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第二章：CIMS组成与体系 工程设计与制造分系统CAD/CAE 主要内容 CAD， CAE ，CAPP，CAAP CAM CAD/CAPP/CAM集成 PDM CAD/CAPP/CAM/PDM - iCAPP CAD子系统 CAD定义 CAD技术简史 CAD的组成 CAD的功能 CAD定义 CAD指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。 即，设计者向计算机输入根据设计要求建立的数学模型、设计参数等，通过计算机检索相关计算、优化，以图形方式显示设计结果，设计人员可对结果进行放大、缩小、旋转、平移、变换等处理，直到获得满意结果，最后将结果以图形或数据形式输出的过程。 CAD定义 计算机辅助设计包括的内容： 概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。 完整的CAD系统包括： 科学计算、图形系统和工程数据库。 CAD技术简史—— CAD建模的发展历程 线框造型: Wire-Frame Modeling 曲面造型: Surface Modeling 实体造型: Solid Modeling 特征造型: Feature Modeling 变量化造型：Variable Modeling 线框造型（60年代） 线框建模是最简单的建模系统，物体只通过棱边（直线、圆弧、园）来描述。 优点：数据结构简单，易于实现，所需信息量少，所占存贮空间也最少。 缺点： 没有面的信息，有些情况下信息不完整，存在多义性。 表面只有几何表示，没有定义，由于缺乏形体的表面信息，不能用于加工，CAE及CAM均无法实现。 曲面造型（70年代） 表面建模是通过对物体各种表面或曲面进行描述的建模方法。表面建模常用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的物体。 。常用的方法: 贝塞尔(Bezier)曲面 B样条(B spline) Coons曲面 NUBERS曲面 曲面造型 CADAM——美国洛克希德(Lochheed)公司 CALMA——美国通用电气(GE)公司 CV——美国波音(Boeing)公司 IDEAS——美国国家航空及宇航局(NASA)/SDRC UG——美国麦道(MD)公司 CATIA——法国达索(Dassault)公司 SURP——大众汽车公司 PDGS——福特汽车公司 EUCLID——雷诺汽车公司 曲面造型 优点：避免了二义性，有完整的表面和边界，适合自动生成NC加工指令。CAM的问题可以基本解决。 缺点： 由于表面模型只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。 不能优效处理不规则区域的曲面、无法定义曲面厚度。 不存在各个表面之间相互关系的信息 曲面造型 开发出来的软件商品化程度较军方支持的系统要低，功能覆盖面和软件水平亦相差较大。 价格昂贵 实体造型（80年代初期） 三维实体建模是目前应用最多的一种技术，它在运动学分析、物理特性计算、装配干涉检验、有限元分析方面都已成为不可缺少的工具。 SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件——I-DEAS。 实体造型 三维实体建模是目前应用最多的一种技术，它在运动学分析、物理特性计算、装配干涉检验、有限元分析方面都已成为不可缺少的工具。 常用的方法: 边界表示法 Boundary Representation—B-rep 构造实体几何法 Constructive Solid Geometry-CSG 空间单元表示法 边界模型 B-rep：用边界表面表示一个几何形体，边界表面再分为边和点等底层几何元素 比线框建模方便的图形交互功能 难于建立复杂的几何体模型 CSG法 CSG法又称布尔模型，它是通过基本体素及它们之间的布尔运算（相加、相减、相交）来表示的。 CSG法将任何几何形体都看成是由简单的“体素”（如长方体、圆柱体、球体、圆锥体、环状体）组成，通过布尔运算系统将这些体素组成所需的几何体。 空间单元表示法 空间单元表示法是通过具有一定大小的立方体（称为单元）组合起来表示物体的一种方法。 通过定义各个单元的位置是否被占用来表达物体，因而是一种近似表示法。并且，单元的大小直接影响到模型的分辨率。 单元表示法要求的存贮空间大，且不能表示物体各部分之间的关系，也没有点、线、面的概念。优点是算法简单，便于物理性计算和有限元分析。 实体造型 实体造型技术带来了算法改进和未来发展的希望的同时，也带来了数据计算量的极度膨胀。 由于以实体模型为基础的CAE本身就属于高层次技术，普及面窄。 算法和系统效率的矛盾使实体造型技术因此没能在整个