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1.计算机辅助设计（CAD）技术是在产品开发过程中使用计算机系统辅助产品创建，修改，分析和优化的有关技术。
最基本的功能是定义设计的几何形状，可以是机械零件，建筑机构，电子电路和建筑平面布局等。
3.计算机辅助制造（CAM）技术是将计算机系统直接或间接应用于计划，管理和控制生产作业的有关技术。
应用最广的领域是数字控制，简称NC。
另一个重要作用是机器人编程，使机器人可以在加工单元内进行作业，为数控机床选择刀具，定位工件等。
4.产品集成设计开发过程：1，进行功能设计，选择合理的科学原理和构造原理；2，进行产品结构的初步设计，产品的造型和外观的初步设计；3，从总图派生出零件，对零件的造型，尺寸，色彩等进行详细设计，对零件进行有限元分析，使结构及尺寸与应力相适应；4，对零件进行加工模拟，如压铸，锻压或机械加工等过程进行模拟，从模拟过程中发现制造中的问题，进而提出对零件设计的修改方案；5，对产品实施运动模拟或功能模拟，对其性能做出评价，分析和优化，最终完成零件的结构设计。
5.应用CAD/CAM系统进行产品开发，分为3个阶段：1.利用CAD技术进行三维参数化建模；2.利用CAD技术进行设计方案的分析，检验是否满足设计要求；3.利用CAM技术进行数控编程和数控加工。
CAM系统下的工作站是以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件为主体，应用软件为核心组成的面相工程设计问题的信息处理系统。
CAD/CAM系统总体上是由硬件和软件两大部分所组成的。
硬件是CAD/CAM系统的物质基础，软件是信息处理的载体。
CAM系统硬件应具备的基本功能：1.计算功能；2.存储功能；3.输入输出功能；4.交互功能。
CAM系统的软件可分为系统软件，支撑软件和应用软件。
系统软件：；；;.支撑软件：1.图形核心系统；2.工程绘图系统；3.几何造型软件；4.有限元分析软件；5.优化方法软件；6.数据库系统软件；7.系统运动学/动力学模拟仿真软件。
应用软件:用户利用计算机所提供的各种系统软件，支撑软件编制的解决用户各种实际问题的程序。
《计算机辅助设计》课程教学大纲课程名称：计算机辅助设计课程代码：MEEN3014英文名称：Computer-Aided Design课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第6学期适用专业：机械电子工程先修课程：计算机信息技术、机械制图、机械设计后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：郭开波大纲执笔人：王金娥大纲审核人：倪俊芳一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）课程性质：计算机辅助设计是机械电子工程专业的一门专业选修课程，是针对机械电子工程专业的特点，培养学生利用计算机辅助设计软件建造零件三维实体模型、零部件装配模型、工程图的绘制，从而实现学生对结构复杂产品进行计算机辅助设计的能力。
教学目标：现代产品的设计已经离不开数字化软件的应用了。
本课程的教学目标是在学生已具备机械制图、机械设计、计算机信息技术等基础知识和产品设计专业知识的基础上，以目前工程实际中常用的计算机辅助设计软件为工具进行产品的设计，包括零件的三维建模、零部件的装配建模、曲面建模、钣金设计以及工程图的绘制等，培养学生对结构复杂产品进行计算机辅助设计的能力。
本课程的具体教学目标如下：1.掌握计算机辅助设计系统的主要功能及设计流程，为学生进行产品的计算机辅助设计提供设计思路；2.掌握零件三维几何建模方法，培养利用计算机辅助设计软件进行复杂零件设计的能力。
3.掌握零件的装配设计，培养学生利用计算机辅助设计软件进行复杂产品结构设计的能力，为复杂产品的工程分析奠定基础。
4.能运用机械制图、力学、机械原理、材料力学等专业知识进行机构的运动分析与仿真。
教学目标与毕业要求的对应关系：二、课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容。
重点内容：★；难点内容：∆）1、概述（2学时）（支撑教学目标1）1.1计算机辅助设计的功能概述1.2SolidWorks的环境设置1.3SolidWorks的工作界面1.4本课程的教学内容、课程特点和学习要求➢目标及要求：1)掌握SolidWorks的主要功能模块★；2)掌握SolidWorks的环境设置和工作界面★；3)了解课程的主要教学内容、学习方法和主要参考资料。
计算机辅助设计与制造技术的发展近年来，计算机辅助设计与制造技术在制造业中的应用逐渐成熟，逐步取代了传统的人工设计和制造模式。
计算机辅助设计与制造技术，简称CAD/CAM技术，是将计算机技术应用于产品设计与制造过程中的一种技术手段。
1. 从手工到数字化在数字化时代之前，产品设计和制造都是依靠人工完成的，设计师们需要亲手制作雏形，再不断推敲，推出最终产品。
这种模式存在诸多弊端，首先是缺少标准化，难以保证同一产品的批量生产效率；其次是设计师需要花费大量时间和精力在细节方面上，显然不利于提升效率。
随着计算机技术的发展，CAD/CAM技术应运而生，将产品设计与制造过程数字化，减少了人工成本，提升了设计效率，降低了制造成本。
2. CAD技术CAD技术是利用计算机来设计、绘制和编辑产品模型的技术，可以将设计师手绘的图形转换成数字模型，方便修改和共享。
CAD技术可以根据产品的几何形状、功能要求和加工工艺等因素，综合考虑，并通过模拟、计算、优化等手段进行大量试验，最终得出最优方案。
CAD技术有很多种，主要有2D、3D、虚拟现实等，其中最常用的是3D CAD技术。
3D CAD技术可以将产品的各个要素综合考虑，在三维空间内形成真实的数字模型，帮助设计师更好地理解其外观和结构。
3. CAM技术CAM技术是计算机辅助制造技术的一种，它以CAD技术为基础，将设计好的数字模型转换成加工路径并通过数控系统控制加工设备进行加工，实现产品的快速制造。
CAM技术可以实现多种加工方式，例如钻孔、铣削、喷涂、雕刻等，且可以自动判断和调整不同加工环节中的各种参数，提高了生产效率和质量。
CAM 技术主要分为铣削CAM和电火花CAM两类，应用广泛。
4. 数字化制造随着计算机技术的快速发展，CAD/CAM技术已经从设计、制造、装配各个环节的数字化进行了全面拓展，形成了与之配套的数字化制造技术。
数字化制造技术将减小设备的加工误差，提高产品生产质量和效率，实现了“一次成型”制造的目标。
第六章计算机辅助材料设计与模拟第一节 概述第二节 材料设计基础第三节 材料设计软件及应用第四节 金属材料的热加工工艺模拟第五节 计算机辅助材料设计与模拟举例---------------------------------------------------第一节 材料设计概述6.1.1材料设计的定义、范围与层次6.1.2多尺度材料设计及其耦合6.1.3材料设计的途径（第五章已经涉及到了数据库）第二节 材料设计基础6.2.1 材料设计的结构基础（原子结构，晶体结构，电子结构，相结构）6.2.2 量子力学第一性原理简介（着重介绍密度函数理论）6.2.3材料热力学，动力学和相图 （热力学原理，计算方法，数据库）6.2.4 概率损伤设计（材料寿命预测与可靠性评价）第三节 材料设计软件及其应用（简单介绍软件的特点，基本功能，典型应用。
具体细节请查阅软件主页和相关链接。
）6.3.1 第一性原理计算软件（参见量子化学软件中文网）6.3.1.1 ABINIT（功能全，适于学习，可运行于Windows 操作系统的免费软件）6.3.1.2 VASP （材料研究中最为广泛使用和接受的量化软件）6.3.1.3 Cerius2 (功能模块多)6.3.1.4 Material studio(功能模块多)6.3.2 材料热力学和相图计算软件6.3.2.1 Thermo-Calc (http://www.thermocalc.se/)6.3.2.2 FACTSage (http://www.factsage.co m)6.3.2.3 PANDAT (6.3.3 概率设计与可靠性评价软件6.3.3.1 NESSUS (美国西南研究院为美国宇航局（NASA）开发的一个概率设计与可靠性设计软件第四节 金属材料的热加工工艺模拟6.4.1铸造过程计算机模拟6.4.2压力加工计算机模拟6.4.3 材料热处理计算机模拟6.4.4 材料组织结构计算机模拟(断裂，晶粒长大的模拟）6.4.5 焊接过程计算机模拟第五节 计算机辅助材料设计与模拟举例6.4.1 金属材料的设计(合金相，相图与材料设计)6.4.2 陶瓷材料的设计（过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体材料??）6.4.3 高分子材料的设计6.4.4 复合材料的设计---------------------------------第一节 材料设计概述6.1.1材料设计的定义、范围与层次众所周知，材料科学与工程学科的核心内容是对材料的成分（Composition）、工艺(Process)、结构(Structure)、性能(Properties)、与使用性能(Performance)等五大要素及其相互之间的关系进行定性和定量描述，从而得到优化的材料成分、工艺、结构和性能，为合理选择和使用材料提供指导。
近20年来，随着材料科学、物理学、化学、生物科学、数学、工程科学的发展和成熟、以及计算机技术的飞速发展，运用高性能计算机（Powerful Computer）和功能强大的软件（Robust Software Package）对材料科学与工程学科的基本要素及其之间的关系进行定量或半定量表征，在计算机上设计出材料的成分、工艺，预测其结构与性能已经成为可能，这就是所谓的材料设计（Material by Design），也称材料模拟（Material Simulating）或计算材料学（Computational Materials Science）。
他们之间往往可以理解为同义词，但通常计算机模拟结果多用图象描述某一现象的演化过程，而材料设计的结果多为定量化的数据或数据库。
因此，计算材料学就是基于基本的物理、化学与材料科学与工程原理，通过建立材料科学中与某一自然现象或过程相似的模型，然后通过计算机程序实现和求解这个模型来间接实现对材料的成分、制备加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述，理解材料结构与性能和功能之间的关系，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，降低材料研制成本。
计算材料学已成为一门新兴的交叉学科，是除实验和理论外解决材料科学与工程中实际问题的第三个重要研究方法。
材料设计的工作范围包括从材料的组成、制备、测试、结构和特性的微观设计到材料性能、再到使用等各个环节，但其核心部分仍是在物理、化学原理基础上对材料结构与性能关系进行理论计算与分析。
通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料，这是人们所追求的长远目标。
自从二十世纪五十年代人们提出“材料设计”这一设想以来，材料设计已经取得了巨大进展，目前正处在应用理论和计算来“设计”材料的初期阶段，但对于部分材料体系，材料设计在新材料的研究开发中已经发挥着巨大作用。
计算机模拟已经被广泛应用于材料科学与工程中各个尺度的研究设计中，在微观领域，如用实验观测方法难以实现的研究单个原子、分子运动情况，计算机模拟方法显示出直观，深刻的优势。
在宏观领域，比如研究材料与结构的寿命问题，计算机模拟方法就显示出经济、高效并富有预见性的特点。
总之，计算材料学是一种在功能强大的计算机上进行的模拟实验，基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随机性。
计算机模拟技术应用于材料科学与工程领域，一方面使我们加深了对材料科学与工程核心问题的理解，另一方面，又促进了材料科学与工程的研究开发向经济、高效、可预见方向发展。
计算材料学的最终目标是实现材料的成分、工艺、结构、性能与使用的优化。
当然，必须指出的是，计算材料学并不是独立于实验研究和理论研究，而是植根于实验研究和理论研究，它们之间相互补充，相互检验，相互促进。
对于计算材料学的研究层次，但目前尚未有统一和严格的划分标准，从广义来说，计算材料学可按研究对象的空间尺度（Length Scale）不同而划分为三个层次：微观设计层次，空间尺度在约l nm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。
因此，多尺度计算材料学是指对基于量子力学的原子、电子层次; 基于材料热、动力学的物相和组织演化的显微层次; 到基于有限元分析和失效损伤评估的宏观材料和器件设计，以及各个层次之间的耦合。
计算材料学的三个空间尺度又对应于不同的时间尺度（Time Scale），其研究对象、研究方法和研究任务是不同的，图6-1-1中形象地描绘了多尺度计算材料学的研究框架。
（1） “埃与皮秒”量级的基于量子力学计算的原子、电子层次（2） “微米和小时”量级的基于材料热、动力学研究的显微层次（3） “米和年”量级的基于有限元连续介质宏观层次研究对应物理量单位分别代表的含义为：埃（原子间的距离）皮秒（原子振动时间）微米（晶粒尺度）小时（热处理时间）米（工程构件尺度）年（寿命）QM,MD,MC10-10图6-1-1材料模型的层次划分Fig.6-1-1Different time scales and length scales in materials model（QM-Quantum Mechanics, First-principles calculations, MD=Molecular Dynamics Simulation, MC=Monte Carlo Simulation, CALPHAD=CALculation of PHase Diagram, PFM=Phase field Method, FEM =Finite Element Method, PFM*=Probabilitistic Fracture Mechanics)6.1.2多尺度计算材料学耦合从图6-1-1可以看到，在不同的时间／空间尺度范畴内研究内容和所用理论方法是不同的。
对微观层次及以下的空间范围，量子力学第一性原理计算，分子动力学模拟，蒙特卡罗法是最有力的研究工具。
从理论上讲，第一性原理方法只需要5个基本物理常数（即电子质量m0、电子电量e、普朗克常数h、真空中光速c、玻尔兹曼常数k B），原子种类和原子在空间中的位置安排（即晶体结构），而不需要其它经验参数就可以非常精确地计算出体系的总能，微观结构与状态，在当前的材料科学的计算模拟研究方面发展异常迅速。
而分子动力学方法应用极为普遍，它根据粒子间相互作用势，计算多粒子系统的结构和动力学过程。
蒙特卡洛模拟方法也叫也叫随机模拟法，可以用来优化系统的结构，比如材料科学中寻找能量有利的原子排列方式等。
原则上，可用这些方法计算各种物系的结构和性质。
对于以连续介质概念为基础的显微尺度模拟计算，这类计算以材料热、动力学，缺陷动力学、结构动力学研究为主要内容，计算热力学和相场模拟是最为有效的方法；例如，用热力学方法预测材料的相变过程及相变产物组成和显微结构，从而定量设计材料的成分和热加工工艺。
而对于连续介质力学等宏观问题，有限元法和有限差分法能有效地处理实际问题。
这种方法一般与材料或器、部件的工业生产和使用有关。
例如，非晶态合金一般用液态合金经急冷而成，在生产非晶态合金宽带时，必须保证宽带中没有晶化“缺陷”，这就要求所用设备和工艺条件能保证获得均匀高速的冷却条件。
采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程，有助于设计合理的设备和工艺，以保证产品质量。
同时，在一些工程零、部件或电子元器件的设计过程中，结合材料的结构与性能，采用有限元分析和概率断裂力学方法，研究零、部件的质量与服役可靠性，从而为零部件的优化设计和使用维护提供科学依据。
计算材料学的各个尺度之间又是相互耦合的。
有的学者曾经把这种多尺度框架形象地喻为材料科学与工程研究中的“食物链”，意思是由前一级时间／空间尺度范畴计算所输出的结果，可作为下一级(较大)时间／空间尺度范畴进行计算的输入，这就是所谓的自下而上(Bottom-up)的设计思路。
反之，较大一级时间／空间尺度范畴的结构与性能的本质原因总是可以追溯到前一级的结构与性质的，这就是所谓的自上而下(top-down)的设计思路。
但是，目前计算材料学的各个模拟研究层次间的结合并不紧密，在研究过程中常常只能针对某一特殊现象对材料的某一局部进行研究，使得计算材料学的发展受到很大限制。
如何发展一种新型的模拟方法，使三种不同模拟层次相耦合，建立计算机模拟的统一模型，成为计算材料学发展的关键。
美国宾西法尼亚州立大学华人学者刘梓葵（Zi-Kui Liu）教授提出了一个多尺度计算材料学集成框架，用于多组元材料的建模、模拟和设计，如图6-1-2所示。
该理论框架包含四个进程，分别为：（1）基于电子、原子尺度的量子化学第一性原理计算（First-Principles Calculations）来预测一元、二元和三元化合物和固溶相的热力学性质、点阵参数、动力学数据；（2）通过相图和热力学数据优化方法（CALPHAD）来优化计算多组元体系的热力学性质，点阵参数，动力学性质；（3）通过相场方法（Phase Field Simulation）模拟显微组织的演化过程；（4） 通过有限元分析（OOF）显微组织的力学反应。
