1.计算机辅助设计的基本概念

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是研究综合应用计算机及其有关技术帮助人们进行工程和产品设计的技术。采用计算机辅助设计已是现代工程设计的迫切需要。工程设计的内容非常广泛，每一项工程设计任务也有许多不同环节。尽管人们早已将计算机用于设计的某些环节，如数值计算、产品性能分析、结构性能计算、试验数据处理、计算机辅助绘图等，但是今天所说的计算机辅助设计，不只是局限于设计的个别阶段或部分地使用计算机，而是将计算机技术有机地应用到设计的每个阶段和所有环节，尽可能地利用计算机去完成那些复杂性大、劳动强度高的工作，以及某些单纯靠人难以完成的工作，使设计人员有更多的时间和精力去进行创造性的工作，整个设计过程逐步形成在计算机协调下的集成系统。因此，CAD技术是现代工程设计中广泛采用的现代化设计方法和手段，是新技术起飞的“引擎”。

2.计算机辅助设计的内容

CAD是指以工程技术人员为主导，借助计算机系统来辅助一项设计的建立、修改、分析、优化等过程的一种现代设计方法和手段。CAD是现代设计方法的综合与应用，是一门新兴的边缘学科，是图形技术、数值分析、计算机软件、机械工程、设计方法学、优化设计等多学科的综合应用技术。因此，CAD系统支持设计过程中的各个阶段，即方案设计、总体设计和详细设计，其主要功能是减轻设计人员的制图、绘图及方案改进等繁重工作，协助编写各种材料或零件明细表、工艺流程及施工文件等。同时，它又将设计和工程计算、有限元分析和模拟仿真结合起来，以实现优化设计。因此，这是一种人机紧密结合的交互式系统，将工程设计人员的创造性、决策作用、组织能力和计算机较强的信息处理能力结合起来，使人、机在设计过程中互相取长补短，以达到最佳合作效果，使设计发生巨大变革。

利用计算机实施设计的过程中，与计算机辅助设计有关的各种任务可以大致归纳为如下4个方面：

（1）实体造型。它是计算机辅助设计技术的一个重要方面，其目的是对设计对象的几何形状给出某些确切的数学描述，以使计算机能很好地存储和识别它们，有了这种数学描述，每个特定的设计对象能经过必要的运算之后显示在图形终端的屏幕上，可以方便地观察它们，同时还可以根据要求对它们进行必要的操作。通过实体造型软件的加工处理，计算机把有关的数据以一定的格式存储在数据库中，根据要求随时加以调用，进行形状修正和分析计算。(www.daowen.com)

（2）工程分析。在工程设计中，往往要进行某种分析，例如，在外荷载作用下结构物的变形计算和应力—应变计算以及用偏微分方程来描述和求解设计系统的动态性能等，如今供各种分析目的使用的专用软件和其他已达到商品化程度的通用软件已被广泛地组合到各种计算机辅助设计应用软件中。有限元法是经常使用的工具之一，它通过事先把被分析的复杂结构物分解成多个简单的有限元素，并认为它们通过节点相互连成一个整体，在计算机高速处理能力的支持下可以计算每个节点的几何变形、力学特性和物理状态，从而完成对整个结构物的性能分析。

（3）综合评价。对完成的设计方案进行校核和评价往往包括尺寸校核、外观分析、内部构造剖析和碰撞检验等。不少计算机辅助设计系统提供了分块、分层或剖面功能，设计人员不仅可以对设计对象进行运动观察，而且可以剖视它们的内部结构，进行各种校验和修正，从而获得改进的设计方案。对于某些运动部件可采用动态模拟方式进行碰撞检验，以排除零部件之间的相互干涉现象。如果在以上任何一项校核中发现了问题，就要对原设计方案做出修改，直到通过各种校核。对方案的修改，可以用不同的方式，如交互式修改或由计算机辅助设计应用软件自动修改。

（4）自动绘图。作为工程设计的最终结果，必须向施工单位或生产单位提供设计对象的各种施工图、零件图、装配图等图纸，以及必要的文档和说明书，而工程图纸的自动绘制又是其中重要的环节。通常，计算机辅助设计可以直接把所需的数据从工程数据库中取出，并供自动绘图软件使用。一个完美的自动绘图软件，往往具有绘制各种图形元素、处理图形元素的各种几何属性、图形的各类几何变换、图形的编辑、自动标注尺寸、在指定部位画阴影线、图形的细部绘制和给出特定视图等功能。

因此，计算机辅助设计已经不再局限于个别设计阶段或环节中，而是将计算机科学的技术和方法与各种工程领域的专业技术相结合。在设计的每个阶段和所有环节中尽可能地利用计算机系统来完成计算复杂、劳动量大、重复性高以及单纯靠人工难以完成的设计工作，从而辅助整个设计过程。另外，体现计算机辅助设计特征的交互式计算机图形处理和工程数据库管理系统，为工程设计人员提供了非常方便灵活而且高效率的设计环境，使他们有更多的时间和精力，使用现代化的设计工具进行创造性的设计工作。整个设计工作在计算机系统的协调和控制下，逐步朝着集成化和自动化的方向发展。