CAD基本技术主要包括交互技术、图形变换技术、线框模型、曲面造型和实体造型技术、特征建模技术、参数化与变量化建模技术等。
交互技术:在计算机辅助设计中,交互技术是必不可少的。交互式CAD系统指用户在使用计算机系统进行设计时,人和计算机可以及时地交换信息。采用交互式系统,人们可以边构思、边打样、边修改,随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果,非常直观。
图形变换:主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来;对图形作平移、旋转、缩放、透视变换;通过矩阵运算来实现图形变换。
线框模型:在20世纪60年代发展的造型技术,起初用于二维CAD模型的建立,用户逐点、逐线地构建模型,其目的是使用计算机代替人工绘图。发展到三维造型时,线框模型利用线框和多边形构造三维形体。由于线框模型的重叠特性,需要经过人脑的转换才能呈现所表达的三维模型,并且线框模型难以表达曲面造型,因此在20世纪70年代逐渐向曲面造型和实体造型发展。
曲面造型:指在产品设计中对于曲面形状产品外观的一种建模方法。曲面造型方法使用三维CAD软件的曲面指令功能构建产品的外观形状曲面并得到实体化模型。曲面造型主要用于研究曲线和曲面表示、曲面求交及显示等问题。常用的曲面造型的表示方式有Coons曲面、Bezier曲面、B样条曲面以及非均匀有理B样条曲面(Non-uniform rational B-spline,NURBS)。曲面造型系统已广泛应用于汽车、飞机和船舶等产品的设计中。
实体造型:实体造型技术(Solid Modeling)是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立三维实体模型的关键技术。实体造型主要研究如何通过简单体素或特征的拼合构造复杂形体,通过这种方式形成的模型称为实体模型。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内,由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。(www.daowen.com)
随着模型建立应用的范围不断扩大,逐渐产生了将线框模型、曲面模型和实体模型进行统一并融合成一体的需求。实现这一融合的典型三维建模内核包括Parasolid和ACIS。这两种建模内核是当今主流的CAD(SolidWorks、UG、CATIA、AutoCAD等)、CAE(Abaqus、ANSYS Icem-CFD等)和CAM(CimatronE、MasterCAM、OneCNC等)软件系统的几何建模内核。
特征建模技术:实体造型技术利用计算机存储了产品设计的三维几何与拓扑信息,但缺乏产品开发全生命周期所需的材料、加工特征、尺寸公差、几何公差、表面结构和装配要求等信息。按照特征建模的分类,零部件的特征类型可分为形状特征、装配特征、精度特征、性能特征和补充特征等。使用特征建模,可以从构形角度出发,选用对设计制造有意义的特征形体(如槽、凹腔、凸台、孔、壳、壁等特征)作为基本单元,从而拼合成零件。另一方面,在特征建模中除了几何、拓扑信息,其中包含了大量下游活动(计算机辅助工艺过程设计、数控编程等)所需的信息,形成了复合STEP标准的产品信息模型,从而为CIMS(Computer Integrated Manufacturing System,计算机集成制造系统)及CE(Concurrent Engi-neering,并行工程)环境下的CAx和DFx等集成打下良好的基础。
参数化与变量化建模技术:为了实现模型中各个元素间尺寸驱动的功能,并建立几何模型与工程计算间的联系,参数化和变量化技术采用约束表达产品的几何模型,用一组尺寸参数及工程设计参数来定义和控制几何模型。由此形成了使用参数值来驱动形状的能力,并可方便地修改设计形状或进行形状相似产品的系列化设计。另外,参数化与变量化的建模技术可以实现产品设计过程中方案设计、结构设计、工程绘图、装配设计、工程分析和运动仿真等各个环节间的数据共享和驱动。参数化建模主要对结构约束、尺寸约束、参数约束这3类几何元素进行约束,而变量化建模除了包含这些约束外,还包括面积、体积、强度、刚度、运动学、动力学等工程约束的限制条件和计算方程。
一个CAD系统由硬件和软件两部分组成,要想充分发挥CAD的作用,必须要有高性能的硬件和功能强大的软件。先进的CAD系统的硬件由计算机及其外围设备和网络组成。计算机分为大型机,中小型机、工作站和微型计算机4大类。目前应用较多的是CAD工作站,国内主要是微型计算机和工作站。在现代大型企业中,单机CAD的工作方式已经不能满足要求,CAD技术一般都在网络环境下使用。
CAD系统的软件主要包括支撑软件和应用软件。支撑软件除了Windows等操作系统外,主要是指图形支撑软件平台。另一类是专业软件,它是根据本领域工程特点,利用支撑软件系统开发的解决本工程领域特定问题的应用软件系统,比如浩辰自主开发的基于CAD平台的系列专业软件。专业CAD应用系统是各专业根据各自的设计需要,利用通用CAD系统提供的二次开发工具或数据接口功能,将各类专业设计技术研制成CAD系统的各类设计工具和知识,从而使设计能直接按照专业设计的方法进行,大大提高了CAD系统的“设计”能力和效率。但这类CAD系统针对具体的专业进行开发,在专业设计方面不具备通用性。
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