材料成型CAD_CAE_CAM复习题

材料成型CAD/CAE/CAM复习题

1 试述线框造型、表面造型以及实体造型的优缺点？

（1）线框造型：

优点：线框造型的方法及其模型都较简单，便于处理，具有图形显示速度快，容易修改优点。

缺点：①图形的二义性（不能唯一表示一个图形）；②难以进行形体表面交线计算和物性计算，不便于消除隐藏线，不能满足表面特性组合和存储及多坐标数控加工刀具轨迹的生成等。

（2）表面造型：

优点：①可以识别和显示复杂的曲面；②可以识别表面特征；③可以进行高级刀具轨迹的仿真。

缺点：①不能完整全面地表达物体形状；②难以直接用于物性计算，内部结构不易显示。

（3）实体造型

优点：①全面完整地定义立体图形；②可以自动计算物性、检测干涉、消隐和剖切形体。

2 Ferguson曲线、Bezier曲线、B样条曲线各自的优缺点？

3 什么是曲面的反算、拼接和互化？

（1）反算：自由曲面在计算机内部存储的是控制点，但在实际工程中，往往先经测绘得到曲面的型值点，然后再由型值点反算出控制点。由于曲面是由空间点经过两次调配得到的，因而曲面的控制点的反算需要“两次反算过程”，第一次反算过程为：将一个参数方向（如u方向）上的型值点依次按曲线反算方法反算出一系列点；第二次反算过程为：沿另一个参数方向（如υ方向），将第一次反算得到的点次再按曲线反算方法反算出另一系列点，第二次反虎得到的点即为曲面的控制点。

（2）拼接：以双三次自由曲面为例，相邻两片曲面光滑拼接的条件为：

①对Coons曲面：两张双三次Coons曲面片共边界且在相邻两角点处的坐标、u向切矢、υ向切矢、按矢分别相等；②地Bezier曲面：两张双三次Bezier曲面片在相领边界处的相领的控制网格共边且在同一平面上；③对B样条曲面：由于每（4×4）即16个几何条件定义一片双三次曲面，如果定义B样条曲面制造何矩阵Q有M行N列（M≥4，N≥4），则可以定义（M-3）×（N-3）个曲面片。与三次B样条曲线的连续性相似，只要（4×4）的子矩阵在Q矩阵中是依次向右或依次向下移动的，就能自动保证相邻的曲面片或上下相领的曲面片二阶连续。显然，B样条曲面的连续性条件十分简单，这是B样条曲面得到广泛应用的原因之一。

（3）互化：双三次Coons曲面、双三次Bezier曲面、双三次B样条曲面之间可以相互转化。

4 常用的三种实体造型方法边界表示法、扫动法和构造实体几何法的优缺点？

（1）边界表示法：

优点：①便于图形的显示和输出。②对物体的材质、比重、颜色等属性数据，比较容易处理。③转换成线框模型非常简单。④表达的物体无二义性

缺点：①边界表示法不具惟一性②数据量大，需要较大的存储空间。③边界表示法的数据输入比较麻烦，须提供方便的用户界面

（2）扫动法：是通过将一个二维图形或一个形体沿某一路径扫动产生新图形的一种表示模式。扫动方式：平移扫动 — 扫动轨迹为直线，旋转扫动 — 扫动轨迹为圆或圆弧

（3）构造实体几何法（CSG）： 优点：①体素拼合是一个集合运算过程；②运算结果依然是正则集：③表示一个复杂形体非常简洁，所定义的几何形状不易产生错误，用户输入的信息量少，描述物体的数据结构非常紧凑。

缺点：①为隐式模型，不反映物体的面、边、顶点等有关边界信息，也不显示说明三维点集与所表示物体的对应关系；②进行拼合操作及最终显示物体时，还需将CSG树这种数据结构转变为边界表示(B-rep)的数据结构，为此在计算机内除了存储CSG树外．还应有一套数据结构存放体素的体—面—边信息。

5 特征造型和几何造型有什么区别？为什么要采用特征造型？

（1）几何造型：利用计算机系统描述零件几何形状及其相关信息，建立零件计算机模型的技术称为几何造型。

几何造型法存在问题：

①零件定义不完整；只能定义零件的公称几何形状，而作为零件的其他信息如尺寸公差，表面粗糙度以及设计意图等不能表达；

②信息定义的层次低。零件以点、线、面等较低层次的几何与拓扑信息描述，只有当这些信息作为图形显示出来时，人们才能理解其含义，另外实体模型一旦建立，修改不方便。

（2）特征造型（Feature Modeling）：是以实体模型为基础，用具有一定设计或加工功能的特征作为造型的基本单元建立零件的几何模型。

特征造型的优点：

①几何造型是为了完善产品的几何描述能力，特征造型着眼于更好地表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息服务。

②它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，象螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型容易被别人理解并组织生产，设计的图样更容易修改。

③有助于加强产品的设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，能及时得到后续环节的反馈意见，为开发新一代的基于同一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造前提。

④有助于产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化。

⑤将推动各行业实践经验的归纳、总结，从中提炼出更多规律性知识，促进智能化CAD系统和智能制造系统的逐步实现。

6 常见的特征造型方法？

（1）交互特征标定(Interactive Feature Definition)

通过交互方式人工辅助识别特征，输入工艺信息，建立起零件描述的数据结构，这种方法效率低，易出错。已经很少使用。

（2）自动特征识别(Automatic Feature Recognition) 利用实体建模信息，自动标识特征，交互输入工艺信息，这种方式应用面广，但由于识别能力有限，所以使用的零件范围狭小，有一定的局限性。

（3）基于特征设计(Design by Feature)。利用特征进行零件设计，即在设计阶段就调入形状特征造型，逐步把几何信息和特征信息存入数据库中，建立零件的特征数据模型。

7 工程数据库与一般数据库管理系统相比的特点？

工程数据库管理系统（Engineering Data Base Management System, EDBMS）与一般库管理系统（DBMS)的主要区别和特点在于：

(1)管理对象 一般数据库管理系统所管理的对象通常是静态的，实体和实体之间的关系比较清晰，在进行库设计的阶段就能实现准确、完整地描述出这些。而工程数据库管理系统除了管理静态的数据（如设计标准、设计规则等）外，另一类需管理的数据则是高度动态的。因为有些数据无法事先选定，只有在设计中逐步地确定，而且设计过程是一个创造性的活动，需要反复和修改，所以结果的数据是动态形成的。

(2）数据的类型 一般数据库处理的数据，绝大部分可表示为字符串和数值。而工程上的数据，除了字符串和数值这样的简单数据类型外，还有大量的数据类型的数据，如向量矩阵、集合、有序集、时间序列、几何图形、复杂的数学公式和过程等。

(3)数据结构 一般数据库的数据，用关系型这种数据结构通常就能清晰地被表达。但在工程上，一个实体，如一种产品，往往由多个部件、零件等实体组成，这些部件、零件均呈树状的继承关系，并且在设计过程中实体间的关系复杂多样，有的呈网状结构，这些都是一般数据库难以表达的。

(4）数据库的变化 一般数据库的修改主要体现在数值的多变上，结构上的变化是缓慢的，用户只改变数值，而数据结构则必须由数据库管理员改动。而工程设计者作为工程数据的全权使用者，必须让其对库的数值和结构上都可作改动，以满足设计过程中的多变性要求。

(5)信息种类 工程数据包含的信息种类繁多，如：1)产品的图形信息：零件的二维图、三维图；部件、产品的装配图等。2)产品的文字数据信息：零件的材料、热处理、公差、表面粗糙度等技术要求，以及产品、部件的装配关系信息等。3)设计所需参数和分析计算数据：设计规范、标准、资源、设备等。4)工艺数据：加工设备、工艺规程、工序文件及加工的数控代码等。

(6)系统的分层结构 一般数据库也支持事物处理功能，但商务性、管理性的事务规律性较强，便于实现。而工程设计过程是一个创造性的、多人协作的过程，涉及的数据结构繁多、复杂，并需要多次的反复和修改，一般的数据库系统难以支持这类应用，所以需要设计分层结构的数据库系统，来解决工程中的长事物处理问题。

8 CAD/CAM中如何处理工程手册中的设计资料，有哪些方法、目的？ 模具CAD/CAM过程中设计资料的处理方法有以下两种：

(1)程序化。即在应用程序内部对这些数表及线图进行查表、处理或计算。具体处理方法不外乎有两种，第一种将数表中的数据或线图经离散化后存人一维、二维或三维数组，用查表、插值等方法检索所需数据；第二种将数表或线图拟合成公式，编人程序计算出所需数据。

(2）数据库存储。将数表及线图（经离散化）中的数据按数据库中的规定进行文件结构化，如确定文件名、字段名、字段类型、字段宽度等，存放在数据库中，数据独立于应用程序，但又能为所有应用程序提供服务。

9 数据处理中函数插值及数据拟合的区别，各自的基本思想、几何意义？

（1）插值的基本思想是：设法构造一个函数y＝p(x)作为列表函数的近似表达式，然后计算p(x)的值以得到f(x）的值。最常用的近似函数类型为代数多项式。

插值问题的几何意义是：通过给定的n个点（x1，y1), (x2, y2),..., ( xn, yn）作一条(n- 1)次的代数曲线y=pn-1(x)，用以近似地表示曲线y = f(x)。所以，当数表中的变量之间存在确定的函数关系时，可以用代数插值的方法求得它们之间的近似关系式。

（2）数据拟合：最常用的拟合方法是采用最小二乘法。拟合之前，还可将节点数据（xi,yi)

(i＝1,2,„,n)用图示法表示出来，剔除其中有明显误差的点，以提高拟合精度。

10 试述有限元法的基本原理

有限元法的基本思想是：先把一个原来是连续的物体剖分(离散)成有限个单元，且它们相互连接在有限个节点上，承受等效的节点载荷，并根据平衡条件来进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，再综合求解。由于单元的个数是有限的，节点数目也是有限的，所以称为有限元法。在采用有限元法对结构进行分析计算时，分析对象不同，采用单元类型（形状）也不同。

11 总结归纳有限元法的解题步骤。

有限元法的步骤（位移法为例）

（1）单元剖分：把连续弹性体分割成许多个有限大小的单元，并为单元和节点编号。

（2）单元特征分析：以节点位移{△}e为基本未知量,设选一个单元位移函数,之后:

①用节点位移表示单元位移，{f}=[N] {△}e 。

②通过几何方程用节点位移表示单元应变，{}=[B] {△}e 。

③通过物理方程用节点位移表示单元应力， {}=[G] {△}e 。

④通过虚功方程用节点位移表示节点力，{F}e＝[K] {△}e ，得出单元刚度矩阵。

（3）总体结构合成

①分析整理各单元刚度矩阵，通过节点的平衡方程形成节点载荷列阵、合成总体刚度矩阵，建立以节点位移为未知量的、以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程组[K]{△}={F}。

②对线性代数方程组进行边界条件处理，求解节点位移。进而由{}=[G] {△}e可求得单元应力。