第五章 CADCAM技术基础-计算机辅助工程分析
机械CADCAM技术考试知识点
第一章1、CAD计算机辅助设计指工程技术人员在计算机及其各种软件工具帮助下应用自身知识和经验对产品进行包括方案构思总体设计工程分析图形编辑技术文档等一切设计活动的总称CAD功能：几何建模、工程分析、模拟仿真、工程绘图。
2、CAPP计算机辅助工艺设计是根据产品设计结果进行产品的加工方法和制造过程的设计功能：毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定、工时定额计算等3、CAM广义指利用计算机完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的各种生产活动，包括工艺准备、生产作业计划、物流控制、质量保证等。
狭义指数控加工编程包括刀具路线规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及后置处理和数控代码生成等作业过程。
4、CAD/CAM系统功能产品几何建模、产品模型的工程分析处理、工程图绘制、辅助制定工艺规程、NC自动编程、加工过程仿真模拟、工程数据管理5、CAD/CAM作业（现代产品设计与制造特征）：产品开发设计数字化、设计环境网络化、设计过程并行化、新型开发工具和手段的应用。
6、CAD/CAD系统是由硬件、软件和设计者组成的人机一体化系统7、CAD/CAM系统的硬件主要由计算机主机，输入设备、输出设备、存储器、生产装备及计算机网络等几部分。
其硬件系统具有的要求：强大的处理功能、大外存储容量、友好方便的人机交互功能、良好的通信联网功能8、输入设备键盘、鼠标、图形扫描仪、三坐标测量仪、激光扫描仪、数码相机、数据手套以及各种位移传感器。
输出设备图形显示器、打印机、绘图仪、立体显示器、三维打印机9、CAD/CAM系统的软件分为系统软件、支撑软件、专业性应用软件。
CAE部分模块有限元分析模块、运动机构仿真分析模块、优化设计模块。
10、（论述题）CAD/CAM技术的发展趋势a集成化单一功能各模块CAD、CAE、CAPP、CAM、PDM的集成CAD/CAM与ERP集成，即技术与管理信息的集成b网络化通过网络将不同地点的CAD/CAM系统连接起来，可实现设计信息交换，共享网络资源，降低设计成本，加速了产品设计进程。
基于CAD_CAM的计算机辅助工程分析方法.
基于CAD/CAM 的计算机辅助工程分析方法彭建华, 王晓军(井冈山职业技术学院, 江西吉安343000摘要:介绍了计算机辅助工程分析的三种方法的求解过程和常用软件。
关键词:计算机辅助工程分析; 有限元分析法; 优化设计; 计算机仿真中图分类号:T P39117 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2004 5-136-2C omputer -aided Engineering Analysis Based on C AD/C AMPEN Jia -hua, WANG Xiao -jun(Jing gangshan Vocational College, Jiangx i J i . an 343000, ChinaAbstract:T hree methods of computer aided engineer ing analysis were introduced, as w ell as their ev aluation process and com -mon softwares.Keywords:Computer-aided engineering analysis; Finite element method; Ex cellence desig n computer emulation0 引言现代设计理论要求采用尽可能符合真实条件的计算机模型进行分析计算, 其内容包括了静、动态分析计算, 计算工作量非常大, 往往无法用手工完成。
计算机辅助工程分析就是采用计算机技术进行工程分析, 计算机系统提供了进行辅助分析计算的支撑环境和工具。
在辅助分析计算中, 设计者首先要按求解内容的物理规律确定计算关系, 即建立计算模型; 其次, 要确定求解策略和方法, 并用软件实现。
在软件实现中, 大都是在调用系统中成熟支撑软件的基础上, 通过连接接口增加一些补充处理而完成求解计算。
在CAD/CAM 工作中, 典型的工程分析方法有有限元分析法、优化设计、计算机仿真。
第1章CADCAM概述4(重大-计算机辅助设计与制造)
当时的CAD技术还是以二维绘图和三维线框图形系统为主。
发展（70年代）
数据库管理系统等软件陆续开发 以小型和超级小型计算机为主机的CAD系统进 入市场并形成主流。 CAD系统出现曲面造型技术
提高（80年代）
超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅 度下降，计算机外围设备（例如彩色高分辨率图形显 示器、大型数字化仪、自动绘图机等品种齐全的输入 输出装置）已成系列产品，为推进CAD技术向高水平 发展提供了必要的条件。 相应的软件技术如数据管理技术、有限元分析、优 化设计等技术也迅速提高，商品化软件的出现，促进 了CAD技术的推广和应用，使其从大中型企业向小企 业发展，从发达国家向发展中国家发展；从用于产品 设计发展到用于工程设计。 实体造型技术成为CAD技术主流并走向成熟
系统A
前置处理器
标准数据交换 格式文件
后置处理器
系统B
信息集成
80年代——基于统一产品模型和数据库的集成
集成产品模型是实现集成的核心，统一工程数据库是实现集成的基础。
基于特征集成产品数据模型
产品数据管理（PDM）
产品数据管理（PDM，Product Data Management）
并行工程（Concurrent Engineering） ——过程集成
工 程 数 据 库
工艺过程规划
数控加工 模拟仿真
信息传输与交换
CAD/CAM技术的发展与回顾
CAD技术的发展
CAPP技术的发展 CAM技术的发展
CAD技术的发展
经历了产生、形成、发展、提高和集成等阶段。
产生（50年代） 形成（60年代） 发展（70年代） 提高（80年代） 集成（90年代）
CADCAM课后习题答案
第一章绪论1、什么是CAD、CAM、CAPP？什么是CAD/CAM集成？答：CAD (Computer Aided Design System)是指以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程、分析和绘图等工作。
CAD的功能包括：概念设计、结构设计、装配设计、曲面设计、工程图样绘制、工程分析、真实感和渲染、产品数据接口。
CAM( Computer Aided Manufacturing System) 通过计算机与生产设备直接的或间接的联系，完成从生产准备到成品制造整个过程的活动。
狭义的CAM指NC数控程序编制，包括：刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成。
CAPP（Computer Aided Process Planning）借助计算机根据设计阶段的信息，人机交互的或自动完成产品加工方法的选择和工艺过程的设计，称为CAPP。
CAPP的功能包括：毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制定、工序设计、刀夹量具设计等。
CAD产生的图纸直接被CAPP，CAM 以及以后的CIMS所利用，这就是CAD/CAM集成。
2、一般所说的CAD/CAM过程链主要包括哪些内容？答：CAD/CAM过程链是一个串行的过程链，在此过程链中包括从市场需求到产品整个的产品生产过程，具体包括：1）市场需求2）产品设计（任务规划、概念设计、结构设计、施工设计）3）工艺设计（毛坯设计、工艺路线设计、工序设计、刀夹量具设计）4）加工装配（NC编程、加工仿真、NC加工、检测、装配、调试）3、CAD/CAM集成方案有哪几种？答：1）通过专用数据接口实现集成2）利用标准格式接口文件实现集成3）基于统一产品模型和数据库4）基于产品数据管理（PDM）的系统集成4、CAD/CAM的发展趋势如何？答：1）CAD/CAM系统的集成化方向发展（CIM）2）并行工程3）智能化CAD/CAM系统4）虚拟产品开发5）网络化CAD/CAM第二章CAD/CAM系统的支撑环境1、CAD/CAM系统应具备哪些基本功能答：1）交互图形输入及输出功能。
机械CAD—CAM(第二版) 第5章
5.2
1． 1） 有限元法的基本思想 在求解工程技术领域的实际问题时， 建立基本方程和边 界条件还是比较容易的， 但是由于其几何形状、 材料特性和 外部载荷的不规则性， 使得求得解析解很困难。 因此， 寻求 近似解法就成了求解实际问题近似解的必由之路。
2） （1） 线弹性有限元法。 在这类问题中， 材料的应力与应变呈线性关系， 满足广 义胡克定律； 应变与位移也是线性关系。 线弹性有限元问题 归结为求解线性方程组问题， 所以只需要较少的计算时间。 如果采用高效的代数方程组求解方法， 则有助于降低有限元 分析的时间。
（2） 几何非线性问题。 几何非线性是由于位移之间存在非线性关系而引起的。 当物体的位移较大时， 应变与位移的关系是非线性关系， 这 意味着结构本身会产生大位移或大转动， 而单元中的应变却 可大可小。 研究这类问题时， 一般都假定材料的应力与应变 呈线性关系。 这类问题包括大位移大应变问题及大位移小应 变问题， 如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题， 橡 胶部件形成过程为大应变问题。
第5章 计算机辅助工程
5.1 计算机辅助工程概述 5.2 有限元法概述 5.3 ANSYS软件的工程应用
5.1
1． 计算机辅助工程广义上是指包括产品设计、 工程分析、 数据管理、 试验、 仿真和制造在内的计算机辅助设计、 分析 和生产的综合系统， 狭义上是指用计算机对工程和产品进行 性能与安全可靠性等分析。
2． CAE 企业的生命力在于产品的创新， 而对于工程师来说， 实 现创新的关键除了设计思想和概念之外， 最主要的技术手段 就是采用先进可靠的CAE软件。 CAE软件是计算力学、 计 算数学、 相关的工程科学、 工程管理学与现代计算机科学和 技术相结合而形成的一种综合型、 知识密集型信息产品， 是 CAE理论和工程应用之间的桥梁。
机械CADCAM课后习题答案 第四版
第一章概述1. CAD、CAPP、CAM 技术各具有哪些功能？为什么要进行CAD/CAM 技术的集成？2. 分析应用CAD/CAM 系统进行产品开发设计的作业过程及其特征。
3. 简述CAD/CAM 系统硬件的组成，并分析各自在系统中的作用。
4. 简述CAD/CAM 系统软件的组成，并分析各自在系统中的作用。
5. 概述CAD/CAM 技术的发展过程及其应用领域。
6. 分析CAD/CAM 技术的未来发展趋势。
第二章CAD/CAM 支撑技术1. 阐述数据结构的概念。
何谓数据的逻辑结构?何谓存储结构?2. 阐述栈与队列数据结构的概念及其特点。
3. 简述数据的文件管理与数据库管理的区别。
4. 何谓层次模型、网状模型和关系模型数据库?为什么当前所使用的数据库系统大多为关系型数据库?5. 什么是工程数据库?与一般商用数据库比较，工程数据库有哪些特点?6. 什么是产品数据管理（PDM）？它有哪些功能作用？并说明PDM 的实施对CAD/CAM 系统集成的意义和作用。
7. 简述计算机局域网的组成和常用的拓扑结构。
8. 阐述常用的网络CAD/CAM 系统结构模式和作业原理。
9. 描述可视化技术的含义及其基本流程。
10. 常用的知识表示方法有哪些？分别阐述产生式表示法和框架表示法是如何进行知识表示的。
11. 什么是正向推理？什么是反向推理？各自有何特点？12. 专家系统的基本组成有哪几部分？各部分的功能作用如何？简要描述专家系统的工作原理。
第三章数据处理技术1. 在CAD/CAM 作业中如何对数表和线图进行计算机处理?2. 分析函数插值与函数拟合的不同点和共同点。
第四章图形处理技术1. 何为窗口？何为视区？如何将窗口内的图形在视区内显示？2. 闸述Cohen-Sutherland 直线段的剪裁方法与处理步骤。
3. 描述多边形剪裁的基本思想。
4. 有一任意平面直线段，试求将之变换到与X 轴重合的复合变换矩阵。
5. 分析计算机辅助绘图的各种方式特点以及应用场合。
机械CAD-CAM技术第五讲--算机辅助工程设计分析
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1、有限元建模时一般考虑的几点问题
①结构对称性的利用； ②删除细节； ③减维； ④有限元网格划分； ⑤边界条件的处理； ⑥建立节点载荷。
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①结构对称性的利用
对于具体对称性的结构，可利用对称 性来减少计算的规模，即仅对半边零件 进行有限元网格的划分，当然其受力状 态和边界条件亦要作相应的改变。
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3、主从处理
当结构中某一部分或某一构件的刚度比其周围相 邻构件的刚度大很多，或者某一构件在某些自由度 方向的刚性相对于其他方向大很多，这类问题如果 不采取措施，计算求解时可能引起联立方程病态而 丧失计算精度，甚至会计算失败，因此在模型简化 时应将认为刚度很大的构件作为刚体，或者视构件 在刚度大的方向是刚性的。这时，可认为其中只有 一个节点的位移是独立的，此节点作为主节点，其 他各从节点的位移以刚体运动服从于此主节点。从 节点的位移是相关位移，不进入独立未知数项，减 少了求解的方程数，也避免了联立方程的病态。
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结构对称性的利用举例.
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结构对称性的利用举例..
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结构对称性的利用举例…
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②删除细节
忽略对问题求解的 影响很小的细节： 在建立力学模型时常 常将构件或零件上一些 细节加以忽略而删去， 例如构件的小孔、浅槽、 微小的凸台、轴端的倒 角、轴的退刀槽、键槽、 过渡圆弧等，如图所示。
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CAD-CAM复习大纲
机械CAD/CAM第一章：CAD的功能可归为建立几何模型、工程分析、动态模拟和自动绘图等四类。
狭义CAM通常仅指数控程序的编制，包括刀具路径的规划、刀位文件的生产、刀具轨迹的仿真和NC代码的生成等。
CAD/CAPP/CAM集成，就是将计算机辅助产品设计（CAD）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助数控编程（狭义CAM）以及零件加工等有关信息实现自动传递和转换的技术。
CAD/CAM软件系统的基本模块组成有：①三维交互造型模块，②工程绘图模块，③数控加工模块，④设计仿真模块，⑤浓淡处理模块，⑥动态仿真模块。
数据库管理系统DBMS，它是对数据进行各种操作和管理的软件系统，是用户与数据之间的接口。
DBMS有三种基本的数据模型：①层次模型、②网状模型、③关系模型、④对象数据库模型。
目前流行的系统有FoxPro、Oracle、Ingres等，它们都属于关系型数据库管理系统。
描述三维物体的方法有四种模型：线框模型、曲面模型、实体模型、以及特征模型。
有限元分析软件由：前置处理程序、主分析程序和后置处理程序三部分组成。
三维绘图软件通常有：UGⅡ、Pro/Engineer、AutoCAD、MasterCAM等，目前，CAD/CAM 技术正在向：智能化、三维化、集成化、网络化方向发展。
第二章：数据：数据是用于描述客观事物的信息，包括数值、字符或其他各种符号，它们可以输入到计算机，并由计算机程序加以识别和处理。
数据元素：数据元素是数据中抽象的基本单元，它可以由一个或多个数据项组成。
数据项是数据不可分割的最小单元。
数据结构包括：数据的逻辑结构、数据的物理结构。
线性表的顺序存储结构具有如下特点：①有序性、②均匀性、③这种存储的机构简单，易于实现，便于随机存取。
栈和队列是两种重要的线性结构：栈：是限定仅在表的一端进行插入或删除操作的线性表。
队列：是另一种特殊的线性表，它限定只能在表的一端插入，另一端删除，允许插入的一端为队尾，允许删除的一端称为队头。
机械CAD CAM---第五章 计算机辅助工程分析
(3)有限元后处理
对计算结果进行分析、整理，
并以图形方式输出，以便设计人员对设计结果作出直
观判断，对设计方案或模型进行实时修改。
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常用有限元软件：
有限元法的理论和方法比较成熟，且有大量的应用
软件。例如：商品化的大型通用软件有MSC／NASTRAN、
ASKA、ANSYS、ADINA、PAFEC、TITUS、SAP等；我国自 行研制的有FEPS、DDJ-W等。这些软件具有丰富的单元 库，材料特性库，有较强的载荷、边界条件处理能力。
第五章 计算机辅助工程分析
第一节 方法 第二节 第三节 第四节 工程分析的主要任务及分析计算 有限元分析法 优化设计 计算机仿真简介
1
第一节 算方法
工程分析：
工程分析的主要任务及分析计
在实际工程问题中，大都存在有多个参数和因
素间的相互影响和相互作用，依据科学理论，建立反
映这些参数和因素间的相互影响和相互作用的关系式 并进行分解，称为工程分析 。
5)在复杂表面的数控加工中，当选定加工刀具后计算
刀位轨迹，以生成数控程序。 6)对已形成的产品设计方案和加工方案进行仿真分析， 即按照方案的数学描述，通过分析计算，模拟实际系 统的运行，预测和观察产品的工作性能和加工生产过 程。
6
第一节
有限元分析法
一．有限元分析基本原理
1．有限元方法： 是一种根据变分原理进行求解的离散化数值分 析方法。由于其适合于求解任意复杂的结构形状和
引入约束条件，对结构的总体矩阵方程求解，得到 各节点的位移，进而计算出节点的应变和应力。
15
16
四、有限元分析软件
1．有限元软件组成
(1)有限元前处理
包括从构造几何模型、划分有
机械CADCAM原理及应用课件第5-6章
选择YZ平面
G54~G59
设置第1~6零件坐标系
G27
返回参考点检查
G65
宏程序调用
G28
返回参考点
G80
取消固定循环
G30
返回第二参考点
G98
返回起始点
G31
跳步功能
G99
返回R点
表5.1.1 数控铣床部分主要G代码指令
2）进给功能字（F代码） 在数控系统中，进给功能字用地址符F表示，由F和数字组成，用于指定刀具 进给速度，如F150，表示刀具进给速率为150mm/min。 3）主轴功能字（S代码） 在数控系统中，主轴功能字用地址符S表示，由S和数字组成，用于指定主轴 转速，如S800，表示主轴转速为800R/min。 4）刀具功能字（T代码） 在数控系统中，刀具功能字用地址符T表示，由T和数字组成，用于指定零件 加工时的刀具编号，如T02，表示选用刀具编号为02的刀具进行加工。
图5.1.3 CAM系统的主要结构
5.1.3 CAM的发展概况
自20世纪50年代出现CAM技术以来，根据CAM编程原理的不同，可将其分为
数控语言编程、图形语言编程和CAD/CAM集成数控编程三个阶段。 1）数控语言编程
1950年代，美国MIT学院设计开发出了零件数控编程语言——APT，它是一种对
零件、刀具的形状以及刀具相对于零件运动等进行定义时所使用的一种类似于英文
单词的程序语言。
分 析 零件图纸 零 工艺人员 件 图 样
APT 语 言 描 述 加 工 内 容
APT
APT
程
程
序
序
编
输
译
入
为
计
刀
算
位
机
机械CAD-CAM技术与应用第五章 计算机辅助工程分析技术(CAE)
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三、优化设计的数学模型
1.设计变量
设计变量是设计时待定的参数，是可变化的量，有两 种变量类型：一是几何参数；另一类是物理参数
2.目标函数
目标函数是通过设计变量表示的设计所追求的某种性 能指标的数学表达式。
3.约束条件
约束条件是对设计变量的取值范围给予某些限制的数 学关系式。
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三、有限元分析的后置处理 有限元分析的后置处理主要对分析结果进行综
合归纳，并进行可视化处理，其内容主要包括： ① 对应力和位移排序、求极值，检查应力和位
移是否超出规定值 ② 显示单元、节点的应力分布 ③ 动画模拟结构变形过程 ④ 应力、应变和位移的彩色浓淡图或等值线、
等值面、刨切面、矢量图显示，绘制应力应 变曲面等。
3
数表程序化处理： 简单数表和函数表列表均是结构化的数
据，一维数表、二维数表或多维数表分别 与计算机语言中的数组对应，通过程序对 数组赋值和调用来实现数据的获取。
由于函数表列表中函数值与自变量间存 在函数关系，因此，当所检索的自变量值 不是数表列出的节点值时，不能像简单数 表取整的方法进行取值，而必须用插值计 算的方法求出其相应值。
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所谓数表公式化处理是运用计算方法中曲线拟 合（逼近）的方法，构成函数来近似地表达数表 的函数关系。最小二乘法是曲线拟合最常用函数 逼近法。
数表程序处理实例： 用齿轮标准模数选取实例说明数表输入
、检索处理的有关问题。
6
第二节 有限元分析方法
一、有限元法的基本原理和分析方法
有限元法（Finite Element Method，简称FEM）是一 种数值离散化方法，根据变分原理求其数值解，适合 于求解结构形状及边界条件比较复杂、材料特性不均 匀等力学问题。
计算机辅助设计与制造(CADCAM)
一、CAD/CAM概论本章主要是讲解CAD/CAM的基本概念、基本功能和工作原理等。
CAD/CAM技术是一门多学科综合性应用技术，是20世纪制造领域最杰出的技术之一。
1．1 CAD/CAM的基本概念CAD(Computer Aided Design):是指工程技术人员以计算机为工具完成产品设计过程中的各项任务，如草图绘制、零件设计、装配设计、工装设计、工程分析等；CAPP(Computer Aided Process Planning):是指工艺人员利用计算机，根据产品制造工艺要求，交互或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法的选择、工艺路线和工序的设计等；CAM(Computer Aided Manufacturing):制造人员借助于计算机完成从生产准备到产品制造出来的过程中各个环节与活动，如数控加工编程、制造过程控制、质量检测等。
1.1.1 从产品制造的过程理解CAD/CAM传统制造概念与过程如图1。
1现代制造概念与过程利用计算机完成各个环节的工作成为CAD/CAM几点说明：1、计算机技术只能解决信息的查询与统计，信息的管理、重复而繁琐的工作等，而并不能代替人的工作，特别是创造性的工作。
2、现代制造概念很大，本书CAD/CAM的概念只涉及到产品的设计、工艺设计、加工、车间控制与质量控制等内容。
3、上述制造环中有三个流：物流、资金流与信息流。
4、企业制造资源有人、财、物、技术与信息。
1.1.2 CAD/CAM的基本功能在CAD/CAM系统中，人们利用计算机完成产品结构描述、工程信息表达、工程信息的传输与转化、信息管理等工作。
因此，CAD/CAM系统应具备以下基本功能：1、产品与过程的建模如何用计算机能够识别的数据（信息）来表达描述产品。
如产品形状结构的描述、产品加工特性的描述、如何将有限元分析所需要的网格及边界条件描述出来等等。
2、图形与图象处理在CAD/CAM系统中，图形图象仍然是产品形状与结构的主要表达形式，因此，如何在计算机中表达图形、对图形进行各种变换、编辑、消隐、光照等处理是CAD/CAM的基本功能。
机械CAD习题03
机械CAD/CAM习题第一章CAD/CAM技术概述选择题1．下述CAD/CAM过程的操作中，属于CAD范畴的为（）。
A.模拟仿真B.CAPPC.数控加工D.GT2.下述CAD/CAM过程的操作中，属于CAD的范畴的是（）。
A.CAPP B．CIMSC．FMS D．几何造型3．以下不属于CAD/CAM系统的基本功能的是（）。
A.图形显示功能B. 输入输出功能C. 交互功能D. 网络功能4. 以下不属于输出设备的是（）A. 操纵杆B. 打印机C. 绘图机D. 显示器5. 以下软件中，（）是操作系统。
A. Word2000B. AutocadC. Windows95D. Pro-E6. 计算机辅助制造进行的内容有（）A. 进行过程控制及数控加工B. CADC. 工程分析D. 机床调整7.应用软件是在操作系统、( )基础上针对某一专门的应用领域而研制的软件.A. CAD 软件B. CAM软件C. 支撑软件D. 编译系统8．（）是CAD/CAM系统的核心。
A. 系统软件B. 支撑软件C. 应用软件D. 数据库9.机械CAD/CAM系统中，CAE是指（）。
A.计算机辅助设计B.计算机辅助制造C.计算机辅助工程分析D.计算机辅助工艺过程设计10.把CAD和CAM的信息连接起来，实现CAD/CAM一体化的关键性中间环节是（）A. CADB. CAMC. CAPPD. CAE填空题：1.CAD/CAM系统是由: 、和组成。
2. CAD是英文的缩写。
3.CAD/CAM计算机系统的硬件包括、、、和等。
4. 中央处理器主要包括、和各种寄存器。
5. 根据CAD/CAM系统中执行的任务及服务对象的不同，可将软件系统分为、和三个层次。
6.计算机辅助设计与计算机辅助制造简称__________.7.CAD/CAM软件系统可以分为系统软件、支撑软件、__________.8.CAD/CAM 系统的主要任务是_________. ________. __________.__________. _________. _________. ________. _______. ________ 。
cad cam技术基础考点简要
第一章1.CAD/CAM技术主要包括哪些技术？计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD), 计算机辅助工程分析(Computer Aided Engineering，CAE), 计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning，CAPP), 计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)2.产品的整个生产过程包含哪些环节？整个过程包括产品设计、工艺设计、加工检测和装配调试等过程3.CAD/CAM系统具有哪些基本功能？(1) 人机交互功能。
(2) 存储功能。
(3) 图形显示功能。
(4) 输入/输出功能。
4. CAD/CAM技术的硬件组成、软件组成。
CAD/CAM系统的硬件主要由主机、存储器、输入设备、输出设备、显示器及网络通信设备等组成。
系统软件、支撑软件和应用软件。
5. CAD/CAM技术的发展趋势。
CAD/CAM技术还在发展中，发展趋势主要体现在集成化、智能化、网络化、标准化、虚拟化、绿色化等方面。
6.简称的中文含义：CAD、CAM、CAE、CAPP。
第二章1.工程数据的计算机处理方法。
答：（1）工程数据的程序化处理。
工程数据的程序化处理是指在应用程序内部对数表、线图等进行查寻、处理和计算。
程序化适合于需要经常使用而共享度要求又不是很高的情况，例如，工程数据中的数表、有公式的线图以及经验公式等。
（2）工程数据的文件化处理。
工程数据的文件化处理是指将工程数据以一定的格式存放于文件中，在使用时程序打开文件并进行查询等操作。
将工程数据进行文件化处理，不仅可使程序简练，还可使数表与应用程序分离，实现一个数表文件供多个应用程序调用，增强数据管理的安全性，提高数据系统的可维护性。
根据数据类型的不同，工程数据文件通常采用两种类型的文件：文本文件和数据文件。
（3）工程数据的解析化处理。
工程数据的解析化处理是指将那些数据间有某种联系或函数关系的列表或线图，采用公式化的方式进行描述，从而实现非离散数据的查寻。
《CADCAM》讲义
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2、意义：
机械产品设计的优劣直接影响其质量、成 本、研制周期及市场竞争能力。设计对产品 性能的影响通常占80%。（机械设计工作是 机械产品实现的必要前提，是产品开发过程 中至关重要的环节。例如：四川彩虹桥蹋垮 事件）
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3、传统机械设计过程(图1-1）
传统机械设计过程一般经历以下几个阶段： 概念设计：通过调查研究、收集资料， 仔细分析用户需求，在此基础上确定产品 功能，方案设计，最后获得一组可行的原 理性方案。 初步设计：优化方案、绘制总布置草图 、确定各部件基本结构形状，建立相应数 学模型，进行主要设计参数的分析计算与 优化。 详细设计：细部结构设计，最终完成总
系统的基本功能 CAD系统的构成与分类 CAD系统的硬件 CAD系统的软件 CAD系统的设计与选择
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§２.０系统的基本功能
CAD系统的功能，是由硬件和软件的合理组 织及功能的匹配来体现的。
一、ＣＡＤ系统中硬件应具有的功能
1)计算功能：要求CAD系统中计算机有较强的 计算能力,来实现要求的高速数值计算和图形处 理能力。
图形处理技术：如二维交互图形技术，三维几何造 型及其它图形输入输出技术；
工程分析技术：如有限元分析，优化、物理特性计 算（面积、体积、惯性矩等），模拟仿真以及各行 各业中的工程分析等；
数据管理与数据交换技术：如数据库管理、不同 CAD系统间的数据交换与数据接口技术等；
文档处理技术：如文档制作、编辑及文字处理等；
、新算法大量涌现。AutoCAD于 1982年出现
，并出现了许多实体造型系统，如GMsolid（
通用汽车公司）、Solidesign（Computer
工程机械CADCAM课后习题答案
第一章概述1．简述产品设计制造的一般过程。
答：CAD/CAM系统是设计、制造过程中的信息处理系统，它主要研究对象描述、系统分析、方案优化、计算分析、工艺设计、仿真模拟、NC编程以及图形处理等理论和工程方法，输入的是产品设计要求，输出的是零件的制造加工信息。
2.简述CAD/CAM技术的概念、狭义和广义CAD/CAM技术的区别与联系。
答：CAD/CAM技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，综合计算机科学与工程、计算机几何、机械设计、机械加工工艺、人机工程、控制理论、电子技术等学科知识，以工程应用为对象，实现包括二维绘图设计、三维几何造型设计、工程计算分析与优化设计、数控加工编程、仿真模拟、信息存贮与管理等相关功能。
区别：广义的CAD/CAM技术，是指利用计算机辅助技术进行产品设计与制造的整个过程，及与之直接和间接相关的活动；狭义的CAD/CAM技术，是指利用CAD/CAM系统进行产品的造型、计算分析和数控程序的编制联系：广义的CAD/CAM技术包容狭义的CAD/CAM技术3.传统的设计制造过程与应用CAD/CAM技术进行设计制造的过程有何区别与联系？答：区别：传统的设计与制造方式是以技术人员为中心展开的，，产品及其零件在加工过程中所处的状态，设计、工艺、制造、设备等环节的延续与保持等，都是由人工进行检测并反馈，所有的信息均交汇到技术和管理人员处，由技术人员进行对象的相关处理。
以CAD/CAM^术为核心的先进制造技术，将以人员为中心的运作模式改变为以计算机为中心的运作模式，利用计算机存贮量大、运行速度快、可无限期利用已有信息等优势，将各个设计制造阶段及过程的信息汇集在一起，使整个设计制造过程在时间上缩短、在空间上拓展，与各个环节的联系与控制均由计算机直接处理，技术人员通过计算机这一媒介实现整个过程的有序化和并行化。
联系：制造过程的各个环节基本相同。
4.简述我国CAD/CAM技术发展的过程与特点。
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u x, y a1 a2 x a3 y vx, y a4 a5 x a6 y
CAD/CAM技术基础
5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 2.虚功原理法
写成矩阵形式：
u 1 x y 0 0 d v 0 0 0 1 x
CAD/CLeabharlann M技术基础CAD/CAM Technology Base
2010. 09
第五章
计算机辅助工程分析 Computer Aided Engineering
引 例
计算机辅助工程分析是涉及有限元分析技术、数值计算技术、产 品优化设计方法和工程分析与仿真等在内的一个综合性系统。 计算机辅助工程分析的核心技术是工程问题的模型化和数值实现 方法 。 计算机辅助工程分析的理论基础是有限元法、边界元法及结构优 化设计技术等计算力学方法 。
CAD/CAM技术基础
5.1 有限元分析技术
5.1.1 有限元分析方法概述 3.单元组集
利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接
起来，形成整体的有限元方程
(5.1) K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；F是载荷列阵。
Kq F
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5.1 有限元分析技术
5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 1.直接方法
这时，平面弯曲梁单元的刚度矩阵或单元特性矩阵为：
12 6l K EI l 3 12 6l
6l 4l 2 6l 2l 2
12 6l 12 6l
6l 2l 2 6l 4l 2
ai x j yk xk y j a j xk yi xi yk
bi y j yk b j yk yi
ak xi y j x j yi
bk yi y j
（5.5）
ci xk x j c j xi xk
ck x j xi
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 1.直接方法
梁在横向外载荷(可以是集中力或力矩或分布载荷等)作用下产生弯 曲变形，对于平面弯曲问题，每个点(包括支承点)处的位移有两个，即 挠度和倾角；相应地也有两个节点力，即与挠度对应的剪力和与倾角对 应的弯矩。我们规定挠度和剪力向上为正，倾角和弯矩逆时针方向为正。 为使问题简化，把图示的梁看成是一个单元。当令左支承点为节 点i，右支承点为节点j时，则节点位移和节点力可以分别写成Vi、θzi、 Vj、θzj和Fyi、Mzi、Fyj、Mzj。也可写成矩阵形式
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 1.直接方法
单元刚度矩阵中任一元素kij表示j号节点的单位位移对i号节点力的贡献。 如 [K]中第1列各元素就分别代表当在i节点处挠度方向产生单位位移i=1 时，它们对其他各位移(包括vi)方向上引起的节点力Fyi，Mzi，Fyj，Mzj 的贡献。由功的互等定理有kij = kji，所以单元刚度矩阵是对称的。对于 梁单元平面弯曲问题，可以计算出各系数kij的数值。
bi 1 0 2A ci
0 ci bi
bj 0 cj
0 cj bj
bk 0 ck
（5.7）
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 2.虚功原理法
根据虎克定律，对于平面问题，有
D DBq
1 E D 2 1 0
（5.8）
其中
D 对于平面问题为
即
a c1q
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 2.虚功原理法
其中
c
1
ai b i 1 ci 2A 0 0 0
0 0 0 ai bi ci
aj bj cj 0 0 0
0 0 0 aj bj cj
（5.6） （5.6a）
d N q
此式即为单元内某点的位移用节点位移插值表示的多项式。 称[N]为形状函数。
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 2.虚功原理法
由弹性力学知
ui v 0 i u ck j B q v j bk uk vk
q vi
zi v j zj
F Fyi
M zi
Fyj
M zj
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 1.直接方法
梁的节点力和节点位移是有联系的。在弹性小位移范围内，这种联系是 线性的。
Fyi k11 M zi k21 Fyj k31 M zj k41
5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 2.虚功原理法
ai b i u 1 1 x y 0 0 0 ci 0 v 2 A 0 0 0 1 x y 0 0
0 a j 0 a k 0 ui 0 b j 0 bk 0 vi 0 c j 0 ck 0 u j ai 0 a j 0 ak v j bi 0 b j 0 bk uk ci 0 c j 0 ck vk
CAD/CAM技术基础
引 例
传统塑料注射模模具设计过程
概 念 设 计 产 品 设 计 模 具 设 计
开 模
试 模
生 产
修 改
设计过程费时费力。
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引例
塑料注射模具的计算机辅助工程做法
概 念 设 计 产 品 设 计 模 具 设 计
开 模
试 模
生 产
计算机辅助工程
减少设计开发新产品时间，降低开发成本
a1 a 2 0 a3 a S a y 4 a5 a6
（5.4）
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5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 2.虚功原理法
同理，单元的三个节点i，j，k上的位移也可用它来表示：
以平面问题中的三角形单元为例，说明其方法步骤。
图5.4 三角形单元
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 2.虚功原理法
设三节点三角形单元内的位移函数为：
d x, y ux, y
vx, y
T
当单元很小时，单元内一点的位移可以通过节点的位移 数值来表示。假设单元内位移为x, y的线性函数，即：
5.1.1 有限元分析方法概述 4.求解未知节点位移
解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择
合适的计算方法。 有限元法的基本思想是“一分一合”，“分”是为了进行单元分析， “合”则是为了对整体结构进行综合分析。
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法
直接方法。
虚功原理法。 能量变分原理方法
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5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 1.直接方法
图中所示是xoy平面中的简支梁弯曲简图，EI为梁的抗弯刚度。现在， 以它为例用直接方法建立单元的刚度矩阵。
图5.1 平面简支梁和它的计算模型
CAD/CAM技术基础
CAD/CAM技术基础
5.1 有限元分析技术
5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 2.虚功原理法
上式相乘后，可写成
u x , y N i ui N j u j N k u k v x, y N i vi N j v j N k vk
也可简写成
维的情况）组成的计算模型，这一步称作单元剖分。 离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来。 单元节点的设置、性质、数目等应根据问题的性质、描述变形形态的 需要和计算精度而定(一般情况，单元划分越细则描述变形情况越精确，
即越接近实际变形，但计算量越大)。
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5.1 有限元分析技术
CAD/CAM技术基础
内
容
5.1 有限元分析技术
5.2 机械优化设计方法
5.3 虚拟样机技术
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5.1 有限元分析技术
5.1.1 有限元分析方法概述
Finite Element Analysis 是一种用于求解各类工程实际问题的数值计算方法 ，广 泛应用于解决力学问题和场问题 。 简称为FEA
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5.1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法 1.直接方法
假设
vi 1, zi v j zj 0
zi 1 vi v j zj 0
则梁变形情况如图所示：
图5.2 梁变形图
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图5.3 梁变形图
5.1.1 有限元分析方法概述 2.单元特性分析
选择位移模式：可选择节点位移作为基本未知量；可选择节点力作为 基本未知量；亦可取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量。 分析单元的力学性质：根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、 位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式。 计算等效节点力：用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。