第一章 概论
❖ 1.1 汽车CAD技术概述
❖ 1.2 CAD系统概述
❖ 1.3 CAD技术在汽车行业的应用
❖ 1.4 Pro/E软件概述
❖ 小 结
❖ 习 题
第一章 概论
❖ 1.1 汽车CAD技术概述
❖ 1.2 CAD系统概述
❖ 1.3 CAD技术在汽车行业的应用
❖ 1.4 Pro/E软件概述
❖ 小 结
❖ 习 题
1.1 汽车CAD技术概述
❖ 1.1.1 汽车设计概述
❖ 设计是人类社会最基本的生产实践活动之一,是一种将
预定的需求变成所希望的功能和性能指标,然后应用科学与
技术知识、方法或手段转换成有经济性的设计结果的过程。
在产品的整个开发过程中,设计是关键,产品的先天质量决
定于设计。统计表明,产品在包括原材料、制造、使用、维
修等方面的花费即广义成本的70%是由设计阶段决定的。
❖ 汽车是一种包括多种典型机械元件、零部件,多种金属
与非金属材料以及多种机械加工工艺的典型机械产品。汽车
设计的内容包括整车总体设计、总成设计和零部件设计。整
车总体设计的主要任务是整车匹配和总布置设计。汽车总成
设计主要是满足整车设计对总成功能和布置的要求。汽车零
部件设计主要是满足总成的设计要求,并解决强度、寿命和
生产技术问题。
❖ 汽车设计技术是汽车产品设计的方法和手段,是汽车设
计实践的软件与硬件。
❖ 以汽车机械总成产品设计为例(过程如图1.1所示)汽车机
械总成产品设计就是根据使用要求确定产品应该具备的开发
目标和功能要求,构想出产品的工作原理、运动方式、力和
能量的传递、结构形状以及所用材料等事项,并转化为具体
的数字化模型、图纸和设计文件等,为后续制造提供依据。
❖ 汽车总成产品设计一般包括以下几个阶段:(1)概念
设计(2)初步设计(3)详细设计。设计是一个“设计-评
价-再设计”的反复迭代、不断优化的过程。实现设计自动
化,缩短设计周期降低设计成本,提高设计质量,成为设计
发展的迫切要求,正是在这样的背景下CAD技术才有如此广
泛的应用。
需求分析
原理性方案和分析
评价
详细设计
初步设计和分析
试制
试验、鉴定
生产、销售和使用
再设计
评价
不满意
不满意
满意
满意
确定开发目标
及功能要求
❖ 1.1.2 CAD技术的内涵
❖ 计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD) 是一
种运用计算机硬件和软件系统辅助人们对产品或工程进行设
计的方法和技术,包括设计、绘图、工程分析 与文档制作
等设计活动,它是一种新的设计方法,也是一门多学科综合
应用的新技术。CAD不仅是一种方法或技术原理,而且是
一种技术或工程应用。从方法或技术原理角度来讲,CAD
是指运用计算机工具完成产品设计的全过程,包括概念设计、
初步设计(或称总体设计)和详细设计等。
❖ CAD技术有广义和狭义之分。
广义的CAD概念是指利用计算机辅助技术进行产品设计
的整个过程以及与之直接或间接相关的活动,包括方案设计、
工程分析、图形编辑和技术文档整理等设计活动。主要包括
设计和分析两个方面。综合广义CAD的设计过程和活动,
主要包括图形表示、工程计算和设计管理三类工作。图形表
示描述产品的结构(包括形状和尺寸),是CAD的基础和
核心。
狭义的CAD概念主要主要是指产品的几何建模及其相关
技术,即如何在计算机中描述产品的形状和尺寸,即如何在
计算机中描述产品的形状和尺寸。为突出重点,无特别说明
时,本书的主要内容限于狭义CAD的相关内容。
❖ 计算机辅助设计过程大致是:进行功能设计;进行产品
结构的初步设计,产品的图形和外观的初步设计;从总图派
生出零件,对零件进行详细设计和结构分析;对零件进行加
工模拟,提出零件的修改方案;对产品实施运动模拟或功能
模拟,分析优化,最终完成零件的结构设计 。下图就说明了
汽车机械总成部件设计过程与CAD过程的关系。
❖ CAD过程往往与计算机辅助工程分析(CAE)和计算机
辅助制造(CAM)紧密结合,构成一个以计算机为工具的完
整的设计、分析、制造过程或系统。在CAD过程中完成的数
模可以在CAE软件中进行分析(如在ANSYS软件中进行有
限元分析),而且与制造过程中的计算机辅助工艺规划
(CAPP)和数控编程(NCP)联系在一起,形成集成的
CAD/CAE/CAM系统。
设计需求
分析
可行性
研究与分析
结果 评价 优化 分析 建模
仿真
概念
设计
市场信息 设计过程
广义的CAD过程
制造
CAE技
术
CAM技
术 CAD技术
❖ 1.1.3 计算辅助设计的特点
❖ 提高设计效率
❖ 提高设计质量
❖ 有利于成组设计
❖ 方便修改设计
❖ 可实现设计与分析统一
❖ 易于实现产品数据的标准化
❖ 易于实现基于网络的协同设计
❖ 为无图样设计提供前提
❖ 为实现PLM系统提供基础
❖ 1.1.4 CAD技术的发展简史
CAD技术主要经历了5个主要发展阶段
❖ 20世纪50年代
开始了交互式计算机图形学等早期的理论及应用研究。
20世纪50年代中期计算机已应用于工程和产品设计的分析计
算,促进了计算机辅助工程(CAE)技术的发展
❖ 20世纪60年代
计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等
新思想和新方法先后在CAD方面得到了应用,为CAD技术的
发展和应用打下了理论基础。1964年,美国通用汽车公司推
出了DAC-1系统,1965年,洛克希德飞机公司推出了
CADAM系统,标志着专业CAD软件开始步入实用阶段。
❖ 20世纪70年代
基于大型机的商用CAD/CAM系统开始上市,同时出现
了面向中小企业的CAD/CAM商品化系统 。这一时期是CAD
的单元技术发展和应用阶段,各功能模块趋于完善,但数据
结构尚不统一。
❖ 20世纪80年代
这一阶段CAD/CAM系统的特点:几何造型技术已经成
熟,并成为CAD系统的核心;系统具有统一的数据结构和内
部数据库;系统较好集成;特征建模及二、三维参数化设计
系统开始出现等。这一阶段的应用特点是:从二维绘图发展
为三维实体建模,进而发展成三维参数化建模,实现从CAD
单元技术到CAD/CAE/CAM集成。
❖ 20世纪90年代
开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期。CAD
系统在全球范围得到普及,出现了很多新的计算机辅助设计
理论方法和技术。大型专业软件各自采用了参数化设计、便
量化设计、逆向工程、超变量化设计、并行设计等新的设计
方法,软件的功能性集成性、智能性、网络性有了很大提高。
1.1.5 CAD技术的发展趋势
❖ 集成化
❖ 网络化
❖ 智能化
❖ 标准化
❖ 并行工程
❖ 虚拟设计技术
❖ 1.2 CAD系统概述
❖ 1.2.1 CAD系统的组成
CAD系统与一般计算机系统的区别表现在硬件与软件两
个方面。硬件方面的区别是CAD系统有专门的输入及输出设
备来处理图形的交互输入与输出问题。软件方面的区别表现
在集成与界面上:CAD系统提供给用户所需的全部功能模块,
并通过一个中央数据库集成起来;在界面方式上也往往不同
于一般软件常用的数据文件或会话方式,而是采用了一套完
善的交互操作方式。
❖ 完整的CAD系统由硬件系统和软件系统组成,如图1.10所示。
❖ 硬件系统是CAD技术实施的物理基础,是软件运行的支
撑平台,主要由5部分组成:计算机主机、外存储器、图形
输入设备、图形输出设备和网络设备。
❖ 软件系统是CAD功能的体现,CAD技术的所有功能均需
要通过软件来实现。通常所说的CAD系统一般是指CAD软件。
CAD系统应具备两类软件:系统软件与应用软件。应用软件
可分为CAD支撑软件及用户开发的应用软件两种。
(1) 系统软件 在CAD软件系统中,系统软件主要包
括操作系统、编程语言系统、网络通信及管理软件三大部分,
是软件与硬件的接口。
(2)支撑软件 支撑软件是CAD系统的通用软件,是各
类应用软件的基础。CAD支撑软件主要有以下3类功能:①
解决图形设计问题;②解决工程分析与计算问题;③解决文
档写作与生成问题。
(3) CAD图形支撑软件的发展
CAD图形支撑软件的发展大致可分为以下4个阶段。
图1.1 完整的CAD系统组成
计
算
机
CAD系统
硬件系统 软件系统
输
入
输
出
设
备
网
络
设
备
系
统
软
件
支
撑
软
件
应
用
软
件
①二维交互式绘图系统。
②以实体模型为基础的CAD/CAM集成系统。
③以特征建模、参数化、变量化设计为特点,能支持自顶
向下设计,具有内部统一数据模型CAD/CAM集成系统。
④遵照STEP标准,以统一产品数据模型为核心,以产品
数据管理为平台,以因特网和Web技术为集成环境的高级
CAD/CAM集成系统。
❖ (4) 应用软件
应用软件是在系统软件和支撑软件的基础上,针对某一
专门应用领域的需要而研制的软件。应用软件和支撑软件之
间并没有本质的区别
❖ 1.2.2 CAD系统的配置形式与网路结构
❖ 1、CAD系统的配置形式
❖ 根据硬件配置形式,CAD系统可分成:主机—终端CAD
系统、工作站CAD系统和个人微机CAD系统三大类。
❖ 1)主机—终端CAD系统
主机—终端CAD系统又称集中式CAD系统。由一台大型
计算机或小型计算机作为主机与图形设备相连接组成,如图
1.11所示。
特点:价格比较昂贵,初期投资大;维护费用高;系统
比较封闭,开放性较差,更新操作系统较困难。目前已不再
采用这种系统 。
❖ 2)工作站CAD系统
工作站系统是由服务器及与之联网的工程工作站组成,
如图1.12所示。
属于大规模及超大规模CAD系统。特点:①任意工作站的工作
状况不影响其它工作站。②网络能力强。③初期投资小。
❖ 3)个人微机CAD系统
基于PC机配置的个人微机CAD系统,操作系统常采用
WindowsNT、WindowsXP等, 该系统被小公司广泛采用。
主要用于图形处理和简单的有限元分析处理,该系统属于小
规模CAD系统。
❖ 2. CAD系统的网络结构
通过网络使小型计算机系统、工作站及个人计算机系统
连接成一个整体,通过通信系统实现资源共享、设计同步等。
常见的CAD系统网络结构有个人微机及局域网、客户机/服
务器、Internet/Intranet三种形式。
❖ 1)个人微机及局域网形式
图1.2主机—终端CAD系统组成
图1.3工作站CAD系统组成
主 机
图形设备 图形设备 图形设备
交互式输入设
备
交互式输入设
备
工作站
交互式输
入设备
服务器 工作站
交互式输
入设备
绘图仪
❖ 个人微机中由于条件的限制,功能有限。局域网能以较高的
效率、较低的成本在本地区范围内将计算机、终端及常用的
外围设备连接成为一个网络系统,使个人计算机可以与其它
设备共享资源,更好地适应CAD系统的应用。
❖ 2)客户机/服务器形式
客户机/服务器(Client/Server,简称C/S)是企业中常
用的一种模式,如图1.13所示。这种模式由客户机和服务器
组成。
这种结构的优点是:微机网络CAD系统投资少、便于
理;可应用企业原有的计算机资源;系统具有可扩充性。
图1.4 客户机/服务器系统框架
客户机 集线器
客户机
客户机 服务器
客户机
客户机
绘图仪
打印机
❖ 3)Internet/Intranet形式
基于网络的设计与制造技术可以显示此整个生产过程,
用户通过Internet/Intranet共享同一产品模型进行设计与制
造,实现共享信息和人力资源,实现协同工作、并行工程、
异地设计和异地制造。基于Internet的CAD/CAM系统框架
如图1.14所示。
图1.5 基于Internet的CAD/CAM系统框架
Internet 局域网
局域网
局域网
数控机床
CAD系统
CAD系统
数控机床
数控机床 CAD系统