1、机械CAD/CAM原理及应用 第1章CAD/CAM概述 第2章计算机辅助设计（CAD）第3章计算机辅助工程分析（CAE）目 录 第4章计算机辅助工艺规程设计（CAPP）第5章计算机辅助制造（CAM）第6章CAD/CAM技术的集成与发展CAD/CAM概述概述 第第1章章计算机技术、信息技术融合计算机技术、信息技术融合传统机械设计与制造传统机械设计与制造机械机械CAD/CAMu1.1 CAD/CAM基本知识基本知识西安文理学院传统的制造过程：产品从市场需求分析开始，经过产品设计、工程分析、工艺设计、加工装配、产品物流等环节，最后形成用户所需要的产品。CAD/CAM环境下：计算机为工具，辅助进行产品
2、设计，工程分析、工艺设计、生产制造等各阶段工作。u 1.1.1 CAD/CAM基本概念基本概念1.CAD(Computer Aided Design,CAD)狭义：计算机为工具辅助人们完成产品概念设计、工程绘图、技术要求等操作。广义：广义的CAD包括设计与分析两个方面。2.CAE（Computer Aided Engineering,CAE）是以计算机为辅助工具，进行复杂产品结构强度、刚度、稳定性、动力响应、传热、工作场等力学分析及结构性能优化的一种数值分析方法。3.CAPP（Computer Aided Process Planning,CAPP）利用计算机辅助确定产品加工方法的选择和工艺过
3、程的设计，输出零件的工艺路线和工序内容等工艺性文件。4.CAM（Computer Aided Manufacturing,CAM）的定义有狭义的和广义之分。狭义：指计算机辅助数控编程，包括刀具路径规划、刀具轨迹仿真、NC代码生成等。广义：利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动。CAD/CAPP/CAE/CAM “4C”技术 CIMS注意：注意：CAD/CAM是一项发展中的技术，如计算机辅助订货（Computer Aided Order,CAO）；计算机辅助装配工艺设计（Computer Aided Assembly Planning,CAAPP）；计算机辅助质量管理（Comput
4、er Aided Quality System，CAQ）等。u 1.1.2 CAD/CAM的功能与任务的功能与任务1.CAD/CAM系统的基本功能系统的基本功能（1）图形显示功能）图形显示功能 （2）输入输出功能）输入输出功能 （3）存储功能）存储功能 （4）人机交互功能）人机交互功能 2.CAD/CAM系统的主要任务系统的主要任务几何造型几何造型计算分析计算分析工程绘图工程绘图特征造型特征造型结构分析结构分析优化设计优化设计工艺规程设工艺规程设计计NC自动编自动编程程模拟仿真模拟仿真工程数据工程数据管理管理u 1.1.2 CAD/CAM的功能与任务的功能与任务u1.2 CAD/CAM的发展历
5、史的发展历史u 1.2.1 CAD/CAM技术的产生技术的产生20世纪世纪60年代年代1946年美国年美国11962年美国年美国351952年美国年美国2“人机对话图形人机对话图形通讯系统通讯系统”小型计算机小型计算机出现出现”20世纪世纪60年代年代4“CAD/CAM技术技术出现出现”20世纪世纪80年代年代6“第一台计算机第一台计算机诞生诞生”20世纪世纪80年代年代7“第一台数控铣床第一台数控铣床”“提出提出DNC系统系统”“CAD软件问世软件问世”u 1.2.2 CAD/CAM技术步入发展技术步入发展输入输出设备出现图形编辑功能完善数据接口支持CAD/CAM初步集成u 1.2.3 我国
6、我国CAD/CAM的发展现状的发展现状 第一汽车制造厂和第二汽车制造厂、天津内燃机研究所完成的“建立汽车计算机辅助设计和辅助制造系统”；洛阳拖拉机厂开发的轮式拖拉机的计算机辅助设计系统；杭州汽轮机厂着力打通推广CAD/CAM系统。典型自主版权软件：设计类有华中科技大学的开目CAD、KMCAPP，凯图CAD；北京航空航天大学的CAXA软件、PANDA软件；清华大学和华中理工大学共同研制的CADMIS系统实现了参数化特征造型、曲面造型、数控加工、有限元分析的集成。在数控方面，南京航空航天大学的超人CAD/CAM和华中理工大学的GHNC均实现了复杂曲面的造型和数控代码的自动生成。工程数据库方面有华中
7、科技大学的GHEDBMS和浙江大学的OSCAR。u1.3 CAD/CAM的支撑环境的支撑环境CAD/CAM 主要组成主要组成：人+硬件+软件u 1.3.1 CAD/CAM的硬件的硬件1.CAD/CAM对硬件的主要要求对硬件的主要要求：强大的人机交互功能 强大的外存储容量 良好的联网通讯功能 2.系统造型及配置应考虑：系统造型及配置应考虑：企业特点、规模、目标、发展趋势等确定配置 从整个产品设计制造周期中各阶段要求出发 还应考虑有效使用管理并使其发挥作用（1）主 机 组成：CPU+内存+主板（2）内存储器 分类：RAM、ROM、Cache（3）外存储器 类别：硬盘、软盘、闪盘、光盘、磁盘（4）输
8、入设备 类别：键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、数码相机、触摸屏、语音输入设备、数据手套等（5）输出设备 类别：显示器、打印机、绘图仪等（6）网络设备 类别：服务器、电缆、网卡、调制解调器、集线器、中继器、路由器、网桥和网关等 3.CAD/CAM主要硬件设备主要硬件设备：u 1.3.1 CAD/CAM的硬件的硬件常用硬件网络拓扑结构图1 总线型2 星型3 环形结构4 网状结构5 混合型u 1.3.2 CAD/CAM的软件的软件软件：各种程序及其相关资料和数据程序：指挥硬件工作的指令集合软件分类：系统软件、支撑软件、应用软件常用操作系统：DOS、Unix、Linux常用窗口系统：Windows 计算
9、机编程语言：Visual C+、Visual Basic、Java等 网络通讯及其管理软件：MAP、TOP、TCPIP等协议 1.系统软件系统软件 系统软件主要包括操作系统/窗口系统、编程语言、网络通讯及其管理三大部分。操作系统任务：管理内存中的数据和指令 执行对作业和进程的控制，完成运算和操作 管理外存设备上的文件系统 管理外围设备，进行设备间的信息交换u 1.3.2 CAD/CAM的软件的软件2.支撑软件支撑软件 支撑软件是支撑用户进行CAD/CAM 工作的通用性软件。支撑软件划分为基本图形资源与自动绘图、几何造型、工程分析与计算、仿真与模拟、专用设备控制程序生成、集成与管理等6大部分。常
10、用CAD/CAM支撑软件：AutoCAD/Inventor、CREO(Pro/E)、UG、SolidWorks、SolidEdge、MasterCAM etc.u 1.3.2 CAD/CAM的软件的软件3.应用软件应用软件应用软件是用用户为解决策类实际问题而自行开发或委托开发的程序系统。应用软件可分为：检索与查询软件、专用计算与算法软件、专用图形生成软件、专用数据库、专用设备接口与控制程序（含专用设备驱动程序）、专用工具软件等。常用应用软件编程语言：C/C+、Java、basic、Fortran、Lisp、汇编等u 1.3.2 CAD/CAM的软件的软件CAD/CAM系统工作环境 第1章CAD
11、/CAM概述 第2章计算机辅助设计（CAD）第3章计算机辅助工程分析（CAE）目 录 第4章计算机辅助工艺规程设计（CAPP）第5章计算机辅助制造（CAM）第6章CAD/CAM技术的集成与发展计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）第第2章章u2.1 CAD的基本功能的基本功能在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息可以存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员从草图开始设计，到草图生成实体模型，以及生成工程图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行图形的生成、编辑、实体化、真实感显示、渲染等有关的计算机辅助图形数据设计工作。1
12、234西安文理学院u 2.1.1 CAD的基本技术的基本技术交互技术 设计人员 计算机图形变换技术 平移 旋转 缩放 透视变换实体造型技术 计算机视觉 计算机动画 虚拟现实真实感设计技术 阴影 消隐 色彩 纹理u 2.1.2 CAD的关键技术的关键技术概念设计技术 客户需求到概念产品 模糊到清楚 抽象到具体工程美学技术 工程设计与美学设计结合 集成功能美、材料美、形式美、技术美创新设计技术 科学性 创新性 新颖性参数化设计技术 参数化图元 参数化修改引擎模块化设计技术 子功能、子系统 缩短生产周期 提高产品维护性u 2.1.3 CAD技术带来的收益技术带来的收益改善优化产品缩短产品设计周期提高
13、产品设计的准确性、减少错误方便记录设计过程文档等相关数据便于产品之间数据共享及协同开发很容易重用设计数据进行最佳实践u2.2 图形生成技术图形生成技术平面图形生成技术；二维图形变换技术；三维图形变换技术；图形裁剪技术。1234u 2.2.1 平面图形生成技术平面图形生成技术直线的生成逐点比较法数值微分法Bresenham法法iiii)(y)(xtyyytxxxABAABAyi1ixi1itepytepxSySxu 2.2.1 平面图形生成技术平面图形生成技术圆、圆弧、椭圆生成法圆的生成算法圆弧的生成算法椭圆的生成算法tRytRxsincos222xRy 12222byaxu 2.2.1 平面图
14、形生成技术平面图形生成技术区域填充算法（面）区域填充算法（面）种子填充算法扫描线填充算法用于任意复杂的闭合边界的区域内进行填充。在任意不间断区域中只取一个种子像素进行扫描填充。u 2.2.1 平面图形生成技术平面图形生成技术字符的生成点阵式字符轮廓式字符编码式字符使用二进制矩阵进行着色来显示字符。采用直线或Bezier曲线的集合来显示字符。根据编码方式对应的字符库中的字符样式显示。显式表示隐式表示参数表示u 2.2.1 平面图形生成技术平面图形生成技术曲线、曲面的生成曲线的数学表示参数曲线的矢量定义常用曲线曲面定义)(xfy F(x,y)0;F(x,y,z)0)()()(uzzuyyuxxdu
15、dPup)()()(/)(sTspdudsdudPdsdPspBezier曲线曲面B样条曲线曲面NURBS曲线曲面nii,ni 0P(uPB(u)(0u1)nkiiuNPP0i,)(u(）u 2.2.2 二维图形变换技术二维图形变换技术1.图形的基本要素及表示方法：点二维：nnyxyxyx.2211三维：nnnzyxzyxzyx.2221112.齐次坐标变换（原点集）变换矩阵=（新点集）齐次坐标表示法，就是用n+1维向量表示一个n维向量。u 2.2.2 二维图形变换技术二维图形变换技术2.二维图形几何变换二维图形几何变换ifchebgdaTebdafchgi：对图形进行缩放、旋转、对称、错切等
16、变换；：对图形进行平移变换；：对图形作投影变换；：对图形作伸缩变换。1yx1*yx*T=u 2.2.2 二维图形变换技术二维图形变换技术u 2.2.2 二维图形变换技术二维图形变换技术u 2.2.2 二维图形变换技术二维图形变换技术组合变换组合变换10100011000cossin0sincos10100010000yxyxTTTTcbau 2.2.3 三维图形变换技术三维图形变换技术1.三维图形几何变换三维图形几何变换snmlrjihqfedpcbaTD3jihfedcbanmlrqp s对图形进行缩放、旋转、对称、错切等变换；对图形进行平移变换；对图形作投影变换；对图形作整体比例变换。1z
17、yx1*zyx*T3D=三维图形典型变换矩阵见表2.2.2.u 2.2.3 三维图形变换技术三维图形变换技术2.投影变换投影变换u 2.2.3 三维图形变换技术三维图形变换技术透视投影变换透视投影变换u 2.2.4 图形裁剪技术图形裁剪技术1.坐标系坐标系规格化设备坐标系是右手定则直角坐标系，用来定义视图区，是与具体设备无关的规格化的设备坐标系。坐标系用户坐标系设备坐标系观察坐标系规格化设备坐标系用户在定义一个图形时，用来描述图形中各元素的位置、形状和大小的坐标系。图形输出设备（如显示器、绘图机等）自身具有的坐标设备坐标系。一是用于指定裁剪空间，即确定物体要显示输出的部分；二是用于通过在观察坐
18、标系中定义观察平面，把三维物体的用户坐标系变换为规格化设备坐标系。u 2.2.4 图形裁剪技术图形裁剪技术2.图形输出图形输出窗口窗口是在用户坐标系中定义，用以确定显示内容的一个矩形区域。视区视区是用户用设备坐标系在屏幕上定义的一个小于或等于屏幕的区域。u 2.2.4 图形裁剪技术图形裁剪技术窗口和视区的坐标变换窗口和视区的坐标变换XwXwminXvmax XvminXvXvminXvmax XvminYwYwminYvmax YvminYwYvminYvmax Yvmin窗口视区yxYwmaxYwminyxXwminXwmaxYvmaxYvminXvminXvmax(Xw,Yw)(Xv,Yv
19、)u 2.2.4 图形裁剪技术图形裁剪技术窗口和视区的变换关系窗口和视区的变换关系a.a.视图区大小不变，窗口区缩小或放大时，所显示的图形会相反地放大或缩小；b.b.窗口区大小不变，视图区缩小或放大时，所显示的图形会相应地放大或缩小；c.c.窗口区与视图区大小相同时，所显示图形大小比例不变；d.d.视图区纵横比不等于窗口区纵横比时，显示的图形会有X、Y方向的伸缩变化。改变视图区的位置，可使画面在显示设备的不同位置出现；改变视图区的大小，可是所显示画面成比例地改变尺寸；改变窗口的大小，可产生变焦距（又称为缩放）效果：窗口变小时，可以观察到物体的细节；窗口变大时，物体相对变小，可观察到景物的全貌；
20、如果窗口的大小不变只改变其位置，是窗口扫过要观察的物体，则可产生扫视的效果。u 2.2.4 图形裁剪技术图形裁剪技术3.图元裁剪图元裁剪点的裁剪点的裁剪maxminYwmaxminXwYwyXwx若等式成立说明点P（x,y）,在窗口内，否则点在窗口外。u 2.2.4 图形裁剪技术图形裁剪技术3.图元裁剪图元裁剪线的裁剪线的裁剪Cohen-Sutherland裁剪算法的基本思想是：对于线段P1P2分为三种情况处理。a.若P1P2完全在窗口内，则显示线段P1P2,即“取”该线段；b.若P1P2明显在窗口外，则丢弃该线段；c.若线段P1P2不满足上述两条件，则把线段P1P2分为两部分，其中一段完全在
21、窗口外，丢弃该线段，然后对另一段重复上述处理。u 2.2.4 图形裁剪技术图形裁剪技术3.图元裁剪图元裁剪四位编码中每位（按由右向左顺序）编码的意义如下：第一位，点在窗口上边界线之上为1，否则为0；第二位，点在窗口下边界线之下为1，否则为0；第三位，点在窗口右边界线之右为1，否则为0；第四位，点在窗口左边界线之左为1，否则为0。上述编码规则可知：a.如果两个端点的编码均为0000”，则线段全部位于窗口内；b.如果两个端点编码的位逻辑乘不为零，则整条线段必位于窗口外；c.如果不满足上述两个条件，则必须在分割线段计算出线段与窗口某一边界的交点，再利用上述两个条件判别分割后的两条线段。u 2.2.4
22、 图形裁剪技术图形裁剪技术3.图元裁剪图元裁剪线段P1P2的端点P1的编码不为零，但codeP1&codeP2=0,因此该直线属于第三种情况。由codeP1=0001知，P1在窗口左边。计算线段与窗口左边界交点P0，则P1P0必在窗口外，舍弃之。对线段P0P2重复上述操作，由于P2的编码codeP2=0000，说明P2在窗口内，则剩下线段P0P2位于窗口内。u 2.2.4 图形裁剪技术图形裁剪技术3.图元裁剪图元裁剪多边形的裁剪多边形的裁剪Sutherland-Hodgman（S-H）算法的思路是算法的思路是：将多边形的各边先相对于窗口的某一条边界进行裁剪，然后将裁剪结果再与另一条边界进行裁剪
23、，如此重复多次，便可得到最终结果。u2.3 三维建模技术三维建模技术 机械产品的三维设计建模是CAD/CAM系统的核心技术，也是进行产品设计创新的过程。机械产品建模流程如下图：u 2.3.1 CAD/CAM建模基本知识建模基本知识产品结构信息几何信息拓扑信息制图语言以数字形式表示的存在于三维空间中要素的位置和形状，按其几何特征可以抽象地分为点、线、面、体四种类型。拓扑信息是反映产品结构中各图形元素的数量及其相互间的连接关系。制图语言是指除图形信息和拓扑信息外的其他非几何信息，包括几何尺寸、形位公差、表面粗糙度、技术要求等的物理属性和工艺属性。u 2.3.2 几何建模技术几何建模技术1.线框建模
24、原理线框建模原理线框模型（Wire Frame Mode）是利用棱边和顶点来表示形体结构。由于线框模型仅包含形体的棱边和顶点信息，因而可用棱边表和顶点表两表数据结构进行模型组织和描述。u 2.3.2 几何建模技术几何建模技术线框建模模型u 2.3.2 几何建模技术几何建模技术2.平面建模原理平面建模原理平面建模平面建模是根据形体表面为平面构成特征，可将几何形体分为平面体以描述平面体结构。三维几何模型通过表面、棱边及顶点信息来构建形体的三维数据模型。u 2.3.2 几何建模技术几何建模技术平面建模模型u 2.3.2 几何建模技术几何建模技术3.曲面建模曲面建模曲面曲面建模建模是由规则曲线或系列参
25、数曲面片通过拼接、裁剪、光顺处理而构建的三维模型。u 2.3.2 几何建模技术几何建模技术4.实体建模实体建模 实体模型实体模型（SolidModel）是通过一系列基本体素，如矩形体、圆柱体、球体以及扫描体、旋转体、拉伸体等，经布尔运算构建的任意复杂形体的几何模型。实集模型的构建包括两方面内容：一是基本体的定义；二是布尔运算。（1）参数体素法）参数体素法是通过少量几个参数对一些简单基本体素进行定义。u 2.3.2 几何建模技术几何建模技术（2）扫描体法）扫描体法是通过二维封闭平面沿给定的轨迹扫描来生成实体模型中的基本体。u 2.3.2 几何建模技术几何建模技术（3）布尔运算）布尔运算是在基本体
26、定义后，将两个或多个基本体经并、交、差进行运算后，便可构建各种不同的形体。u 2.3.3 特征建模特征建模 特征建模特征建模是在实体几何模型基础上，抽取作为结构功能要素的“特征”，以对设计对象进行更为丰富的描述和操作，弥补实体建模不足的一种新建模方法。所谓特征是从工程对象中高度概括和抽象出来的功能要素，包含了丰富的工程语义，不同的产品生产阶段有着不同的特征定义，如产品的功能特征、形状特征、加工特征、工艺特征、装配特征等。u 2.3.3 特征建模特征建模零件信息模型的特征形状特征技术特征材料特征精度特征装配特征管理特征形状特征能反映零件的特征功能，能够提取零件形体结构的点、边、面、体等几何信息和
27、拓扑信息。为技术分析、性能试验、应用操作提供相关信息，包括设计要求、设计约束、外观要求、运行工况、作用载荷等。用于描述与零件材料及热处理要求的相关信息，包括零件材料牌号、性能、硬度、热处理要求、表面处理、检验方式等。用于描述零件公称几何形状的允许范围，是检验零件质量的主要依据，包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。用于描述零件在装配过程中的相关信息，包括位置关系、配合关系、连接关系、装配尺寸、装配技术要求等。用于描述与管理有关的零件信息，包括零件名、零件图号、设计者、设计日期、零件材料、件数量等等。1.1.特征特征分类分类u 2.3.3 特征建模特征建模零件信息模型的特征间的关系邻接关系从属关
28、系分布关系引用关系2.2.特征特征间的关系间的关系邻接关系反映形状特征的凸台和凹槽相互位置关系，是特征的一种外部约束，主要表现为形状特征的面贴合。从属关系反映形状特征之间存在的主从关系，其依赖于主特征而存在。这些辅助特征与轴段主特征之间保持一种从属关系。表示某些形状特征在空间位置上是按照特定形式排列，如孔特征的圆周分布、阵列分布等。反映某特征与另一特征之间作为关联属性存在着引用的联系，这种引用联系主要存在于形状特征对精度特征、材料特征等特征的引用。u 2.3.3 特征建模特征建模3.3.特征特征建模的基本步骤建模的基本步骤（1）分析特征与特征之间的关系等（2）创建基础特征（3）创建其余特征（4
29、）特征的编辑修改（5）利用创建完成的三维零件特征模型可生成二维工程图u 2.3.4 装配建模技术装配建模技术1.1.装配模型信息装配模型信息装配模型装配模型是包含产品结构组成、组件几何结构以及各组成零件之间相互连接、配合、约束等装配关系的产品模型。它全面表达了产品的结构组成和装配体的装配关系，能完整、准确地传递装配体的设计参数、装配层次和装配配合等信息。一是产品实体结构信息，即产品所包含的零部件几何结构信息；二是产品各组成件间的相互关系信息，即产品结构的层次关系和装配关系等。u 2.3.4 装配建模技术装配建模技术2.2.装配关系装配关系产品的装配关系产品的装配关系是反映产品零部件间的相对位置
30、的连接关系和相互配合的约束关系。产品零部件之间的装配关系是装配建模的重要基础。u 2.3.4 装配建模技术装配建模技术3.3.装配建模方式装配建模方式1）自下而上的建模方式自下而上（Bottom Up）的装配建模是一种传统装配设计方法。先设计产品的零部件，然后再设计定义零部件间的装配关系，最终创建完成产品的装配模型。若在装配过程中发现事先设计的零部件不能满足装配要求，则需要修改零部件的设计，重新进行装配设计，如此反复，直至满足装配要求为此。u 2.3.4 装配建模技术装配建模技术3.3.装配建模方式装配建模方式自下而上的建模方式优点缺点设计快速高效；更加专注于产品整体设计，而不是独立的零件细节
31、；减少由于人为的疏忽造成的设计错误；零件之间具有关联性，参考的实体变换时将自动完成其他参考零件的修改。由于事先没有一个很好的装配规划和全局考虑，在零部件设计时如未能考虑其他零部件的影响，装配过程极易产生不满足装配要求等问题。例如：由于零部件间存在干涉而导致无法装配，从而需要对零部件重新进行设计修改，然后再装配。因此，这种建模方法反复工作多，建模效率较低。u 2.3.4 装配建模技术装配建模技术3.3.装配建模方式装配建模方式2）自上而下的建模方式自上而下（Top Down）的装配建模，首先是设计好满足功能要求的产品初步结构方案，绘制产品装配草图，确定产品各组成零件之间的装配和约束关系，完成装配
32、层次的概念设计，并根据装配关系把产品分解成若干零部件，然后在总装配关系的约束下，完成零部件的详细设计。u 2.3.4 装配建模技术装配建模技术3.3.装配建模方式装配建模方式自上而下的建模方式优点缺点设计快速高效；更加专注于产品整体设计，而不是独立的零件细节；减少由于人为的疏忽造成的设计错误；零件之间具有关联性，参考的实体变换时将自动完成其他参考零件的修改。在大型系统建模时缺乏对谢姐的考虑，各个系统之间的协调看法难度较大。u2.4 真实感显示及虚拟现实技术真实感显示及虚拟现实技术u 2.4.1 图形消隐技术图形消隐技术1.1.消隐概念消隐概念消隐消隐是在绘制时消除被遮挡的不可见的线或面，习惯上
33、称做消除隐藏线和隐藏面，经过消隐得到的投影图称为物体的真实图形。u 2.4.1 图形消隐技术图形消隐技术2.2.消隐的分类消隐的分类根据消隐对象分类 线消隐 面消隐根据消隐空间分类 物体空间的消隐算法 图像空间的消隐算法 物体空间和图像空间的消隐算法u 2.4.1 图形消隐技术图形消隐技术3.3.常见的消隐算法常见的消隐算法线消隐 凸多面体的隐藏线消隐 凹多面体的隐藏线消隐面消隐 油画算法 Z向深度缓冲区算法 扫描线算法u 2.4.2 颜色与纹理颜色与纹理1.1.颜色颜色 要产生具有高度真实感的图形，颜色是最重要的部分。颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。因面，物体的颜色不仅
34、取决于物体的本身，还与光源、周围环境的颜色以及观察者的视觉系统等有关。u 2.4.2 颜色与纹理颜色与纹理2.2.纹理纹理纹理纹理一般是指物体表面的花纹或纹理即使物体表面呈现凹凸不平的沟纹，同时也包括在物体的光滑表面上的花纹或图案。纹理映射纹理映射，又称纹理贴图，是将纹理空间中的纹理像素映射到屏幕空间中的像素的过程。简单来说，就是把一幅图像贴到三维物体的表面上来增强真实感，可以和光照计算、图像混合等技术结合起来形成许多非常漂亮的效果u 2.4.3 光照处理光照处理当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热，被反射、透射的光进入人的视觉系统，使人们能看见物体。为模
35、拟这一现象，将建立一些数学模型来替代复杂的物理模型，这些模型称为明暗效应模型或光照模型。三维形体的图形经过消隐后，再进行明暗效应的处理，可以进一步提高图形的真实感。u 2.4.3 光照处理光照处理1.1.光照显示光照显示当光源来自一个方向时，漫反射光均匀向各方向传播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的，因而漫反射光的空间分布是均匀的。根据Lambert余弦定律，漫反射光强为：cos*Idiffuse u 2.4.3 光照处理光照处理1.1.光照显示光照显示对于有些物体（如擦亮的金属、光滑的塑料等）是不适用的，原因是这些物体还会产生镜面反射。对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射定律
36、。对一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由反射定律决定的反射方向光强最大。因此，对于同一点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同的。镜面反射光强可表示为：nVRdotkIR),(*u 2.4.3 光照处理光照处理2.2.阴影形成阴影形成 阴影是现实生活中一个很常见的光照现象，是由于光源被物体遮挡而在该物体后面产生的较暗的区域。在真实感图形中，通过阴影可以反映出物体之间的相互关系，增加图形的立体效果和真实感。当知道了物体的阴影区域以后，就可以把它结合到前面介绍的简单光照模型中去，对于物体表面的多边形，如果在阴影区域内部，那么该多边形的光强就只有环境光一项，后面的几项光强均为零，否则就
37、用正常的模型计算光强。通过这种方法，可以方便地把阴影引人简单光照明模型中，使产生的真实感图形更具层次感。u 2.4.4 虚拟现实技术虚拟现实技术 虚拟现实技术虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。目前虚拟现实技术是图形真实感显示的最高层次技术。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。u 2.4.4 虚拟现实技术虚拟现实技术虚拟现实技术的基本特征包括：a.多感知性多感知性 是指除了一般计算机技术所具有的
38、视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知等。b.浸没感浸没感 又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨图像的真假。c.交互性交互性 指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。d.构想性构想性 强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。第第1章章CAD/CAM概述概述
39、 第第2章章计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）第第3章章计算机辅助工程分析（计算机辅助工程分析（CAE）目 录目 录 第第4章章计算机辅助工艺规程设计（计算机辅助工艺规程设计（CAPP）第第5章章计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）第第6章章CAD/CAM技术的集成与发展技术的集成与发展计算机辅助工程分析（计算机辅助工程分析（CAE）第第3章章计算机辅助工程计算机辅助工程(Computer Aided Engineering(Computer Aided Engineering，CAE)CAE)是用计算机辅助求解是用计算机辅助求解复杂工程和力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问
40、题的一种近复杂工程和力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其应用领域包括用计算机辅助求解复杂工程产品结构强似数值分析方法。其应用领域包括用计算机辅助求解复杂工程产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等性度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等性能的分析计算以及结构优化设计等。能的分析计算以及结构优化设计等。3.1 CAE的基本知识3.1.1 CAE的基本概念的基本概念与新产品机理、先进可靠性和功能密切相关面向的对象是工程产品涉及内容多，跨学科性明显CAE特征特征CAE具有以下特征：具有以下特征：3.1.2 C
41、AE软件简介软件简介 CAE CAE软件是计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学软件是计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合型、知识密集型信与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合型、知识密集型信息产品，是息产品，是CAECAE理论和工程应用之间的桥梁。理论和工程应用之间的桥梁。目前通用商业化软件主要有；目前通用商业化软件主要有；NASTRAN、ADAMS、ANSYS、MARC、ADINA以及以及ABAQUS等。通用等。通用CAE软件主要由有限元分析模块、优化软件主要由有限元分析模块、优化设计模块、计算流体模块、电磁场计算模块、最
42、优控制模块和其它专业设计模块、计算流体模块、电磁场计算模块、最优控制模块和其它专业性的计算模块组成。性的计算模块组成。现行现行CAECAE软件的结构软件的结构(1)(1)前处理模块；前处理模块；(2)(2)有限元分析模块；有限元分析模块；(3)(3)后处理模块；后处理模块；(4)(4)用户界面模块；用户界面模块；(5)(5)数据管理系统与数据库；数据管理系统与数据库；(6)(6)共享的基础算法模块；共享的基础算法模块；CAECAE软件的主要功能软件的主要功能(1)(1)静力和拟静力的线性与非线性分析静力和拟静力的线性与非线性分析(2)(2)线性与非线性动力学分析线性与非线性动力学分析(3)(3
43、)稳态与瞬态热传导与热稳态与瞬态热传导与热-力耦合分析力耦合分析(4)(4)电磁场和电流场分析电磁场和电流场分析(5)(5)流体计算流体计算(6)(6)声场与波的传播计算声场与波的传播计算3.1.3 CAE的发展概况的发展概况1.CAE1.CAE技术的发展过程技术的发展过程有限元法于20世纪50年代后期诞生 1956年，美国波音飞机公司的Turner，Clough，Martin.Topp等人发明了有限元法，发展的边界元、有限差分等方法。对波动、断裂、接触及流场问题进行了有效分析CAECAE技术产生技术产生2.CAE发展趋势发展趋势先进、智能、集成是CAE的目标多学科交叉将CAD、CAE和CAM
44、有机地集成在一起，能实现最佳效率3.2有限元分析法概述有限元分析法概述3.2.1 有限元法的概念有限元法的概念1.1.发展概况发展概况基本思想的提出，始于1943年，Richard Courant第一个成功尝试1956年，Turner、Clough等人1960年，美国克拉夫Ray W.Clough教授将有限元法（FEM）的名称也第一次被正式提出1963至1964年，Besseling、Melosh和Jones等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹(Ritz)法的另一种形式20世纪60至70年代，数学工作者巩固了有限元法的数学基础（我国数学家冯康分片插值的思想）在国民经济建设和科学技术发展中发挥
45、更大的作用在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用2.2.有限元法的基本思想有限元法的基本思想 有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域(单元单元)所构成，其模型给所构成，其模型给基本方程的分片基本方程的分片(子子)近似解。由于单元可以被分制成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能近似解。由于单元可以被分制成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件，再加上有成熟的大型软件很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件，再加上有成熟的大型软件系统支持，使其已逐渐成为一种
46、非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。系统支持，使其已逐渐成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。3.有限元法分类有限元法分类(1)线弹性有限元法线弹性有限元法(2)非线性有限元法非线性有限元法材料非线性问题几何非线性问题边界非线性3.2.2 有限元算法描述有限元算法描述（1 1）连续体的离散化）连续体的离散化（2 2）位移模式的选择位移模式的选择=Nde式中：-单元中任一点位移列阵；N-形函数矩阵；de-单元节点位移列阵。=Bde式中:-应变列阵；B-几何矩阵。=DBde式中：-单元体内任一点应力列阵；D-与单元材料相关的本构矩阵。(3)(3)建立单元刚度矩阵建立单元刚度矩阵利用虚功原
47、理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即确定单元刚度方程：F=kde 式中:k-单元刚度列阵，且：TBD Bkd(4)(4)计算等效节点力计算等效节点力(5)(5)组装单元刚度矩阵形成整体刚度矩阵组装单元刚度矩阵形成整体刚度矩阵(6)(6)求解未知节点位移，计算节点力求解未知节点位移，计算节点力根据连续体平衡条件，建立联系整体节点位移和节点载荷的一个大型线性(或非线性)方程组，求解这个方程组得到节点位移值：Kd=F式中:K一总体刚度矩阵；d-整个连续体节点位移列阵；F-节点载荷矩阵。3.3组件运动学分析组件运动学分析3.3.1 组件运动学的概述组件运动学的概述 多体系统动力学是研究
48、多体系统（一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规多体系统动力学是研究多体系统（一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学。多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体律的科学。多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学系统动力学。为建立多体系统动力学的数学模型，已经发展了各种方法，其共同特点是将经典力学原理为建立多体系统动力学的数学模型，已经发展了各种方法，其共同特点是将经典力学原理与现代计算技术结合。目前主流的与现代计算技术结合。目前主流的CAECAE软件基本都囊括了多体运动学仿真功能软件基本都囊括了多体运动学仿真功能。3.3.2 组件运动学的基础组件运动学的
49、基础1.1.矢量的坐标阵和坐标方阵矢量的坐标阵和坐标方阵对矢量进行运算可以借助于它的坐标阵和坐标方阵。zyxbbbb000 xyxzyzbbbbbbbabbabababazbybxbzayaxabaTTzzyyxxzyxzyx)()(这是用坐标阵计算矢量点乘的关系式。由于一个矢量在不同的坐标系内会有不同的坐标阵，所以进行两个矢量点乘运算时，必须使用其在同一个坐标系内的坐标阵。按定义有两个矢量 和abd的叉积为另一矢量zbabaybabaxbababbbaaazyxzbybxbzayaxabadyxxyzxxzzyyzzyxzyxzyxzyx)()()()()(yxxyzxxzzyyzzyxba
50、bababababaddddyxxyzxxzzyyzzyxxyxzyzbababababababbbaaaaaa000yxxyzxxzzyyzzyxxyxzyzbabababababaaaabbbbbb000abbad这是用坐标阵表示的叉乘关系式。同样需要强调的是，进行两个矢量叉乘运算时，必须使用其在同一个坐标系内的坐标阵或坐标方阵。规定零矢量的坐标阵和坐标方阵均用零矩阵表示。同一个矢量在不同坐标系内的坐标阵不同，但二者可以通过方向余弦矩阵进行转换。02 2.方向余弦矩阵方向余弦矩阵b坐标系，如图所示rx ry rz bx by bz 利用b坐标系各单位矢量在r坐标系内的九个方向余弦可以构造出
