機(jī)械CADCAM原理及應(yīng)用課件完整

1、機(jī)械CAD/CAM原理及應(yīng)用機(jī)械CAD/CAM原理及應(yīng)用 第1章CAD/CAM概述 第2章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） 第3章計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）目錄 第4章計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（CAPP） 第5章計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM） 第6章CAD/CAM技術(shù)的集成與發(fā)展 第1章CAD/CAM概述 第2章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CADCAD/CAM概述 第1章CAD/CAM概述 第1章計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)融合傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造機(jī)械CAD/CAM計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)融合傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造機(jī)械CAD/CAM1.1 CAD/CAM基本知識(shí)西安文理學(xué)院傳統(tǒng)的制造過(guò)程：產(chǎn)品從市場(chǎng)需求分析開始，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、

2、工藝設(shè)計(jì)、加工裝配、 產(chǎn)品物流等環(huán)節(jié)，最后形成用戶所需要的產(chǎn)品。CAD/CAM環(huán)境下：計(jì)算機(jī)為工具，輔助進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工程分析、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等各階段工作。1.1 CAD/CAM基本知識(shí)西安文理學(xué)院傳統(tǒng)的制造過(guò)程：產(chǎn)1.1.1 CAD/CAM基本概念1.CAD (Computer Aided Design, CAD)狹義：計(jì)算機(jī)為工具輔助人們完成產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、工程繪圖、技術(shù)要求等操作。廣義：廣義的CAD包括設(shè)計(jì)與分析兩個(gè)方面。2. CAE（Computer Aided Engineering, CAE） 是以計(jì)算機(jī)為輔助工具，進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、傳熱、工作場(chǎng)等力學(xué)

3、分析及結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的一種數(shù)值分析方法。3. CAPP（Computer Aided Process Planning, CAPP） 利用計(jì)算機(jī)輔助確定產(chǎn)品加工方法的選擇和工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)，輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝性文件。4.CAM（Computer Aided Manufacturing, CAM）的定義有狹義的和廣義之分。狹義：指計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程，包括刀具路徑規(guī)劃、刀具軌跡仿真、NC代碼生成等。廣義：利用計(jì)算機(jī)輔助完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造整個(gè)過(guò)程的活動(dòng)。1.1.1 CAD/CAM基本概念1.CAD (Comput CAD/CAPP/CAE/CAM “4C”技術(shù) CIMS注意： CA

4、D/CAM是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù)，如計(jì)算機(jī)輔助訂貨（Computer Aided Order, CAO）；計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)（Computer Aided Assembly Planning, CAAPP）；計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理（Computer Aided Quality System，CAQ）等。 CAD/CAPP/CAE/CAM “4C1.1.2 CAD/CAM的功能與任務(wù)1. CAD/CAM系統(tǒng)的基本功能（1）圖形顯示功能 （2）輸入輸出功能 （3）存儲(chǔ)功能 （4）人機(jī)交互功能 1.1.2 CAD/CAM的功能與任務(wù)1. CAD/CAM系2. CAD/CAM系統(tǒng)的主要任務(wù)幾何造型計(jì)算分析

5、工程繪圖特征造型結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝規(guī)程設(shè)計(jì)NC自動(dòng)編程模擬仿真工程數(shù)據(jù)管理1.1.2 CAD/CAM的功能與任務(wù)2. CAD/CAM系統(tǒng)的主要任務(wù)幾何造型計(jì)算分析工程繪圖特1.2 CAD/CAM的發(fā)展歷史1.2.1 CAD/CAM技術(shù)的產(chǎn)生20世紀(jì)60年代1946年美國(guó)11962年美國(guó)351952年美國(guó)2“人機(jī)對(duì)話圖形通訊系統(tǒng)”小型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)”20世紀(jì)60年代4“CAD/CAM技術(shù)出現(xiàn)”20世紀(jì)80年代6“第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生”20世紀(jì)80年代7“第一臺(tái)數(shù)控銑床”“提出DNC系統(tǒng)”“CAD軟件問(wèn)世”1.2 CAD/CAM的發(fā)展歷史1.2.1 CAD/CAM技1.2.2 CAD/CAM技術(shù)步入發(fā)展

6、輸入輸出設(shè)備出現(xiàn)圖形編輯功能完善數(shù)據(jù)接口支持CAD/CAM初步集成1.2.2 CAD/CAM技術(shù)步入發(fā)展輸入輸出設(shè)備出現(xiàn)圖形編1.2.3 我國(guó)CAD/CAM的發(fā)展現(xiàn)狀第一汽車制造廠和第二汽車制造廠、天津內(nèi)燃機(jī)研究所完成的“建立汽車計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造系統(tǒng)”；洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠開發(fā)的輪式拖拉機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)；杭州汽輪機(jī)廠著力打通推廣CAD/CAM系統(tǒng)。典型自主版權(quán)軟件：設(shè)計(jì)類有華中科技大學(xué)的開目CAD、KMCAPP，凱圖CAD；北京航空航天大學(xué)的CAXA軟件、PANDA軟件；清華大學(xué)和華中理工大學(xué)共同研制的CADMIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化特征造型、曲面造型、數(shù)控加工、有限元分析的集成。在數(shù)控方面

7、，南京航空航天大學(xué)的超人CAD/CAM和華中理工大學(xué)的GHNC均實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面的造型和數(shù)控代碼的自動(dòng)生成。工程數(shù)據(jù)庫(kù)方面有華中科技大學(xué)的GHEDBMS和浙江大學(xué)的OSCAR。1.2.3 我國(guó)CAD/CAM的發(fā)展現(xiàn)狀第一汽車制造廠和第二1.3 CAD/CAM的支撐環(huán)境CAD/CAM 主要組成：人+硬件+軟件1.3 CAD/CAM的支撐環(huán)境CAD/CAM 主要組成：人1.3.1 CAD/CAM的硬件1. CAD/CAM對(duì)硬件的主要要求： 強(qiáng)大的人機(jī)交互功能 強(qiáng)大的外存儲(chǔ)容量 良好的聯(lián)網(wǎng)通訊功能 2. 系統(tǒng)造型及配置應(yīng)考慮： 企業(yè)特點(diǎn)、規(guī)模、目標(biāo)、發(fā)展趨勢(shì)等確定配置 從整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期中各階段要

8、求出發(fā) 還應(yīng)考慮有效使用管理并使其發(fā)揮作用1.3.1 CAD/CAM的硬件1. CAD/CAM對(duì)硬件的（1）主 機(jī) 組成：CPU+內(nèi)存+主板（2）內(nèi)存儲(chǔ)器 分類：RAM、ROM、Cache（3）外存儲(chǔ)器 類別：硬盤、軟盤、閃盤、 光盤、 磁盤（4）輸入設(shè)備 類別：鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、觸摸屏、語(yǔ)音輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)手套等（5）輸出設(shè)備 類別：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等（6）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 類別：服務(wù)器、電纜、網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、集線器、中繼器、路由器、網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)等 3. CAD/CAM主要硬件設(shè)備：1.3.1 CAD/CAM的硬件（1）主 機(jī) 組成：CPU+內(nèi)存+主板 3機(jī)械CADCAM原

9、理及應(yīng)用課件完整常用硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1 總線型2 星型3 環(huán)形結(jié)構(gòu)4 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)5 混合型常用硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1 總線型1.3.2 CAD/CAM的軟件軟件：各種程序及其相關(guān)資料和數(shù)據(jù)程序：指揮硬件工作的指令集合軟件分類：系統(tǒng)軟件、支撐軟件、應(yīng)用軟件1.3.2 CAD/CAM的軟件軟件：各種程序及其相關(guān)資料和常用操作系統(tǒng)：DOS、Unix 、Linux常用窗口系統(tǒng)：Windows 計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言：Visual C+、Visual Basic、Java等 網(wǎng)絡(luò)通訊及其管理軟件：MAP、TOP、TCPIP等協(xié)議 1. 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)/窗口系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、網(wǎng)絡(luò)通訊及其管理三大部

10、分。操作系統(tǒng)任務(wù)：管理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和指令 執(zhí)行對(duì)作業(yè)和進(jìn)程的控制，完成運(yùn)算和操作 管理外存設(shè)備上的文件系統(tǒng) 管理外圍設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備間的信息交換1.3.2 CAD/CAM的軟件常用操作系統(tǒng)：DOS、Unix 、Linux計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言：2. 支撐軟件 支撐軟件是支撐用戶進(jìn)行CAD/CAM 工作的通用性軟件。 支撐軟件劃分為基本圖形資源與自動(dòng)繪圖、幾何造型、工程分析與計(jì)算、仿真與模擬、專用設(shè)備控制程序生成、集成與管理等6大部分。 常用CAD/CAM支撐軟件：AutoCAD/Inventor、CREO(Pro/E)、UG、SolidWorks、SolidEdge、MasterCAM etc .1.3

11、.2 CAD/CAM的軟件2. 支撐軟件常用CAD/CAM支撐軟件：AutoCAD/I3. 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用用戶為解決策類實(shí)際問(wèn)題而自行開發(fā)或委托開發(fā)的程序系統(tǒng)。應(yīng)用軟件可分為：檢索與查詢軟件、專用計(jì)算與算法軟件、專用圖形生成軟件、專用數(shù)據(jù)庫(kù)、專用設(shè)備接口與控制程序（含專用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）、專用工具軟件等。 常用應(yīng)用軟件編程語(yǔ)言：C/C+、Java、basic、Fortran、Lisp、匯編等1.3.2 CAD/CAM的軟件3. 應(yīng)用軟件常用應(yīng)用軟件編程語(yǔ)言：C/C+、Java、bCAD/CAM系統(tǒng)工作環(huán)境CAD/CAM系統(tǒng)工作環(huán)境THE ENDTHE END 第1章CAD/CAM概述 第2

12、章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） 第3章計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）目錄 第4章計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（CAPP） 第5章計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM） 第6章CAD/CAM技術(shù)的集成與發(fā)展 第1章CAD/CAM概述 第2章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） 第2章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） 第2章2.1 CAD的基本功能在設(shè)計(jì)中通常要用計(jì)算機(jī)對(duì)不同方案進(jìn)行大量的計(jì)算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計(jì)信息可以存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計(jì)人員從草圖開始設(shè)計(jì)，到草圖生成實(shí)體模型，以及生成工程圖的繁重工作可以交給計(jì)算機(jī)完成；利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行圖形的生成、編輯、實(shí)體化、真實(shí)感顯示

13、、渲染等有關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助圖形數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)工作。12342.1 CAD的基本功能在設(shè)計(jì)中通常要用計(jì)算機(jī)對(duì)不同方案進(jìn)行西安文理學(xué)院2.1.1 CAD的基本技術(shù)交互技術(shù)設(shè)計(jì)人員計(jì)算機(jī)圖形變換技術(shù)平移旋轉(zhuǎn)縮放透視變換實(shí)體造型技術(shù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫虛擬現(xiàn)實(shí)真實(shí)感設(shè)計(jì)技術(shù)陰影消隱色彩紋理西安文理學(xué)院2.1.1 CAD的基本技術(shù)交互技術(shù)設(shè)計(jì)人員計(jì)算2.1.2 CAD的關(guān)鍵技術(shù)概念設(shè)計(jì)技術(shù)客戶需求到概念產(chǎn)品模糊到清楚抽象到具體工程美學(xué)技術(shù)工程設(shè)計(jì)與美學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)合集成功能美、材料美、形式美、技術(shù)美創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)科學(xué)性創(chuàng)新性新穎性參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)化圖元參數(shù)化修改引擎模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)子功能、子系統(tǒng)縮短生產(chǎn)周期提高產(chǎn)品維護(hù)

14、性2.1.2 CAD的關(guān)鍵技術(shù)概念設(shè)計(jì)技術(shù)客戶需求到概念產(chǎn)品模2.1.3 CAD技術(shù)帶來(lái)的收益改善優(yōu)化產(chǎn)品縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、減少錯(cuò)誤方便記錄設(shè)計(jì)過(guò)程文檔等相關(guān)數(shù)據(jù)便于產(chǎn)品之間數(shù)據(jù)共享及協(xié)同開發(fā)很容易重用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳實(shí)踐2.1.3 CAD技術(shù)帶來(lái)的收益改善優(yōu)化產(chǎn)品縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期2.2 圖形生成技術(shù)平面圖形生成技術(shù)；二維圖形變換技術(shù)；三維圖形變換技術(shù)；圖形裁剪技術(shù)。12342.2 圖形生成技術(shù)平面圖形生成技術(shù)；二維圖形變換技術(shù)；三維2.2.1 平面圖形生成技術(shù)直線的生成逐點(diǎn)比較法數(shù)值微分法Bresenham法2.2.1 平面圖形生成技術(shù)直線的生成逐點(diǎn)比較法數(shù)值微分法B2.

15、2.1 平面圖形生成技術(shù)圓、圓弧、橢圓生成法圓的生成算法圓弧的生成算法橢圓的生成算法2.2.1 平面圖形生成技術(shù)圓、圓弧、橢圓生成法圓的生成算法2.2.1 平面圖形生成技術(shù)區(qū)域填充算法（面）種子填充算法掃描線填充算法用于任意復(fù)雜的閉合邊界的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行填充。在任意不間斷區(qū)域中只取一個(gè)種子像素進(jìn)行掃描填充。2.2.1 平面圖形生成技術(shù)區(qū)域填充算法（面）種子填充算法掃2.2.1 平面圖形生成技術(shù)字符的生成點(diǎn)陣式字符輪廓式字符編碼式字符使用二進(jìn)制矩陣進(jìn)行著色來(lái)顯示字符。采用直線或Bezier曲線的集合來(lái)顯示字符。根據(jù)編碼方式對(duì)應(yīng)的字符庫(kù)中的字符樣式顯示。2.2.1 平面圖形生成技術(shù)字符的生成點(diǎn)陣式字符

16、輪廓式字符編顯式表示隱式表示參數(shù)表示2.2.1 平面圖形生成技術(shù)曲線、曲面的生成曲線的數(shù)學(xué)表示參數(shù)曲線的矢量定義常用曲線曲面定義Bezier曲線曲面B樣條曲線曲面NURBS曲線曲面顯式表示2.2.1 平面圖形生成技術(shù)曲線、曲面的生成曲線的數(shù)2.2.2 二維圖形變換技術(shù)1.圖形的基本要素及表示方法：點(diǎn)二維：三維：2.齊次坐標(biāo)變換（原點(diǎn)集）變換矩陣=（新點(diǎn)集）齊次坐標(biāo)表示法，就是用n+1維向量表示一個(gè)n維向量。2.2.2 二維圖形變換技術(shù)1.圖形的基本要素及表示方法：點(diǎn)2.2.2 二維圖形變換技術(shù)2. 二維圖形幾何變換：對(duì)圖形進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱、錯(cuò)切等變換；：對(duì)圖形進(jìn)行平移變換；：對(duì)圖形作投影變

17、換；：對(duì)圖形作伸縮變換。*T=2.2.2 二維圖形變換技術(shù)2. 二維圖形幾何變換：對(duì)圖形進(jìn)2.2.2 二維圖形變換技術(shù)2.2.2 二維圖形變換技術(shù)2.2.2 二維圖形變換技術(shù)2.2.2 二維圖形變換技術(shù)2.2.2 二維圖形變換技術(shù)組合變換2.2.2 二維圖形變換技術(shù)組合變換2.2.3 三維圖形變換技術(shù)1. 三維圖形幾何變換對(duì)圖形進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱、錯(cuò)切等變換；對(duì)圖形進(jìn)行平移變換；對(duì)圖形作投影變換；對(duì)圖形作整體比例變換。*T3D=三維圖形典型變換矩陣見(jiàn)表2.2.2.2.2.3 三維圖形變換技術(shù)1. 三維圖形幾何變換對(duì)圖形進(jìn)行2.2.3 三維圖形變換技術(shù)2. 投影變換2.2.3 三維圖形變換技術(shù)

18、2. 投影變換2.2.3 三維圖形變換技術(shù)透視投影變換2.2.3 三維圖形變換技術(shù)透視投影變換2.2.4 圖形裁剪技術(shù)1.坐標(biāo)系規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系是右手定則直角坐標(biāo)系，用來(lái)定義視圖區(qū)，是與具體設(shè)備無(wú)關(guān)的規(guī)格化的設(shè)備坐標(biāo)系。坐標(biāo)系用戶坐標(biāo)系設(shè)備坐標(biāo)系觀察坐標(biāo)系規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系用戶在定義一個(gè)圖形時(shí)，用來(lái)描述圖形中各元素的位置、形狀和大小的坐標(biāo)系。圖形輸出設(shè)備（如顯示器、繪圖機(jī)等）自身具有的坐標(biāo)設(shè)備坐標(biāo)系。一是用于指定裁剪空間，即確定物體要顯示輸出的部分；二是用于通過(guò)在觀察坐標(biāo)系中定義觀察平面，把三維物體的用戶坐標(biāo)系變換為規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系。2.2.4 圖形裁剪技術(shù)1.坐標(biāo)系規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系是右手定則2

19、.2.4 圖形裁剪技術(shù)2.圖形輸出窗口是在用戶坐標(biāo)系中定義，用以確定顯示內(nèi)容的一個(gè)矩形區(qū)域。視區(qū)是用戶用設(shè)備坐標(biāo)系在屏幕上定義的一個(gè)小于或等于屏幕的區(qū)域。2.2.4 圖形裁剪技術(shù)2.圖形輸出窗口是在用戶坐標(biāo)系中定義2.2.4 圖形裁剪技術(shù)窗口和視區(qū)的坐標(biāo)變換2.2.4 圖形裁剪技術(shù)窗口和視區(qū)的坐標(biāo)變換2.2.4 圖形裁剪技術(shù)窗口和視區(qū)的變換關(guān)系a.視圖區(qū)大小不變，窗口區(qū)縮小或放大時(shí)，所顯示的圖形會(huì)相反地放大或縮??；b.窗口區(qū)大小不變，視圖區(qū)縮小或放大時(shí)，所顯示的圖形會(huì)相應(yīng)地放大或縮??；c.窗口區(qū)與視圖區(qū)大小相同時(shí)，所顯示圖形大小比例不變；d.視圖區(qū)縱橫比不等于窗口區(qū)縱橫比時(shí)，顯示的圖形會(huì)有X、

20、Y方向的伸縮變化。 改變視圖區(qū)的位置，可使畫面在顯示設(shè)備的不同位置出現(xiàn)；改變視圖區(qū)的大小，可是所顯示畫面成比例地改變尺寸；改變窗口的大小，可產(chǎn)生變焦距（又稱為縮放）效果：窗口變小時(shí)，可以觀察到物體的細(xì)節(jié)；窗口變大時(shí)，物體相對(duì)變小，可觀察到景物的全貌；如果窗口的大小不變只改變其位置，是窗口掃過(guò)要觀察的物體，則可產(chǎn)生掃視的效果。2.2.4 圖形裁剪技術(shù)窗口和視區(qū)的變換關(guān)系a.視圖區(qū)大小不2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪點(diǎn)的裁剪若等式成立說(shuō)明點(diǎn)P（x,y）,在窗口內(nèi)，否則點(diǎn)在窗口外。2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪點(diǎn)的裁剪若等式成立說(shuō)明點(diǎn)2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪線的裁剪Cohen

21、-Sutherland裁剪算法的基本思想是：對(duì)于線段P1P2分為三種情況處理。a.若P1P2完全在窗口內(nèi)，則顯示線段P1P2,即“取”該線段；b.若P1P2明顯在窗口外，則丟棄該線段；c.若線段P1P2不滿足上述兩條件，則把線段P1P2分為兩部分，其中一段完全在窗口外，丟棄該線段，然后對(duì)另一段重復(fù)上述處理。2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪線的裁剪Cohen-Su2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪四位編碼中每位（按由右向左順序）編碼的意義如下： 第一位，點(diǎn)在窗口上邊界線之上為1，否則為0；第二位，點(diǎn)在窗口下邊界線之下為1，否則為0；第三位，點(diǎn)在窗口右邊界線之右為1，否則為0；第四位，點(diǎn)在窗

22、口左邊界線之左為1，否則為0。上述編碼規(guī)則可知：a.如果兩個(gè)端點(diǎn)的編碼均為0000”，則線段全部位于窗口內(nèi)；b.如果兩個(gè)端點(diǎn)編碼的位邏輯乘不為零，則整條線段必位于窗口外； c. 如果不滿足上述兩個(gè)條件，則必須在分割線段計(jì)算出線段與窗口某一邊界的交點(diǎn)，再利用上述兩個(gè)條件判別分割后的兩條線段。2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪四位編碼中每位（按由右向2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪線段P1P2的端點(diǎn)P1的編碼不為零，但codeP1&codeP2=0,因此該直線屬于第三種情況。由codeP1=0001知，P1在窗口左邊。計(jì)算線段與窗口左邊界交點(diǎn)P0，則P1P0必在窗口外，舍棄之。對(duì)線段P0P2

23、重復(fù)上述操作，由于P2的編碼codeP2=0000，說(shuō)明P2在窗口內(nèi)，則剩下線段P0P2位于窗口內(nèi)。2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪線段P1P2的端點(diǎn)P1的2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪多邊形的裁剪Sutherland-Hodgman（S-H）算法的思路是：將多邊形的各邊先相對(duì)于窗口的某一條邊界進(jìn)行裁剪，然后將裁剪結(jié)果再與另一條邊界進(jìn)行裁剪，如此重復(fù)多次，便可得到最終結(jié)果。2.2.4 圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪多邊形的裁剪Suther2.3 三維建模技術(shù) 機(jī)械產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)建模是CAD/CAM系統(tǒng)的核心技術(shù)，也是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新的過(guò)程。機(jī)械產(chǎn)品建模流程如下圖：2.3 三維建模技術(shù) 機(jī)械

24、產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)建模2.3.1 CAD/CAM建?；局R(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息幾何信息拓?fù)湫畔⒅茍D語(yǔ)言以數(shù)字形式表示的存在于三維空間中要素的位置和形狀，按其幾何特征可以抽象地分為點(diǎn)、線、面、體四種類型。拓?fù)湫畔⑹欠从钞a(chǎn)品結(jié)構(gòu)中各圖形元素的數(shù)量及其相互間的連接關(guān)系。制圖語(yǔ)言是指除圖形信息和拓?fù)湫畔⑼獾钠渌菐缀涡畔ⅲ◣缀纬叽?、形位公差、表面粗糙度、技術(shù)要求等的物理屬性和工藝屬性。2.3.1 CAD/CAM建模基本知識(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息幾何信息拓2.3.2 幾何建模技術(shù)1.線框建模原理線框模型（Wire Frame Mode）是利用棱邊和頂點(diǎn)來(lái)表示形體結(jié)構(gòu)。由于線框模型僅包含形體的棱邊和頂點(diǎn)信息，因而可用棱邊

25、表和頂點(diǎn)表兩表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型組織和描述。2.3.2 幾何建模技術(shù)1.線框建模原理線框模型（Wire 2.3.2 幾何建模技術(shù)線框建模模型2.3.2 幾何建模技術(shù)線框建模模型2.3.2 幾何建模技術(shù)2.平面建模原理平面建模是根據(jù)形體表面為平面構(gòu)成特征，可將幾何形體分為平面體以描述平面體結(jié)構(gòu)。三維幾何模型通過(guò)表面、棱邊及頂點(diǎn)信息來(lái)構(gòu)建形體的三維數(shù)據(jù)模型。2.3.2 幾何建模技術(shù)2.平面建模原理平面建模是根據(jù)形體表2.3.2 幾何建模技術(shù)平面建模模型2.3.2 幾何建模技術(shù)平面建模模型2.3.2 幾何建模技術(shù)3.曲面建模曲面建模是由規(guī)則曲線或系列參數(shù)曲面片通過(guò)拼接、裁剪、光順處理而構(gòu)建的三維模型。

26、2.3.2 幾何建模技術(shù)3.曲面建模曲面建模是由規(guī)則曲線或系2.3.2 幾何建模技術(shù)4.實(shí)體建模 實(shí)體模型（SolidModel）是通過(guò)一系列基本體素，如矩形體、圓柱體、球體以及掃描體、旋轉(zhuǎn)體、拉伸體等，經(jīng)布爾運(yùn)算構(gòu)建的任意復(fù)雜形體的幾何模型。實(shí)集模型的構(gòu)建包括兩方面內(nèi)容：一是基本體的定義；二是布爾運(yùn)算。（1）參數(shù)體素法是通過(guò)少量幾個(gè)參數(shù)對(duì)一些簡(jiǎn)單基本體素進(jìn)行定義。2.3.2 幾何建模技術(shù)4.實(shí)體建模 實(shí)體模型（Solid2.3.2 幾何建模技術(shù)（2）掃描體法是通過(guò)二維封閉平面沿給定的軌跡掃描來(lái)生成實(shí)體模型中的基本體。2.3.2 幾何建模技術(shù)（2）掃描體法是通過(guò)二維封閉平面沿給2.3.2 幾何

27、建模技術(shù)（3）布爾運(yùn)算是在基本體定義后，將兩個(gè)或多個(gè)基本體經(jīng)并、交、差進(jìn)行運(yùn)算后，便可構(gòu)建各種不同的形體。2.3.2 幾何建模技術(shù)（3）布爾運(yùn)算是在基本體定義后，將兩2.3.3 特征建模 特征建模是在實(shí)體幾何模型基礎(chǔ)上，抽取作為結(jié)構(gòu)功能要素的“特征”，以對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行更為豐富的描述和操作，彌補(bǔ)實(shí)體建模不足的一種新建模方法。所謂特征是從工程對(duì)象中高度概括和抽象出來(lái)的功能要素，包含了豐富的工程語(yǔ)義，不同的產(chǎn)品生產(chǎn)階段有著不同的特征定義，如產(chǎn)品的功能特征、形狀特征、加工特征、工藝特征、裝配特征等。2.3.3 特征建模 特征建模是在實(shí)體幾何2.3.3 特征建模零件信息模型的特征形狀特征技術(shù)特征材料特征

28、精度特征裝配特征管理特征形狀特征能反映零件的特征功能，能夠提取零件形體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)、邊、面、體等幾何信息和拓?fù)湫畔?。為技術(shù)分析、性能試驗(yàn)、應(yīng)用操作提供相關(guān)信息，包括設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)約束、外觀要求、運(yùn)行工況、作用載荷等。用于描述與零件材料及熱處理要求的相關(guān)信息，包括零件材料牌號(hào)、性能、硬度、熱處理要求、表面處理、檢驗(yàn)方式等。用于描述零件公稱幾何形狀的允許范圍，是檢驗(yàn)零件質(zhì)量的主要依據(jù)，包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。用于描述零件在裝配過(guò)程中的相關(guān)信息，包括位置關(guān)系、配合關(guān)系、連接關(guān)系、裝配尺寸、裝配技術(shù)要求等。用于描述與管理有關(guān)的零件信息，包括零件名、零件圖號(hào)、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期、零件材料、件數(shù)量

29、等等。1.特征分類2.3.3 特征建模零件信息模型的特征形狀特征技術(shù)特征材料特2.3.3 特征建模零件信息模型的特征間的關(guān)系鄰接關(guān)系從屬關(guān)系分布關(guān)系引用關(guān)系2.特征間的關(guān)系鄰接關(guān)系反映形狀特征的凸臺(tái)和凹槽相互位置關(guān)系，是特征的一種外部約束，主要表現(xiàn)為形狀特征的面貼合。從屬關(guān)系反映形狀特征之間存在的主從關(guān)系，其依賴于主特征而存在。這些輔助特征與軸段主特征之間保持一種從屬關(guān)系。表示某些形狀特征在空間位置上是按照特定形式排列，如孔特征的圓周分布、陣列分布等。反映某特征與另一特征之間作為關(guān)聯(lián)屬性存在著引用的聯(lián)系，這種引用聯(lián)系主要存在于形狀特征對(duì)精度特征、材料特征等特征的引用。2.3.3 特征建模零件信

30、息模型的特征間的關(guān)系鄰接關(guān)系從屬關(guān)2.3.3 特征建模3.特征建模的基本步驟（1）分析特征與特征之間的關(guān)系等（2）創(chuàng)建基礎(chǔ)特征（3）創(chuàng)建其余特征（4）特征的編輯修改（5）利用創(chuàng)建完成的三維零件特征模型可生成二維工程圖2.3.3 特征建模3.特征建模的基本步驟（1）分析特征與特2.3.4 裝配建模技術(shù)1.裝配模型信息裝配模型是包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成、組件幾何結(jié)構(gòu)以及各組成零件之間相互連接、配合、約束等裝配關(guān)系的產(chǎn)品模型。它全面表達(dá)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成和裝配體的裝配關(guān)系，能完整、準(zhǔn)確地傳遞裝配體的設(shè)計(jì)參數(shù)、裝配層次和裝配配合等信息。一是產(chǎn)品實(shí)體結(jié)構(gòu)信息，即產(chǎn)品所包含的零部件幾何結(jié)構(gòu)信息；二是產(chǎn)品各組成件間的

31、相互關(guān)系信息，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系和裝配關(guān)系等。2.3.4 裝配建模技術(shù)1.裝配模型信息裝配模型是包含產(chǎn)品結(jié)2.3.4 裝配建模技術(shù)2.裝配關(guān)系產(chǎn)品的裝配關(guān)系是反映產(chǎn)品零部件間的相對(duì)位置的連接關(guān)系和相互配合的約束關(guān)系。產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系是裝配建模的重要基礎(chǔ)。2.3.4 裝配建模技術(shù)2.裝配關(guān)系產(chǎn)品的裝配關(guān)系是反映產(chǎn)品2.3.4 裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式1）自下而上的建模方式自下而上（Bottom Up）的裝配建模是一種傳統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)方法。先設(shè)計(jì)產(chǎn)品的零部件，然后再設(shè)計(jì)定義零部件間的裝配關(guān)系，最終創(chuàng)建完成產(chǎn)品的裝配模型。若在裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)事先設(shè)計(jì)的零部件不能滿足裝配要求，則需要修改零部件

32、的設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，如此反復(fù)，直至滿足裝配要求為此。2.3.4 裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式1）自下而上的建模方2.3.4 裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式自下而上的建模方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)快速高效；更加專注于產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)，而不是獨(dú)立的零件細(xì)節(jié)；減少由于人為的疏忽造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；零件之間具有關(guān)聯(lián)性，參考的實(shí)體變換時(shí)將自動(dòng)完成其他參考零件的修改。由于事先沒(méi)有一個(gè)很好的裝配規(guī)劃和全局考慮，在零部件設(shè)計(jì)時(shí)如未能考慮其他零部件的影響，裝配過(guò)程極易產(chǎn)生不滿足裝配要求等問(wèn)題。例如：由于零部件間存在干涉而導(dǎo)致無(wú)法裝配，從而需要對(duì)零部件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，然后再裝配。因此，這種建模方法反復(fù)工作多，建模效率較低。2

33、.3.4 裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式自下而上的建模方式優(yōu)2.3.4 裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式2）自上而下的建模方式自上而下（Top Down）的裝配建模，首先是設(shè)計(jì)好滿足功能要求的產(chǎn)品初步結(jié)構(gòu)方案，繪制產(chǎn)品裝配草圖，確定產(chǎn)品各組成零件之間的裝配和約束關(guān)系，完成裝配層次的概念設(shè)計(jì)，并根據(jù)裝配關(guān)系把產(chǎn)品分解成若干零部件，然后在總裝配關(guān)系的約束下，完成零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。2.3.4 裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式2）自上而下的建模方2.3.4 裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式自上而下的建模方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)快速高效；更加專注于產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)，而不是獨(dú)立的零件細(xì)節(jié)；減少由于人為的疏忽造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；零件之間

34、具有關(guān)聯(lián)性，參考的實(shí)體變換時(shí)將自動(dòng)完成其他參考零件的修改。在大型系統(tǒng)建模時(shí)缺乏對(duì)謝姐的考慮，各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)看法難度較大。2.3.4 裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式自上而下的建模方式優(yōu)2.4 真實(shí)感顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)2.4.1 圖形消隱技術(shù)1.消隱概念消隱是在繪制時(shí)消除被遮擋的不可見(jiàn)的線或面，習(xí)慣上稱做消除隱藏線和隱藏面，經(jīng)過(guò)消隱得到的投影圖稱為物體的真實(shí)圖形。2.4 真實(shí)感顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)2.4.1 圖形消隱技術(shù)1.2.4.1 圖形消隱技術(shù)2.消隱的分類根據(jù)消隱對(duì)象分類線消隱面消隱根據(jù)消隱空間分類物體空間的消隱算法圖像空間的消隱算法物體空間和圖像空間的消隱算法2.4.1 圖形消隱技術(shù)2.消

35、隱的分類根據(jù)消隱對(duì)象分類線消隱2.4.1 圖形消隱技術(shù)3.常見(jiàn)的消隱算法線消隱凸多面體的隱藏線消隱凹多面體的隱藏線消隱面消隱油畫算法Z向深度緩沖區(qū)算法掃描線算法2.4.1 圖形消隱技術(shù)3.常見(jiàn)的消隱算法線消隱凸多面體的隱2.4.2 顏色與紋理1.顏色 要產(chǎn)生具有高度真實(shí)感的圖形，顏色是最重要的部分。顏色是外來(lái)的光刺激作用于人的視覺(jué)器官而產(chǎn)生的主觀感覺(jué)。因面，物體的顏色不僅取決于物體的本身，還與光源、周圍環(huán)境的顏色以及觀察者的視覺(jué)系統(tǒng)等有關(guān)。2.4.2 顏色與紋理1.顏色 要產(chǎn)生具有高度真實(shí)感的2.4.2 顏色與紋理2.紋理紋理一般是指物體表面的花紋或紋理即使物體表面呈現(xiàn)凹凸不平的溝紋，同時(shí)也包

36、括在物體的光滑表面上的花紋或圖案。紋理映射，又稱紋理貼圖，是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過(guò)程。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把一幅圖像貼到三維物體的表面上來(lái)增強(qiáng)真實(shí)感，可以和光照計(jì)算、圖像混合等技術(shù)結(jié)合起來(lái)形成許多非常漂亮的效果2.4.2 顏色與紋理2.紋理紋理一般是指物體表面的花紋或紋2.4.3 光照處理當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn)化為熱，被反射、透射的光進(jìn)入人的視覺(jué)系統(tǒng)，使人們能看見(jiàn)物體。為模擬這一現(xiàn)象，將建立一些數(shù)學(xué)模型來(lái)替代復(fù)雜的物理模型，這些模型稱為明暗效應(yīng)模型或光照模型。三維形體的圖形經(jīng)過(guò)消隱后，再進(jìn)行明暗效應(yīng)的處理，可以進(jìn)一步提高圖形的真

37、實(shí)感。2.4.3 光照處理當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反2.4.3 光照處理1.光照顯示當(dāng)光源來(lái)自一個(gè)方向時(shí)，漫反射光均勻向各方向傳播，與視點(diǎn)無(wú)關(guān)，它是由表面的粗糙不平引起的，因而漫反射光的空間分布是均勻的。根據(jù)Lambert余弦定律，漫反射光強(qiáng)為：2.4.3 光照處理1.光照顯示當(dāng)光源來(lái)自一個(gè)方向時(shí)，漫反射2.4.3 光照處理1.光照顯示對(duì)于有些物體（如擦亮的金屬、光滑的塑料等）是不適用的，原因是這些物體還會(huì)產(chǎn)生鏡面反射。對(duì)于理想鏡面，反射光集中在一個(gè)方向，并遵守反射定律。對(duì)一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大。因此，對(duì)于同一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，從不同位置

38、所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的。鏡面反射光強(qiáng)可表示為：2.4.3 光照處理1.光照顯示對(duì)于有些物體（如擦亮的金屬、2.4.3 光照處理2.陰影形成 陰影是現(xiàn)實(shí)生活中一個(gè)很常見(jiàn)的光照現(xiàn)象，是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生的較暗的區(qū)域。在真實(shí)感圖形中，通過(guò)陰影可以反映出物體之間的相互關(guān)系，增加圖形的立體效果和真實(shí)感。當(dāng)知道了物體的陰影區(qū)域以后，就可以把它結(jié)合到前面介紹的簡(jiǎn)單光照模型中去，對(duì)于物體表面的多邊形，如果在陰影區(qū)域內(nèi)部，那么該多邊形的光強(qiáng)就只有環(huán)境光一項(xiàng)，后面的幾項(xiàng)光強(qiáng)均為零，否則就用正常的模型計(jì)算光強(qiáng)。通過(guò)這種方法，可以方便地把陰影引人簡(jiǎn)單光照明模型中，使產(chǎn)生的真實(shí)感圖形更具層次感

39、。2.4.3 光照處理2.陰影形成 陰影是現(xiàn)實(shí)2.4.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是圖形真實(shí)感顯示的最高層次技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。2.4.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Vi2.4.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征包括：a.多感知性 是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺(jué)感知之外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、力覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知等。b.

40、浸沒(méi)感 又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨圖像的真假。c.交互性 指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺(jué)，并可以感覺(jué)物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。d.構(gòu)想性 強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。2.4.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征包括：THE ENDTHE END 第1章CAD/CAM概述 第2章

41、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） 第3章計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）目錄 第4章計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（CAPP） 第5章計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM） 第6章CAD/CAM技術(shù)的集成與發(fā)展 第1章CAD/CAM概述 第2章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE） 第3章計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE） 第3章計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題的一種近似數(shù)值分析方法。其應(yīng)用領(lǐng)域包括用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等性能的分析

42、計(jì)算以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。3.1 CAE的基本知識(shí)3.1.1 CAE的基本概念計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Enginee與新產(chǎn)品機(jī)理、先進(jìn)可靠性和功能密切相關(guān)面向的對(duì)象是工程產(chǎn)品涉及內(nèi)容多，跨學(xué)科性明顯CAE特征CAE具有以下特征：與新產(chǎn)品機(jī)理、先進(jìn)可靠性和功能密切相關(guān)面向的對(duì)象是工程產(chǎn)品涉3.1.2 CAE軟件簡(jiǎn)介 CAE軟件是計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)相結(jié)合而形成的一種綜合型、知識(shí)密集型信息產(chǎn)品，是CAE理論和工程應(yīng)用之間的橋梁。 目前通用商業(yè)化軟件主要有；NASTRAN、ADAMS、ANSYS、MARC、ADINA以及ABAQUS

43、等。通用CAE軟件主要由有限元分析模塊、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊、計(jì)算流體模塊、電磁場(chǎng)計(jì)算模塊、最優(yōu)控制模塊和其它專業(yè)性的計(jì)算模塊組成。3.1.2 CAE軟件簡(jiǎn)介 CAE軟件是計(jì)算力學(xué)、計(jì)算現(xiàn)行CAE軟件的結(jié)構(gòu)(1) 前處理模塊；(2) 有限元分析模塊；(3) 后處理模塊；(4) 用戶界面模塊；(5) 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)；(6) 共享的基礎(chǔ)算法模塊；CAE軟件的主要功能靜力和擬靜力的線性與非線性分析(2) 線性與非線性動(dòng)力學(xué)分析(3) 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱傳導(dǎo)與熱-力耦合分析(4) 電磁場(chǎng)和電流場(chǎng)分析(5) 流體計(jì)算(6) 聲場(chǎng)與波的傳播計(jì)算現(xiàn)行CAE軟件的結(jié)構(gòu)(1) 前處理模塊；CAE軟件的主要功能3.1.3

44、 CAE的發(fā)展概況1.CAE技術(shù)的發(fā)展過(guò)程有限元法于20世紀(jì)50年代后期誕生 1956年，美國(guó)波音飛機(jī)公司的Turner，Clough，Martin.Topp等人發(fā)明了有限元法，發(fā)展的邊界元、有限差分等方法。對(duì)波動(dòng)、斷裂、接觸及流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行了有效分析CAE技術(shù)產(chǎn)生2.CAE發(fā)展趨勢(shì)先進(jìn)、智能、集成是CAE的目標(biāo)多學(xué)科交叉將CAD、CAE和CAM有機(jī)地集成在一起，能實(shí)現(xiàn)最佳效率3.1.3 CAE的發(fā)展概況1.CAE技術(shù)的發(fā)展過(guò)程有限元法3.2有限元分析法概述3.2.1 有限元法的概念1.發(fā)展概況基本思想的提出，始于1943年，Richard Courant第一個(gè)成功嘗試1956年， Turner

45、、Clough等人1960年，美國(guó)克拉夫Ray W.Clough教授將有限元法（FEM）的名稱也第一次被正式提出1963至1964年，Besseling、Melosh和Jones等人證明了有限元法是基于變分原理的里茲(Ritz)法的另一種形式20世紀(jì)60至70年代，數(shù)學(xué)工作者鞏固了有限元法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（我國(guó)數(shù)學(xué)家馮康分片插值的思想）在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用3.2有限元分析法概述3.2.1 有限元法的概念1.發(fā)展概況2.有限元法的基本思想 有限元法把求解區(qū)域看作由許多小的在節(jié)點(diǎn)處相互連接的子域(單元)所構(gòu)成，其模型給基本方程的分片(子)近似解。由于單元可以被分制成各種形狀和大小

46、不同的尺寸，所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件，再加上有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，使其已逐漸成為一種非常受歡迎的、應(yīng)用極廣的數(shù)值計(jì)算方法。3.有限元法分類(1)線彈性有限元法(2)非線性有限元法材料非線性問(wèn)題幾何非線性問(wèn)題邊界非線性2.有限元法的基本思想 有限元法把求解區(qū)域看作由許多小3.2.2 有限元算法描述（1）連續(xù)體的離散化（2）位移模式的選擇=Nde式中：-單元中任一點(diǎn)位移列陣；N-形函數(shù)矩陣；de-單元節(jié)點(diǎn)位移列陣。=Bde式中:-應(yīng)變列陣；B-幾何矩陣。=DBde式中：-單元體內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力列陣；D-與單元材料相關(guān)的本構(gòu)矩陣。(3) 建立單元?jiǎng)偠染仃嚴(yán)锰?/p>

47、功原理建立作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式，即確定單元?jiǎng)偠确匠蹋篎=kde 式中:k-單元?jiǎng)偠攘嘘?，且?3.2.2 有限元算法描述（1）連續(xù)體的離散化=N(4)計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力(5)組裝單元?jiǎng)偠染仃囆纬烧w剛度矩陣(6)求解未知節(jié)點(diǎn)位移，計(jì)算節(jié)點(diǎn)力根據(jù)連續(xù)體平衡條件，建立聯(lián)系整體節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)載荷的一個(gè)大型線性(或非線性)方程組，求解這個(gè)方程組得到節(jié)點(diǎn)位移值：Kd=F式中:K一總體剛度矩陣；d-整個(gè)連續(xù)體節(jié)點(diǎn)位移列陣；F-節(jié)點(diǎn)載荷矩陣。(4)計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力(5)組裝單元?jiǎng)偠染仃囆纬烧w剛度矩陣(3.3組件運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.3.1 組件運(yùn)動(dòng)學(xué)的概述 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究多體系統(tǒng)（一般由若干

48、個(gè)柔性和剛性物體相互連接所組成）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。 為建立多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，已經(jīng)發(fā)展了各種方法，其共同特點(diǎn)是將經(jīng)典力學(xué)原理與現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)結(jié)合。目前主流的CAE軟件基本都囊括了多體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能。3.3.2 組件運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)1.矢量的坐標(biāo)陣和坐標(biāo)方陣對(duì)矢量進(jìn)行運(yùn)算可以借助于它的坐標(biāo)陣和坐標(biāo)方陣。3.3組件運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.3.1 組件運(yùn)動(dòng)學(xué)的概述 機(jī)械CADCAM原理及應(yīng)用課件完整這是用坐標(biāo)陣計(jì)算矢量點(diǎn)乘的關(guān)系式。由于一個(gè)矢量在不同的坐標(biāo)系內(nèi)會(huì)有不同的坐標(biāo)陣，所以進(jìn)行兩個(gè)矢量點(diǎn)乘運(yùn)算時(shí)，必須使用其在同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)陣。按定義有兩個(gè)矢量

49、和的叉積為另一矢量這是用坐標(biāo)陣計(jì)算矢量點(diǎn)乘的關(guān)系式。由于一個(gè)矢量在不同的坐標(biāo)系這是用坐標(biāo)陣表示的叉乘關(guān)系式。同樣需要強(qiáng)調(diào)的是，進(jìn)行兩個(gè)矢量叉乘運(yùn)算時(shí)，必須使用其在同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)陣或坐標(biāo)方陣。規(guī)定零矢量的坐標(biāo)陣和坐標(biāo)方陣均用零矩陣表示。同一個(gè)矢量在不同坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)陣不同，但二者可以通過(guò)方向余弦矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這是用坐標(biāo)陣表示的叉乘關(guān)系式。同樣需要強(qiáng)調(diào)的是，進(jìn)行兩個(gè)矢量2.方向余弦矩陣b坐標(biāo)系，如圖所示利用b坐標(biāo)系各單位矢量在r坐標(biāo)系內(nèi)的九個(gè)方向余弦可以構(gòu)造出以下表格中右下角的33矩陣2.方向余弦矩陣b坐標(biāo)系，如圖所示利用b坐標(biāo)系各單位矢量在r稱之為b坐標(biāo)系相對(duì)r坐標(biāo)系的方向余弦矩陣。同樣可

50、以構(gòu)造出r相對(duì)b的方向余弦矩陣稱之為b坐標(biāo)系相對(duì)r坐標(biāo)系的方向余弦矩陣。同樣可以構(gòu)造出r相 常用的坐標(biāo)系包括了總體坐標(biāo)系（Global Coordinate System，GCS）和局部坐標(biāo)系。總體坐標(biāo)系用于確定幾何結(jié)構(gòu)的空間位置，是絕對(duì)參考系；局部坐標(biāo)系是在總體坐標(biāo)系中創(chuàng)建的固定坐標(biāo)系，可以指定為某單元或節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系，很多情況下用戶必須創(chuàng)建自己的局部坐標(biāo)系來(lái)創(chuàng)建部件（body）。當(dāng)r坐標(biāo)系為總體坐標(biāo)系（G坐標(biāo)系），b坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系時(shí)，式(3-21)對(duì)應(yīng)于b坐標(biāo)系和總體G坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系即如圖所示 常用的坐標(biāo)系包括了總體坐標(biāo)系（Global 3.歐拉角3.歐拉角3.3.3 幾個(gè)位置和姿

51、態(tài)函數(shù)物體坐標(biāo)系BCS原點(diǎn)位置的確定方式確定位置方式選項(xiàng)確定位置方法User-entered location直接給定BCS坐標(biāo)系原點(diǎn)在GCS內(nèi)的位置坐標(biāo)Delta location from coordinate給定相對(duì)一點(diǎn)在GCS內(nèi)的絕對(duì)坐標(biāo)或給定相對(duì)一個(gè)坐標(biāo)系的相對(duì)坐標(biāo)，利用LOC_RELATIVE_TO函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置Centered between coordinates給定兩點(diǎn)、三點(diǎn)或四點(diǎn)利用LOC_CENTERED函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置Located along an axis給定沿某坐標(biāo)系一軸的坐標(biāo)利用LOC_ON_AXIS函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系原點(diǎn)的

52、位置Located on a line給定兩點(diǎn)和一個(gè)比例系數(shù)（到第一點(diǎn)的距離與給定兩點(diǎn)間距離之比）利用LOC_ALONG_LINE函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置Location input communicator利用從其它模板傳來(lái)的在GCS中的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置3.3.3 幾個(gè)位置和姿態(tài)函數(shù)物體坐標(biāo)系BCS原點(diǎn)位置的確定物體坐標(biāo)系BCS姿態(tài)的確定方式確定姿態(tài)方式選項(xiàng)確定姿態(tài)方法Delta orientation from coordinate給定相對(duì)一個(gè)坐標(biāo)系歐拉角利用ORI_RELATIVE_TO函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系的姿態(tài)Parallel to axis給定一個(gè)坐

53、標(biāo)系利用ORI_ALIGN_AXIS函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系的姿態(tài)Oriented in plane給定三點(diǎn)利用ORI_IN_PLANE函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系的姿態(tài)Oriented to zpoint-xpoint給定兩點(diǎn)利用ORI_IN_PLANE函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系的姿態(tài)（BCS坐標(biāo)系的原點(diǎn)充當(dāng)?shù)谝稽c(diǎn)）Orientaxisalongline給定兩點(diǎn)利用ORI_ALONG_AXIS函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系的姿態(tài)Orientaxistopoint給定一點(diǎn)利用ORI_ALONG_AXIS函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系的姿態(tài)（BCS坐標(biāo)系的原點(diǎn)充當(dāng)?shù)谝稽c(diǎn)）Userenteredvalues直接給定BCS相對(duì)

54、GCS的歐拉角Orientationinputcommunicators利用從其它模板傳來(lái)的相對(duì)GCS的歐拉角數(shù)據(jù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系的姿態(tài)Toe/Camber給定車輪前束角和外傾角利用ORI_RELATIVE_TO函數(shù)來(lái)確定BCS坐標(biāo)系的姿態(tài)（主要用于車輪或輪轂）物體坐標(biāo)系BCS姿態(tài)的確定方式確定姿態(tài)方式選項(xiàng)確定姿態(tài)方法D1.中心位置函數(shù)（LOC_CENTERED）, 函數(shù)可用坐標(biāo)陣表示為1.中心位置函數(shù)（LOC_CENTERED）, 函數(shù)可用2.線上位置函數(shù)（LOC_ALONG_LINE）2.線上位置函數(shù)（LOC_ALONG_LINE）3.相對(duì)位置函數(shù)（LOC_RELATIVE_TO）3.相

55、對(duì)位置函數(shù)（LOC_RELATIVE_TO）4.相對(duì)姿態(tài)函數(shù)（ORI_RELATIVE_TO）4.相對(duì)姿態(tài)函數(shù)（ORI_RELATIVE_TO）3.3.4 力1.彈簧力連接兩個(gè)物體的彈簧如圖所示，設(shè)有一對(duì)不記質(zhì)量的滑筒通過(guò)圓柱鉸相連，內(nèi)筒通過(guò)球鉸與物體B在J點(diǎn)相連，外筒通過(guò)球鉸與物體A在I點(diǎn)相連，彈簧安裝在內(nèi)筒的Q點(diǎn)和外筒的P點(diǎn)之間，在安裝位置下Q點(diǎn)和P點(diǎn)間長(zhǎng)度用IL表示，稱為安裝長(zhǎng)度（installedlength），在安裝位置下J點(diǎn)和I點(diǎn)間長(zhǎng)度用 表示，彈簧的自由長(zhǎng)度用FL表示，若用 表示彈簧在安裝位置下的壓縮變形，則后繼的壓縮變形為Q點(diǎn)和P點(diǎn)相對(duì)靠近的距離，由于Q點(diǎn)和P點(diǎn)位于滑筒上，所以

56、后繼的壓縮變形也等于J點(diǎn)和I點(diǎn)相對(duì)靠近的距離。若用 表示后繼的壓縮變形，則其中DM表示J點(diǎn)和I點(diǎn)之間的瞬時(shí)長(zhǎng)度，在安裝位置下與 相等。從而彈簧的總壓縮量為令則又有3.3.4 力1.彈簧力連接兩個(gè)物體的彈簧如圖所示，設(shè)有一對(duì)3.3.4 力從而若為線性彈簧且剛度為k，則彈簧對(duì)物體A在I點(diǎn)和對(duì)物體B在J點(diǎn)沿J和I連線方向的壓力為若為非線性彈簧，且壓力與壓縮變形的函數(shù)關(guān)系用f表示，則令在安裝位置下彈簧的初始?jí)嚎s力用preload表示，稱為預(yù)載荷，則對(duì)線性彈簧有對(duì)非線性彈簧有3.3.4 力從而若為線性彈簧且剛度為k，則彈簧對(duì)物體A在I3.3.4 力2.阻尼力設(shè)有一阻尼器連接在物體B的J點(diǎn)和物體A的I點(diǎn)之

57、間，令 表示J和I兩點(diǎn)之間長(zhǎng)度的變化率，即伸長(zhǎng)時(shí)為正，縮短時(shí)為負(fù)，則粘性阻尼器對(duì)物體A在I點(diǎn)和對(duì)物體B在J點(diǎn)沿J和I連線方向的壓力為其中c為粘性阻尼系數(shù)，若力與 的關(guān)系為非線性函數(shù)f，則其中f函數(shù)當(dāng) 為正時(shí)給出負(fù)力，即其符號(hào)與 相反。3.3.4 力2.阻尼力設(shè)有一阻尼器連接在物體B的J點(diǎn)和物體3.3.5 約束（Joints）約束為機(jī)構(gòu)中兩個(gè)物體間的連接方式，例如門與墻之間的旋轉(zhuǎn)鉸。將兩個(gè)坐標(biāo)系即J標(biāo)記坐標(biāo)系（Jmarker）和I標(biāo)記坐標(biāo)系（Imarker），分別固連在兩個(gè)物體上，并令其位置和姿態(tài)滿足一定的關(guān)系即約束方程來(lái)實(shí)現(xiàn)各種各樣的約束。所以約束的實(shí)質(zhì)是其對(duì)應(yīng)的約束方程。主要是建立機(jī)構(gòu)中的物

58、體、力和約束，而約束的建立，關(guān)鍵是確定約束所連接的兩個(gè)物體J和I標(biāo)記坐標(biāo)系在兩個(gè)物體上的初始位置和姿態(tài)J和I標(biāo)記坐標(biāo)系在兩個(gè)物體上的初始位置和姿態(tài)當(dāng)然也要滿足約束方程，下面敘述其確定方法。相應(yīng)的標(biāo)記方法也可在表3.3.3和表3.3.4中查到。3.3.5 約束（Joints）約束為機(jī)構(gòu)中兩個(gè)物體間的連接3.3.5 約束（Joints）約束為機(jī)構(gòu)中兩個(gè)物體間的連接方式，例如門與墻之間的旋轉(zhuǎn)鉸。將兩個(gè)坐標(biāo)系即J標(biāo)記坐標(biāo)系（Jmarker）和I標(biāo)記坐標(biāo)系（Imarker），分別固連在兩個(gè)物體上，并令其位置和姿態(tài)滿足一定的關(guān)系即約束方程來(lái)實(shí)現(xiàn)各種各樣的約束。所以約束的實(shí)質(zhì)是其對(duì)應(yīng)的約束方程。主要是建立機(jī)

59、構(gòu)中的物體、力和約束，而約束的建立，關(guān)鍵是確定約束所連接的兩個(gè)物體J和I標(biāo)記坐標(biāo)系在兩個(gè)物體上的初始位置和姿態(tài)J和I標(biāo)記坐標(biāo)系在兩個(gè)物體上的初始位置和姿態(tài)當(dāng)然也要滿足約束方程，下面敘述其確定方法。相應(yīng)的標(biāo)記方法也可在表3.3.3和表3.3.4中查到。3.3.5 約束（Joints）約束為機(jī)構(gòu)中兩個(gè)物體間的連接3.3.5 約束（Joints）表3.3.3 J標(biāo)記坐標(biāo)系原點(diǎn)位置的確定方式3.3.5 約束（Joints）表3.3.3 J標(biāo)記坐標(biāo)系原3.3.5 約束（Joints）表3.3.4 J標(biāo)記坐標(biāo)系姿態(tài)的確定方式3.3.5 約束（Joints）表3.3.4 J標(biāo)記坐標(biāo)系姿3.3.5 約束（Jo

60、ints）1.滑移鉸（Translational）滑移鉸只允許兩個(gè)物體間有一個(gè)沿著滑移軸方向的相對(duì)移動(dòng)，如圖3.3.6所示。在partB上固定一個(gè)Jmarker，其原點(diǎn)位于滑移軸線上，其單位矢量 沿滑移軸線方向，其他兩個(gè)單位矢量的方向可視方便而定；在partA上固定一個(gè)Imarker，初始時(shí)與Jmarker完全重合。令 表示由Jmarker原點(diǎn)到Imarker原點(diǎn)的位置矢量，如果使3.3.5 約束（Joints）1.滑移鉸（Translat3.3.5 約束（Joints）1.滑移鉸（Translational）則I與J姿態(tài)永遠(yuǎn)相同，I原點(diǎn)在J的x、y方向無(wú)位移，在z方向可以有位移，從而可保證兩