現(xiàn)代設(shè)計方法緒論及歷考題匯總

現(xiàn)代設(shè)計方法優(yōu)化設(shè)計計算機輔助設(shè)計

可靠性設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計概念設(shè)計動態(tài)設(shè)計智能設(shè)計虛擬設(shè)計可視化設(shè)計網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并行設(shè)計數(shù)字化設(shè)計疲勞設(shè)計摩擦設(shè)計有限元法綠色設(shè)計價值工程相似設(shè)計……

現(xiàn)代設(shè)計方法是在現(xiàn)代計算機廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)，是各種現(xiàn)代設(shè)計方法的總稱。通過本課程的學(xué)習(xí)，初步了解這種發(fā)展趨勢和近年出現(xiàn)的幾種常用的現(xiàn)代設(shè)計方法，掌握其中的計算機輔助設(shè)計、有限元法、優(yōu)化設(shè)計及可靠性設(shè)計的基本概念和用法，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)打下一定的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)目的：第一章：計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign，CAD

）第一節(jié)CAD系統(tǒng)概述第二節(jié)CAD系統(tǒng)的硬件和軟件第三節(jié)CAD系統(tǒng)的圖形處理第四節(jié)工程數(shù)據(jù)的計算機處理課程內(nèi)容：第二章：優(yōu)化設(shè)計OptimalDesign

第一節(jié)優(yōu)化設(shè)計概論 第二節(jié)優(yōu)化設(shè)計的基本概念 第三節(jié)一維搜索方法 第四節(jié)無約束設(shè)計的最優(yōu)化方法 第五節(jié)有約束優(yōu)化設(shè)計的方法 第六節(jié)優(yōu)化設(shè)計的若干問題第三章：有限元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM） 第一節(jié)有限元法概述 第二節(jié)平面剛架的有限元法 第三節(jié)彈性力學(xué)平面問題的有限元法第四章：可靠性設(shè)計（ReliabilityDesign） 第一節(jié)可靠性基本概念和數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié)可靠性設(shè)計的原理與方法 第三節(jié)可靠性設(shè)計方法的簡單應(yīng)用 第四節(jié)系統(tǒng)的可靠性預(yù)測和可靠度分配一、現(xiàn)代設(shè)計方法產(chǎn)生的背景和發(fā)展1、工程設(shè)計的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段：

直覺設(shè)計經(jīng)驗設(shè)計中間試驗輔助設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計

2、傳統(tǒng)設(shè)計方法到現(xiàn)代設(shè)計方法實現(xiàn)了如下幾方面的轉(zhuǎn)變：緒論定性分析靜態(tài)分析零件分析手工設(shè)計安全設(shè)計定量分析動態(tài)分析整體分析自動化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計一、現(xiàn)代設(shè)計方法產(chǎn)生的背景和發(fā)展1、工程設(shè)計的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段：

直覺設(shè)計經(jīng)驗設(shè)計中間試驗輔助設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計

2、傳統(tǒng)設(shè)計方法到現(xiàn)代設(shè)計方法實現(xiàn)了如下幾方面的轉(zhuǎn)變：緒論定性分析靜態(tài)分析零件分析手工設(shè)計安全設(shè)計定量分析動態(tài)分析整體分析自動化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計動態(tài)性能包括：①固有特性，即各階固有頻率、模態(tài)振型和阻尼特性等②系統(tǒng)在外部激振力作用下的響應(yīng)，即動態(tài)應(yīng)力和動態(tài)位移等③系統(tǒng)在工作狀態(tài)下產(chǎn)生自激振動的可能性等。對整臺機器的分析計算工作由于兩個原因遲遲未能進行：①整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要完成巨大的計算工作量；②對零件的連續(xù)部分（稱為結(jié)合部）的特性缺乏研究。按零件簡結(jié)合部的連接方式來分，可分為固定連接和滑動連接?，F(xiàn)代化

CAD工作站所完成的任務(wù)包括：利用計算中的專家系統(tǒng)協(xié)助確定技術(shù)參數(shù)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(shè)計不斷地進行修改，以獲得最優(yōu)設(shè)計方案；在屏幕上顯示設(shè)計結(jié)果，還可以圖樣和數(shù)據(jù)的形式輸出。（一）建立結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法結(jié)構(gòu)簡化：在研究結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)時，對其實際結(jié)構(gòu)進行簡化，去掉一些次要的部分。數(shù)學(xué)模型：利用數(shù)學(xué)表達式將其內(nèi)部各變量間的關(guān)系描述出來。

常用建立數(shù)學(xué)模型的方法，除有限元法外，還有鍵圖法、邊界元法和控制工程等。鍵圖法是一種為系統(tǒng)建造數(shù)學(xué)模型的方法。

二、幾種常用的現(xiàn)代設(shè)計方法簡介模型試驗設(shè)計的過程包括：根據(jù)相似理論，設(shè)計制造出實物的相似模型；然后加載進行測試，以判斷其結(jié)構(gòu)和尺寸的合理性；根據(jù)測試結(jié)果，對原設(shè)計進行修改，使其更加完善。主要優(yōu)點是：可以在時間、材料和儀器等花費不大的情況下，對多種模型進行分析比較以獲得更好的設(shè)計方案，加速新產(chǎn)品的開發(fā)。局限性：由于模型在結(jié)構(gòu)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(jié)果就會有一定誤差。（二）、模型試驗設(shè)計（三）、造型設(shè)計（四）、設(shè)計方法學(xué)（五）、技術(shù)經(jīng)濟分析，

是技術(shù)科學(xué)與經(jīng)濟學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物；它應(yīng)用的一個重要方面是在新產(chǎn)品開發(fā)時進行技術(shù)的選擇和技術(shù)經(jīng)濟的評價，以便從多個技術(shù)方案中選出經(jīng)濟效果最佳的方案。（六）、人工智能第一章計算機輔助設(shè)計（CAD）

第一節(jié)CAD系統(tǒng)概述一、CAD的概念、特點及其發(fā)展概況CAD（計算機輔助設(shè)計）指人們在計算機軟、硬件的輔助下對產(chǎn)品或工程進行設(shè)計、繪圖、分析計算、修改和編寫技術(shù)文件及顯示、輸出的一種設(shè)計方法。

CAD系統(tǒng)：把應(yīng)用于CAD作業(yè)的1.

計算機（中、小型或微型計算機等）2.軟件（計算機的操作系統(tǒng)、圖形支撐軟件和專用應(yīng)用軟件等）3.外圍設(shè)備（打印機和繪圖儀等）總稱為CAD系統(tǒng)。

CAD的發(fā)展過程（l）第一代CAD系統(tǒng)出現(xiàn)于50年代末60年代初，美國學(xué)者提出了著名的SketchPad系統(tǒng)，為交互式圖形學(xué)和CAD技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。(2）第二代CAD系統(tǒng)始于70年代，出現(xiàn)了將CAD硬件與軟件配套交付用戶使用的交鑰匙系統(tǒng)，大多數(shù)還是在16位機上實現(xiàn)的三維線框系統(tǒng)及二維繪圖系統(tǒng)，只能解決一些簡單的產(chǎn)品設(shè)計問題。(3）第三代CAD系統(tǒng)始于80年代，在設(shè)計與制造方面做到了將設(shè)計與制造的各種要求結(jié)合起來，導(dǎo)致了新理論、新算法的大量涌現(xiàn)。(4）進入90年代，實體造型、特征造型、曲面造型、真實感圖形顯示等技術(shù)飛速發(fā)展。各種功能強大的造型軟件相繼出現(xiàn)。(5）現(xiàn)在，CAD技術(shù)向前發(fā)展，這是一種支持新產(chǎn)品設(shè)計的綜合性環(huán)境支持系統(tǒng)，它能全面支持異地、數(shù)字化、采用不同設(shè)計哲理與方法的產(chǎn)品設(shè)計工作。CAD技術(shù)在機械工業(yè)中主要應(yīng)用二維繪圖、圖形及符號庫、參數(shù)化設(shè)計、三維造型、工程分析（常見的有有限元分析、優(yōu)化設(shè)計、運動學(xué)及動力學(xué)分析等）設(shè)計文檔和生成報表。二、CAD的工作過程CAD系統(tǒng)的工作過程CAD/CAM系統(tǒng)的工作流程CAD技術(shù)的主要特點：

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(tǒng)一，質(zhì)量高，促進設(shè)計工作規(guī)范化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。3）提高分析計算速度，能解決設(shè)計計算問題。4）易于技術(shù)資料的保存及查找，修改設(shè)計快，縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期。

5）設(shè)計時可預(yù)估產(chǎn)品性能。CAD涉及到的基礎(chǔ)技術(shù)：（1）圖形處理技術(shù)（2）工程分析技術(shù)（如有限元分析、優(yōu)化設(shè)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(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術(shù)（4）文檔處理技術(shù)（5）軟件設(shè)計技術(shù)。

1.根據(jù)其用途來分類：機械

CAD系統(tǒng)、電氣

CAD系統(tǒng)等，2.根據(jù)配置的硬件分類：(l）集中式主機系統(tǒng)(2）分布式工程工作站系統(tǒng)(3）微型計算機系統(tǒng)三、CAD系統(tǒng)分類2.根據(jù)配置的硬件分類：(l）集中式主機系統(tǒng)：該系統(tǒng)由一臺集中的大型機（或中型、小型機）與若干圖形終端連接而成。優(yōu)點：有一個集中的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理所有數(shù)據(jù)缺點：①所有軟件都存在主機里，一旦主機失誤將影響用戶的工作

②當(dāng)計其量過大時，系統(tǒng)響應(yīng)慢，會出現(xiàn)個別終端等待現(xiàn)象早期的CAD系統(tǒng)大多屬于這種類型。(2）分布式工程工作站系統(tǒng)：本身就是一個獨立的單用戶CAD系統(tǒng)，也可以以一臺主服務(wù)器為中心將若干臺工程工作站或微機聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。圖形功能強，速度快，存儲容量大，是從事CAD課題的首選設(shè)備(3）微型計算機系統(tǒng)：計算能力和圖形處理功能不如工程工作站，但是價格低、使用方便。三、CAD系統(tǒng)分類第二節(jié)CAD系統(tǒng)的硬件和軟件一、CAD系統(tǒng)的硬件一個典型的CAD系統(tǒng)基本硬件組成：主機、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲設(shè)備四部分(1）主機主要指中央處理器CPU和內(nèi)存儲器兩部分，是控制和指揮整個系統(tǒng)運行并執(zhí)行實際運算、邏輯分析的裝置，是系統(tǒng)的核心。(2）輸入設(shè)備的主要作用是將字符、平面或空間中點的坐標(biāo)輸入計算機，其基本功能是“定位”和“拾取”?！岸ㄎ弧笔谴_定和控制光標(biāo)在屏幕圖形上的位置，“拾取”是選取屏幕圖形上的某一內(nèi)容。理想的圖形設(shè)備應(yīng)兼有上述兩種功能。(3）輸出設(shè)備的作用是將CAD系統(tǒng)的計算結(jié)果輸出到屏幕或者紙面上。(4）數(shù)據(jù)存儲設(shè)備主要指外存儲器，是用來存儲大量的暫時不用而等待調(diào)用的程序和數(shù)據(jù)的裝置。典型CAD系統(tǒng)的硬件組成鍵盤鼠標(biāo)器數(shù)字化儀圖形掃描儀磁帶機磁盤機通信接口計算機字符顯示器圖形顯示器繪圖機打印機硬拷貝機一、CAD系統(tǒng)的硬件1.輸入設(shè)備常用的輸入設(shè)備有：鍵盤（Keyboard）、光筆、鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀、圖形掃描儀與主機的標(biāo)準(zhǔn)端口RS-232C串口連接的有鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀和圖形掃描儀。（1）鍵盤：分字符鍵、數(shù)字鍵和功能鍵三種。與主機的鍵盤端口連接。(2）光筆是一種檢測裝置，能將屏幕上的顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號，送給計算機。

精度低，已很少使用。一、CAD系統(tǒng)的硬件1.輸入設(shè)備(3）鼠標(biāo)器是一種手動輸入的屏幕指示裝置，一般有2到3個功能鍵，用來控制和移動光標(biāo)在屏幕上的位置，以便在該位置上輸入圖形、字符或從屏幕菜單上選擇需要的項目。與主機的標(biāo)準(zhǔn)端口RS-232C串口連接它有機械式和光電式之分。機械式鼠標(biāo)器在底部裝有兩個相互垂直的滾輪，有兩個電位計分別與滾輪相連，當(dāng)鼠標(biāo)在柔板上滾動時，電位計記錄在、和y方向的增量，經(jīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入計算機，就可移動光標(biāo)；光電式鼠標(biāo)器則是利用光學(xué)傳感機構(gòu)跟蹤屏幕上的光標(biāo)。鼠標(biāo)器只提供運動的增量，而不依賴于一個給定的坐標(biāo)原作為起始位置的參考一、CAD系統(tǒng)的硬件1.輸入設(shè)備(4）數(shù)字化儀因制作原理不同，有四種結(jié)構(gòu)形式，電磁感應(yīng)式、靜電感應(yīng)、超聲波式以及磁致伸縮式。其作用是輸入圖形、跟蹤控制光標(biāo)位置和選擇菜單。現(xiàn)在常用的電磁感應(yīng)式數(shù)字化儀。它由數(shù)字化基板，定位器（或觸筆）和控制器三部分組成。精度很高，是主要的人機對話裝置。數(shù)字化儀的典型指標(biāo)是：分辨率、精度、重復(fù)精度、板的面積等。與主機的標(biāo)準(zhǔn)端口RS-232C串口連接一、CAD系統(tǒng)的硬件1.輸入設(shè)備(5）圖形掃描儀是直接把圖形掃描輸入到計算機中，以像素信息進行存儲表示的設(shè)備；與主機的標(biāo)準(zhǔn)端口RS-232C串口連接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。按掃描寬度和操作方式分為：大型掃描儀

臺式掃描儀手動掃描儀一、CAD系統(tǒng)的硬件1.輸入設(shè)備CCD掃描儀工作原理如下：用光源照射原稿經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像數(shù)據(jù)暫存器等，最終輸入到計算機，或者圖形輸出裝置。一、CAD系統(tǒng)的硬件1.輸入設(shè)備一、CAD系統(tǒng)的硬件2.輸出設(shè)備作用是將CAD系統(tǒng)的計算結(jié)果輸出到屏幕或者紙面上。常用的輸出設(shè)備可以分為兩大類：一是與圖形輸入設(shè)備相結(jié)合構(gòu)成具有交互功能的可以快速生成和刪改圖形的顯示設(shè)備二是在紙或者其它介質(zhì)上輸出的可以永久保存圖形的繪圖設(shè)備。（1）顯示設(shè)備從成像原理上有隨機掃描式、存儲管式和光柵掃描式三種。顯示設(shè)備包括圖形適配器和圖形顯示器；圖形顯示器的主要器件是陰極射線管CRT。工作原理：利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電子束，使其偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置，以轟擊屏幕表面的熒光材料，而產(chǎn)生可見的圖形。組成：陰極、控制柵、加速電極、聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏。CRT顯示技術(shù)指標(biāo)分辨率＿CRT在水平和垂直方向的單位長度上能分辨出的最大光點(像素)數(shù)。點距＿相鄰像素點間的距離

圖像刷新＿根據(jù)人眼視覺暫留特性，需要不斷地轟擊屏幕，反復(fù)掃描顯示一幀圖像行頻、幀頻＿圖像的水平掃描頻率為行頻，垂直掃描頻率為幀頻。逐行掃描、隔行掃描

顯示速度

幀緩沖存儲器色彩與灰度等級一、CAD系統(tǒng)的硬件2.輸出設(shè)備顯示設(shè)備從成像原理上有隨機掃描式、存儲管式和光柵掃描式三種。逐行掃描：掃描線從屏幕頂端開始，即從0行光柵開始，逐行下掃，直到屏幕底端；隔行掃描：將每幀顯示分為兩趟，采用隔行刷新方式。第一趟，電子束從頂?shù)降?，一行隔一行掃描偶?shù)掃描線，即按照0，2，4，…的偶數(shù)行掃描。垂直回掃后，電子束則進行第二趟掃描奇數(shù)1，3，5，…掃描線分辨率：一個陰極射線管在水平和垂直方向的單位長度上能識別出的最大光點數(shù)。單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述，如1280*1024光點：像素（Pixel），構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素對于相同尺寸的屏幕，光點數(shù)越多，點間距離越小，分辨率就會越高，顯示的圖形就會越精細。1280（水平線上的點數(shù)）*1024（水平線線數(shù)）許多光柵掃描顯示器設(shè)定為8位來表示像素的亮度，即一個像素可以選擇28=256種亮度級來顯示。一、CAD系統(tǒng)的硬件（2）繪圖設(shè)備包括：1）滾筒式繪圖儀2）平板式繪圖儀3）靜電式繪圖儀

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(dāng)量，滾筒式繪圖儀結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于操作，占地面積小，繪圖速度快，但精度低。一、CAD系統(tǒng)的硬件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。靜電式繪圖儀是打印機和繪圖儀的結(jié)合繪圖儀的主要技術(shù)指標(biāo)有：繪圖速度、步距、繪圖精度、繪圖儀功能等。

一、CAD系統(tǒng)的硬件（3）數(shù)據(jù)存儲設(shè)備主要指外存儲器，是用來存放大量的暫時不用而等待調(diào)用的程序和數(shù)據(jù)的裝置。系統(tǒng)對存儲設(shè)備的要求：一是存儲量大，二是存取效率高。指外存儲器是經(jīng)過通道與CPU連接的輔助存儲器，沖壓的有磁盤光盤磁帶等磁盤有軟磁盤和硬磁盤兩種。磁帶成本低容量大，可支持脫機打印和繪圖以及與外部系統(tǒng)傳遞信息，但由于磁帶是順序存取工作方式，不便于是隨機訪問的數(shù)據(jù)存儲，故一般用于存儲批量大、使用不頻繁的數(shù)據(jù)和用于備份保存數(shù)據(jù)。二、CAD系統(tǒng)的軟件CAD系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。軟件是實現(xiàn)CAD各項功能技術(shù)的核心；計算機軟件是指與計算機系統(tǒng)操作使用有關(guān)的程序、規(guī)程、規(guī)則以其相關(guān)文檔資料的總和。（一）常用軟件的分類(l）系統(tǒng)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，主要是指操作系統(tǒng)和各種計算機語言。(2）支撐軟件：是指在CAD系統(tǒng)中，支撐用戶進行CAD工作的通用性功能軟件。(3）專用應(yīng)用軟件：是專門為適應(yīng)用戶特定使用條件需要而開發(fā)的軟件。1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件件包括操作系統(tǒng)計算機語言網(wǎng)絡(luò)通信及管理軟件數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理軟件操作系統(tǒng)是對計算機系統(tǒng)硬件（包括中央處理器、儲存器、輸入／輸出設(shè)備等）及系統(tǒng)配置的各種軟件進行全面控制和管理的程序的集合。它負責(zé)對計算機系統(tǒng)內(nèi)的所有資源進行監(jiān)控，使之協(xié)調(diào)、高效的工作，是計算機最底層的軟件，其它軟件要在操作系統(tǒng)的支持下工作。它具有五方面的管理功能,即內(nèi)存分配管理、

文件管理、

外部設(shè)備管理、

作業(yè)管理、

中斷管理。2.機械CAD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文檔制作軟件2.機械CAD支撐軟件(l）基本圖形資源軟件。這是一種根據(jù)各種圖形標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范實現(xiàn)的軟件包，大多是供應(yīng)用程序調(diào)用的圖形子程序或函數(shù)庫。由于是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研制而成的，因此與計算機硬件無關(guān)，利用它們所編寫的應(yīng)用程序原則上可以在具有這些圖形資源的任何計算機上運行，因此具有優(yōu)良的可移植性。

如：面向設(shè)備驅(qū)動的CGI(ComputerGraphicsInterface)

面向應(yīng)用的圖形程序包GKS(GraphicsKernelSystem)圖形核心系統(tǒng)及PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)程序員層次交互式圖形系統(tǒng)2.機械CAD支撐軟件(2）二維、三維繪圖軟件。這類軟件主要解決零件圖的詳細設(shè)計問題，輸出符合工程要求的零件圖或裝配圖。微機上有AutoCAD、CADKEY、PD(PersonalDesign)工作站上多屬于CAD/CAM系統(tǒng)中的一個模塊，如美國SDRC公司的I-DEAS系統(tǒng)中的Drafting模塊、HP公司的ME10模塊。(3）幾何造型軟件。這類軟件主要解決零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，儲存它們的三維幾何數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。有AutoCAD及其附加模塊Designer,MDT,UG的Solidedge,Pro-Engineer(4）工程分析和計算軟件。

針對機械工程領(lǐng)域的需要，時常配備以下商品化軟件：

計算方法庫，解決各種數(shù)學(xué)計算問題；

優(yōu)化方法庫及常用零部件優(yōu)化模型庫；

常用及通用有限元分析軟件；SAP、ADINA、ANSYS、NASTRAN

機構(gòu)分析與綜合；

機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件；

注塑模具分析軟件等。(5）文檔制作軟件。這類軟件可以快速生成設(shè)計結(jié)果的各種報告、表格、文件、說明書等；可以方便地對文本及插圖進行各種編輯，還應(yīng)支持漢字處理。AutoCAD的應(yīng)用范圍：機械、建筑、電子、航空、造船、服裝、石油化工、土木工程等領(lǐng)域。(二)常用軟件AutoCAD軟件包簡介AutoCAD（AutomationComputerAidedDesign）：是由美國Autodesk公司開發(fā)的通用繪圖軟件包。AutoCAD的發(fā)展歷史：1982年推出第一個版本——AutoCADR1.0版，此版本只有幾個很簡單的命令，運行于DOS操作系統(tǒng)之上1984年推出AutoCADR2.0版，功能有所增強，但僅僅是二維繪圖軟件。1987年6月推出AutoCADR3.0版，增加了三維繪圖功能，并第一次增加了AutoLisp匯編語言。提供了開發(fā)平臺。1987年9月，推出了AutoCADR9.0版，增加了下拉菜單，屏幕菜單，增強了交互功能1989年，推出AutoCADR10.0版，對9.0版做出了完善，并增強了三維繪圖功能1990年10月，推出了AutoCAD11.0版，第一次有了除DOS操作系統(tǒng)之外的版本。1992年，AutoCAD12上市，該版本做了更多的改進，增加了渲染功能（R14）1999年3月，推出AutoCAD2000,功能更強大。2001年6月，推出了AutoCAD2002，在運行速度和網(wǎng)絡(luò)方面做了進一步修改AutoCAD2004、2005。。。。2012從1982年AutoDesk公司推出了AutoCAD1.0軟件包，之后不斷推出更新功能的AutoCAD系列軟件包，AutoCAD的發(fā)展過程可分為初級階段、發(fā)展階段、高級發(fā)展階段、完善階段和進一步完善階段五個階段。目前AutoCAD已成為國際上最為流行的繪圖工具，該軟件在CAD領(lǐng)域的霸主地位。AutoCAD普及的原因AutoCAD具有開放式體系結(jié)構(gòu)；AutoCAD是一個通用的計算機輔助設(shè)計和繪圖軟件系統(tǒng)；AutoCAD定義的圖形數(shù)據(jù)格式已經(jīng)成為事實上的世界工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；（*.dwg)AutoCAD擁有眾多的第三方軟件開發(fā)商；1996.3推出的MDT由二維走向三維，為普及三維CAD創(chuàng)造了條件。(三)軟件工程簡介軟件工程就是采用工程化地方法進行軟件開發(fā)。早期地軟件程序設(shè)計，大多數(shù)程序設(shè)計人員都是個體作業(yè)，隨意性大。時間表明，對于大型的軟件系統(tǒng)，上述工作方法難易保證質(zhì)量和組織集體合作開發(fā)。軟件工程就是萬了避免“軟件科機”而發(fā)展起來的技術(shù)。

以軟件工程開發(fā)軟件，大致可劃分以訂幾個階段：需需求分析和可行性研究階段，系統(tǒng)功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，程序設(shè)計和編寫階段，軟件測試階段，使用和維護階段。軟件開發(fā)的原型系統(tǒng)

(1)原型系統(tǒng)法的做法是：開發(fā)者先用少量的時間和人力，盡快地實現(xiàn)具有主要的功能的初步系統(tǒng)（稱為原型系統(tǒng)），然后逐步擴充原型系統(tǒng)的功能，不斷完善改進，最后實現(xiàn)預(yù)訂的開發(fā)目標(biāo)。(2）原型系統(tǒng)法的優(yōu)點是：可以盡早和用戶見面，取的用戶的合作和支持；可及早檢驗系統(tǒng)原理的可行性，并較早的集中精力解決系統(tǒng)中的技術(shù)問題。第三節(jié)CAD系統(tǒng)的圖形處理（一）圖形的圖素及坐標(biāo)系統(tǒng)圖形輸出形式：屏幕顯示，硬拷貝（繪圖、打?。┌磮D形處理的基本圖素，圖形輸出裝置可分為兩類：以直線線段（矢量圖素）為最基本圖素，如：隨機矢量掃描式顯示器，筆式繪圖儀。以點（像素）為最基本圖素，如：光柵掃描式顯示器和點陣打印機其中，光柵掃描式顯示器為主流顯示器，圖像由像素組成，典型的圖素都有標(biāo)準(zhǔn)的程序，如：直線段、圓弧以及填充既定區(qū)域等，調(diào)用程序即可生成需要的圖像。一、圖像處理基礎(chǔ)（1）世界坐標(biāo)系（WorldCoordinateSystems，簡稱WC）它是符合右手定則的直角坐標(biāo)系，也稱為用戶坐標(biāo)系，是用來定義用戶在二維平面或三維世界中的物體。理論上是無限大且連續(xù)的，定義域為實數(shù)域。2.坐標(biāo)系統(tǒng)xy0xyz0（2）設(shè)備坐標(biāo)系（DeviceCoordinateSystems,簡稱DC）它是圖形輸出設(shè)備自身的坐標(biāo)系，或稱為物理坐標(biāo)系。度量單位是步長（繪圖機）或者像素（顯示器），因而它的定義域是整數(shù)域且是有界的。對顯示器而言，分辨率就是其設(shè)備坐標(biāo)的界限范圍。2.1圖像處理基礎(chǔ)-坐標(biāo)系統(tǒng)（3）規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系（NormalizedDeviceCoordinateSystem,簡稱NDC）不同的設(shè)備具有不同的設(shè)備坐標(biāo)系，而且不同設(shè)備之間坐標(biāo)范圍也不盡相同：分辨率坐標(biāo)范圍

1280*1024x方向0~1279y方向0~1023640*480x方向0~639y方向0~479

規(guī)范化：設(shè)備左下角（0.0,0.0），右上角（1.0,1.0）為圖形處理和程序移植帶來不便。因此引入NDCxy0xy0xy011WCNDCDC2.2圖形變換2.2.1圖形變換的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2.2.2圖形的幾何變換2.2.3圖形的投影變換（二）二維及三維圖形變換矢量與矩陣矢量是一個具有m個元素的行向量或者列向量，通常用小寫字母表示，如：a,b；矩陣是由n個行向量或列向量組成，通常用大寫字母表示,如：A,B,T。矩陣的加減法，要求相加減矩陣具有相同的行和列，對應(yīng)元素相加減。矩陣的加減法矩陣的乘法，An*s*Bs*m，前面矩陣An*s的行依次乘以后面矩陣Bs*m的列，要求A的列數(shù)與B的行數(shù)相等矩陣的乘法沒有交換律。轉(zhuǎn)置，除法？矩陣的乘法y]P=[xy′]P′=[x′1.二維圖形變換圖形變換的基本原理

二維圖形由點或直線段組成

直線段可由其端點坐標(biāo)定義二維圖形的幾何變換的實質(zhì)： 對點或?qū)χ本€段端點的變換y'=y+Tyx'=x+Txy]+矩陣形式

[x′y′]=[xxTx

平移變換一、二維基本變換（1）平移變換（Translation）

Tx平行于x軸的方向上的移動量

Ty平行于y軸的方向上的移動量

y

幾何關(guān)系P′PTyy=rsin?y'=rsin(θ+?)=rcos?sinθ＋rsin?cosθy'=xsinθ+ycosθy]θP′Pyx旋轉(zhuǎn)變換x=rcos?x'=rcos(θ+?)=rcos?cosθ－rsin?sinθx'=xcosθ?ysinθ（2）旋轉(zhuǎn)變換（Rotation） 點P繞原點逆時針轉(zhuǎn)θ度角 （設(shè)逆時針旋轉(zhuǎn)方向為正方向）

幾何關(guān)系y′]=[x[x′矩陣形式y(tǒng)'=y?Syy]y′]=[x[x′（3）比例變換（Scale） 指相對于原點的比例變換

Sx平行于x軸的方向上的縮放量

Sy平行于y軸的方向上的縮放量

幾何關(guān)系

x'=x?Sx

矩陣形式

x相對于重心的比例變換y

x

相對于原點的比例變換y

重心Sx>Sy比例變換的性質(zhì)當(dāng)Sx=Sy時，變換前的圖形與變換后的圖形相似；當(dāng)Sx=Sy>1時，圖形將放大，并遠離坐標(biāo)原點；當(dāng)0<Sx=Sy<1時，圖形將縮小，并靠近坐標(biāo)原點；當(dāng)Sx≠Sy時，圖形將發(fā)生畸變。

Sx=Sy>1

原圖 原圖

Sx<SySx=Sy<1 (a)Sx=Sy比例(b)Sx≠Sy比例(x1,x2,...,xn)

有n個分量的向量(ωx1,ωx2,...,ωxn,ω)

有n+1個分量的向量ω=1

啞元或標(biāo)量因子齊次坐標(biāo)表示不是唯一的規(guī)格化的齊次坐標(biāo)齊次坐標(biāo)齊次坐標(biāo)表示就是用n+1維向量表示一個n維向量。齊次坐標(biāo)技術(shù)的引入平移、比例和旋轉(zhuǎn)等變換的組合變換處理形式不統(tǒng)一，將很難把它們級聯(lián)在一起。變換具有統(tǒng)一表示形式的優(yōu)點便于變換合成便于硬件實現(xiàn)1.工程圖形的齊次坐標(biāo)矩陣表示齊次坐標(biāo)：將一個n維向量用n+1維向量表示。例：平面三角形A齊次坐標(biāo)矩陣表示

123oxy

若圖形A經(jīng)過某種變換后得到圖形B，則有：

B=A·TT稱為變換矩陣，二維：T為3x3矩陣，三維：T為4x4矩陣。A（1）比例變換變換矩陣為：

坐標(biāo)點(x,y,1)變換運算：若a=d=1，為恒等變換，變換后的圖形不變；若a=d≠1，>1時為等比例放大，<1時為等比例縮?。蝗鬭≠d，圖形在x，y兩個坐標(biāo)方向以不同的比例變換。

2.二維圖形的基本幾何變換（2）對稱變換根據(jù)abcd不同的取值情況，可以獲得不同的對稱變換。①y軸對稱變換

②x軸對稱

③對原點對稱

④45°線對稱

⑤-45°線對稱

（3）旋轉(zhuǎn)變換

繞坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)，逆時針為正，順時針為負

（4）錯切變換

其中：c為x方向錯切系數(shù)，b為y方向錯切系數(shù)。①當(dāng)b=0,x’=x+cy,y’=y。y坐標(biāo)不變,c>0沿+x方向錯切；

c<0沿-x方向錯切。②當(dāng)c=0,x’=x,y’=bx+y。x坐標(biāo)不變，b>0沿+y方向錯切；

b<0沿-y方向錯切。

（5）平移變換其中：l為x方向平移量，m為y方向平移量。二維圖形基本變換矩陣討論：

實現(xiàn)圖形的比例、對稱、錯切、旋轉(zhuǎn)等基本幾何變換；

實現(xiàn)圖形平移變換；

實現(xiàn)圖形透視變換；

實現(xiàn)圖形全比例變換，s>1等比例縮??；0<s<1等比例放大。

（3）二維復(fù)合旋轉(zhuǎn) 兩個連續(xù)旋轉(zhuǎn)是相加的

R

=R(θ1)*R(θ2)

=R(θ1+θ2)（1）二維復(fù)合平移 兩個連續(xù)平移是相加的

T=T(Tx1,Ty1)

*

T(Tx2,Ty2)=T(Tx1+Tx2,Ty1+Ty2)（2）二維復(fù)合比例 連續(xù)比例變換是相乘的S=S(Sx1,Sx2

)*

S(Sy1

,Sy2)=S(Sx1*Sx2,Sy1*

Sy2)（4）相對任一參考點的二維幾何變換相對某個參考點Pr(xr,yr)作二維幾何變換，其變換過程為：平移針對原點進行二維幾何變換反平移關(guān)于任意參照點Pr(xr,yr)的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)于任意參照點Pr(xr,yr)的放縮變換例：點P(2,2)繞點C(1,1)逆時針旋轉(zhuǎn)θ=45o，求新點P*的坐標(biāo)。算法二：

T=T(?1,?1)R(45°)T(1,1)（5）相對任意方向的二維幾何變換相對任意方向作二維幾何變換，其變換的過程是：旋轉(zhuǎn)變換針對坐標(biāo)軸進行二維幾何變換反向旋轉(zhuǎn)各類型重點題型講解

一、單項選擇題CAD技術(shù)是一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，以下技術(shù)不屬于工程分析技術(shù)的是

（）

A．優(yōu)化設(shè)計方法B．模擬仿真

C．軟件工程規(guī)范D．物理特性計算模擬仿真分析在CAD所涉及到的諸多技術(shù)中屬于

（）

A.圖形處理技術(shù)B.工程分析技術(shù)

C.軟件設(shè)計技術(shù)D.文檔處理技術(shù)一、單項選擇題

在以下計算機輔助設(shè)計（CAD）涉及到的技術(shù)中，屬于優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的是（）

A.圖形處理技術(shù)B.軟件設(shè)計技術(shù)

C.文檔處理技術(shù)