计算机辅助设计

7第7章 计算机辅助设计（CAD）

7.1 CAD概述 计算机辅助设计（Computer Aided Design）简称CAD，是运用计算机硬件和软件系统强大的计算功能和高效灵活的图形处理能力，辅助工程设计人员进行工程设计和产品设计与开发，以达到缩短设计周期、提高工程和产品的设计质量及设计水平、降低成本、提高市场竞争力的一门先进技术。作为一项综合性的、技术复杂的系统工程，CAD技术涉及众多学科的高新技术领域，如计算机硬件技术、工程设计知识和方法、计算数学、计算力学、计算机图形学、数据结构和数据库、人工智能及专家系统、仿真技术等。 7.1.1 CAD的发展历史 CAD技术发展分成四个阶段： （1）第一阶段，60年代初期~60年代末期。这个阶段的CAD系统以使用大型通用机（晶体管电路为主）和刷新式图形显示器为基本标志。 （2）第二阶段，60年代末期~70年代末期。60年代末，美国DEC公司开始生产出价格相当低廉的小型机，同时价格更加便宜的存储管式显示器也得到应用，光笔、图形输入板等各种形式的图形输入设备也投入应用，使得CAD系统的价格大幅度下降，促使CAD技术有可能得到快速发展和推广。 （3）第三阶段，80年代初期~90年代初期。在此时期出现了廉价的固体电路随机存储器，产生逼真图形的光栅扫描显示器、鼠标器、静电式绘图仪，伴随着超大规模集成电路技术的进步，微型机、超级微型机和图形工作站得到普及使用，商品化图形系统也获得迅速发展，使CAD技术从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计，标志着CAD技术进入了实用期。 （4）第四阶段，即从90年代中期至今。当前计算机技术正以前所未有的速度飞跃发展以Intel公司芯片技术为代表的硬件革命，为CAD技术的创新提供了更加强大的实现手段。计算机辅助设计作为一项多学科交义、渗透的高科技发展产物，目前正向着集成化、协同化、智能化的方向发展，在新世纪里必将产生巨人的变革。 CAD的生产和应用以美国最发达，其次是日本、西欧诸国。2000年，我国在建筑行业的设计领城中基本实现了计算机绘图。CAD技术的发展与应用普及，大大促进了社会生产力的发展，正如美国科学基金中心指出的那样：对直接提高生产力而言，CAD技术比电气化以来的任何发展，具有更大的发展潜力。它触发了新的产业革命。 7.1.2 CAD技术主要应用领域 我国CAD技术的应用与研究始于60年代末。直到80年代以后，才为较多的设计单位所接受，CAD技术的应用开始进入发展阶段。经过40多年的努力，CAD技术已广泛渗透和普及于机械制造、电子、航空、建筑、汽车、船舶、化工、环保、模具及纺织服装等许多行业，特别是微机CAD技术的应用比较广泛。

8（1）在航空和汽车工业中的应用 在机械加工、制造过程中，与CAD技术相对应的技术是CAM，即计算机辅助制造技术。通常把CAD与CAM结合起来使用，称为CAD/CAM技术。利用它，可以将设计过程和制造过程通过计算机统一起来。 （2）在电子工业中的应用 CAD技术在电子工业中的应用最早始于印刷电路板的设计。现在，设计半导体的逻辑电路及其布局，由于其复杂性的增加，已经到了非利用CAD技术不可的地步。据统计，现在75%的CAD设备是应用于电子工业的设计与生产。 （3）在机械制造行业申的应用 目前，在发达国家的机械制造行业主要生产环节中已应用了CAD技术。近几年，在CAD/CAM技术的基础上又产生了CIMS技术，它使多品种、中小批量生产，实现总体利益的智能化制造成为可能。 （4）在土木建筑业中的应用 在土木建筑业中，CAD技术是发展最快的技术之一。现在CAD技术已应用到从基本规划到详细设计；到建筑、结构、水电设计和路桥工程、水利工程等各个方面。使用CAD的水平已成为企业技术水平的象征，也是对外竞争投标的重要手段。 （5）在其他行业中的应用 在模具行业，进行模具的自动设计和加工过程的仿真；在制衣行业，根据体形自动设计剪裁形状、尺寸等；在化学行业，进行分子模型的表示等。 7.1.3 CAD系统的功能 用于CAD的计算机、软件及外围设备，总称为CAD系统。CAD系统提供了设计者成功且有效地完成设计工作所需的各种资源，包括产品设计所需的标准、规范及原材料的性能，工艺参数等工程数据。对于一个典型的工程设计过程，CAD系统可以发挥的功能包括： 1．图形处理 如计算机绘图（工程设计工作中，绘图工作量约占总设计工作量的50%~60%，因此，提高绘图速度和绘图质量是提高设计效率的关键）、几何造型（把物体的几何形状转变为计算机能接受的数学描述。 2．工程计算分析 CAD系统常常包括某些功能强的工程分析软件（有限元分析和优化设计软件），进行结构强度与刚度计算、结构稳定性计算与分析、结构参数化设计及优化计算分析等。 3．数据管理与数据交换 如数据库管理、工程数据交换规范及接口技术等。 4．文档处理 如文档制作、编辑及文字处理等。 5．软件设计 如窗口界面设计、软件工具、软件工程规范等。 7.1.4 CAD系统的工作过程 具体过程可简述如下： ①建立工程设计数据库，工程设计数据库是用来存储设计某个工程时所需的各种信息，如有关标准、图纸、表格、计算公式等。 ②建立多功能交互式图形程序库，利用图形程序库可以进行二维及三维图形的信息处理工作，能在此基础上绘制工程设计图样，建立标准零部件图形库等处理工作。 ③建立应用程序库，应用程序库就是汇集解决某一类工作设计问题的通用及专用设计程序，如通用数学方法计算程序、常规设计程序、结构力学计算程序、优化设计程序、有限元

9方法计算程序等。 ④向CAD系统输入设计要求，描述设计模型及选择合理的设计子模块，进行结构布置、外形和尺寸的初步设计，并将此阶段成果及设计要求写入工程设计数据库中。 ⑤利用应用程序库对初步设计方案进行优化设计，用有限元方法对初拟的结构尺寸进行计算分析，使结构尺寸及材料性能满足相关规范或标准的要求，并由此确定结构尺寸的主要参数。 ⑥利用交互式图形程序库，以人机交互作业方式对初步设计的图形进行实时修改，满意后绘制出结构设计详图及编制好相关技术文件。 7.1.5 CAD系统的特点 CAD系统的主要特点有： ①计算机在设计过程中需要不断与设计者交流，反馈设计信息，输入设计决策，直至完成工程设计，因此人机信息交流及交互工作方式是CAD系统最显著的特点。 ②大大地减少了设计计算、制图和制表所需的时间，提高了工作效率，缩短设计周期，设计工作效率可提高3~10倍。 ③提高设计质量，在数据库、程序库、图形库支持下，应用人机交互方法可以在短时期内得到优化的设计结果，同时在工程的结构、能耗、材料等方面取得最佳效果，提高工程结构设计成功率。 ④除保证设计技术文档的高质量外，通过建立合理的CAD应用规范，可以规范设计流程、统一技术文档及图样输出格式，提高设计质量，修改设计方便。 ⑤使设计人员从烦琐重复的设计工作中解放出来，将聪明才智及精力投入到新技术开发研究和现代设计理论与方法研究之中，进行计算机所不能替代的创造性设计工作。 ⑥工程设计结果出来以后，可以在计算机上获得其几何形状、应力位移场分布、运动仿真等，提高了设计的直观性。 ⑦CAD系统可以有效地集成企业各种技术资料、生产资源，并为协同设计、异地设计创造条件。 7.1.6 CAD的发展趋势 CAD技术的发展趋势，归纳起来有如下五化，即：CAD系统集成化、软件系统智能化、处理技术并行化、科学计算可视化及系统产品标准化。 （1）CAD系统集成化 当前，建立在开放式、分布式工作网络上的CAD集成化系统已成为CAD技术发展的主要趋势，能将设计、文档编写及管理等各个环节集成到一个统一的系统中，实现资源共享和信息集成。 （2）软件系统智能化 智能化是CAD发展的必然趋势，是人们将软件生产中的丰富知识和经验收集归纳起来，应用人工智能的基本原理和技术，把某个应用领域中专家的知识存储在计算机中的CAD技术。它能将推理、优化、选择、判断并做出决策，这样的系统在解决问题方面能够达到专家水平，即“专家系统”。 （3）处理技术并行化 并行技术可使处理速度提高几个数量级。近年来，这一技术在CAD中的应用己有一些

10 突破，但要达到广泛的应用，关键技术之一是并行算法的研究。只有对各具体的应用对象研究出相应的并行算法，才能真正发挥并行处理的作用，大到提高几个数量级处理速度的目标。 （4）科学计算可视化 由于图形界面直观，用户易于接受。因此，在CAD应用软件中对图形的要求越来越多，不但要求能产生和绘制生产用的各类设计图纸，而且还要应用软件的处理过程和设计结果达到可视化;不但要求图形图像表达具有真实感，而且还要求达到动态实时显示。 （5）系统产品标准化 随着CAD和CAM技术的广泛应用，CAD和CAM系统的品种越来越多，为了便于把CAD系统产生的结果传送并提供给CAM使用，或者将不同的CAD系统组合起来使用以及共享一些资源等等，都要求不同的CAD系统之间能够方便的交换信息。为此，必须实现系统产品的标准化，制定数据交换标准。目前，已经产生了IGFC和STEP等标准。 7.2 CAD系统构成 我们进行工程结构计算机辅助设计，必需是在CAD系统的支持下方能实现。一个完整的CAD系统是由硬件系统（Hardware System）和软件系统（Software System）共同构成的，硬件系统主要由电子计算机及其外围设备组成，它是计算机辅助设计系统的物质基础；软件系统通常是指程序及相关的文档，它是计算机辅助设计系统的核心，它决定了系统所具有的功能。一个CAD系统能否取得成功基本取决于硬件系统的性能和软件系统的功能是否完善，更重要的是两者完关的有机结合。 7.2.1 CAD硬件系统 CAD硬件系统主要是由主机、外存储器、输入设备、输出设备和通讯设备组成，如错误！未找到引用源。所示。 1．主机 主机是整个系统的核心，通过执行实际运算与逻辑分析，控制、指挥着整个系统进行有效的工作。它主要是由中央处理器（CPU，Central Process Unit）、主存储器（简称内存）及总线构成。 CPU是计算机的核心，主要包括运算器、控制器、寄存器组和内部总线，人们采用超大规模集成电路工艺将它们制成芯片，其主要任务是读取指令、分析指令和执行指令。 主存储器（Main memory），简称内存，是主机内部直接与CPU相连的存储设备，由一系列可编址的存储单元组成，每个单元有8个二进制位（Bit），称为一个字节（Byte）。 总线是一种内部结构，它是CPU、内存、输入/输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过主机相连接，外部设备通过相应的接口电路在于总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。 主机的类型和性能在很大程度上决定了CAD系统的使用性能。表示主机性能的重要指标是速度，最常用的是时钟频率（主频），它是计算机通过电子钟高速发出的有规律脉冲的频率，单位为兆赫兹（MHz）。 2．外存储器 与主存储器相对应的是辅助存储器，又称外存储器，简称外存。外存储器通常是磁性介质或光盘，像磁盘，磁带，CD等，能长期保存程序和数据，其特点是存储量大、价格低，且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，其存取速度与内存相比就显得慢的多。