（ 2）如果 只改動窗口左下角坐標，則顯示的比例不變，但顯示的范圍產生左右、上下移動。如果要使窗口 視區(qū)變換后的圖形在視區(qū)中輸出時不產生失真 現象，在定義窗口和視區(qū)時，必須保證是窗口和視區(qū)的高度和寬度的比例相同。 23、 Cohen Sutherland 算法亦稱為編碼裁剪法考慮：每一線段或者整個位于窗口的內部，或者能夠被窗口分割而使其中的一部分很快地被舍去。算法分為兩步：（ 1）先確定一條線段是否整個位于窗口內，若不是，則確定該線段是否整個位于窗口外，若是則舍去； （ 2）如果第一步的判斷不成立，那么就通過窗口邊界所在的直線將 線段分成兩部分，再對每一部分進行第一步測試。 第一位是端點在窗口的左側，第二位是端點在窗口的右側，第三位是在窗口的下側，第四位是在窗口的上側。如果兩個端點的編碼