机械CADCAE技术基础教材第一章 绪 论
机械设计基础1第一章绪论
（摘自《机械工程师进修大学刊授教材》第一册20页）
三星堆图片1
三星堆介绍
1986年7月至9月，三星堆两个大型祭祀坑的发现，是本世 纪以来最为重要的考古发现。大宗精品文物洋洋洒洒横空出 世，成为举世轰动的重大新闻，三星堆从此名扬四海。在这 批古蜀秘宝中，有许多光怪陆离、奇异诡谲的各类青铜造型 ：威仪凛然的青铜大立人、神奇怪异的青铜面具和‘通天彻 地’的青铜神树等，均堪称独一无二的旷世神品。而以流光 溢彩的金杖为代表的金器，以满饰图案的边璋为代表的玉器 ，亦多属前所未见的稀世珍宝……。
机械设计基础课程的学习阶段一般处在
课程内容介绍
从一般科学知识学习向专业技术知识的过渡 期，因此本课程既具有机械工程知识普及教 育的功能，同时也是一门具有实用价值的， 可以独立设置的专业技术课。让学生学习基 本的机械设计方面的知识与技能，经历工程 实践的探究过程，受到科学态度和科学精神 的熏陶；它是以提高全体学生的科学素养、 工程技术素质和职业道德修养，促进学生的 全面发展为主要目标的工程技术基础课程。
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河南博物馆文物
解放后，我国的机械制造业和其他行业一样得到了很大的 发展，尤其是党的十一届三中全会以来，发展速度更快，很 多先进技术和科研成果达到或超过了世界先进水平。目前， 我国已建立起了比较完整的机械制造工业体系，为我国的社 会主义现代化建设打下了雄后的物质基础。所以，我国的机 械制造事业发展速度是相当快的，当然也应该看到我国的机 械制造业起点低、发展时间短，在某些方面和世界先进水平 相比，还存在一些差距，这就要求我们要学好机械，热爱机 械制造业，将来为我国的机械工业发展做出应有贡献。
我国的机械发展历史
第一章 机械CAD技术基础
5、20世纪90年代。
• CAD技术正向着集成化、网络化、智能化和标准 化方向发展。
• 1.1.2CAD软件发展历程
• 1.第一次技术创新——曲面造型技术
曲面造型(Surface Modeling)是计算机辅助几何设计 (Computer Aided Geometric Design,CAGD)和计算机图 形学(Computer Graphics)的一项重要内容，主要研究在计 算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。 它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由 Coons、Bezier等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基 础。如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以 有理B样条曲面(Rational B-spline Surface)参数化特征设 计和隐式代数曲面(Implicit Algebraic Surface)表示这两 类方法为主体，以插值(Interpolation)、拟合(Fitting)、 逼近(Approximation)这三种手段为骨架的几何理论体系。
新理论、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 vision公司）等等。随着硬件发展，80年代中期以 后出现了工作站和网络环境下的高性能的 CAD/CAM
（3）参数化模型
参数化模型在设计中常用到的是几何模型。 a．几何模型描述的是几何实体的几何关系和拓扑 关系，有的图形几何关系相同，而拓扑关系不同， 有些图形几何信息不同而拓扑关系相同， b．参数化模型就是带有参数名的草图，用户修改 参数名，零部件几何模型的拓扑信息不变，而尺寸 自动改变。 c．约束就是对几何元素的大小、位置和方向的限 制。简单地可理解为图形的定形尺寸和定位尺寸。
CAE基础第1部
应用篇 CAE 的应用这部份是对有关的 CAE 进一步深入学习作为目的而作的。
对于理解不了的地方，跳过去不读也行。
在进一步积累经验的基础上，再来挑战阅读这部份的应用编时，就会觉得有许 多确实对自己的业务是很有用的内容，从而提起了兴趣。
“1.结构模型和单元选择”，是对有关有限元分析的模型化处理进行整理和补 充。
“2.材料力学和有限元法”，包含了入门编第 2 部分的补充部份的内容，也稍 微论述了关于材料力学和有限元法之间的关系。
“3.较专门的分析”，叙述了有关入门编第 2 部没有说到的各种分析。
1.单元选择的方针在第 2 部分中所举的铁塔和电车的例子中已经说明了什么样的情况使用什么样的单元好。
根据实际 CAE 分析程序手册，有许多种类的单元，最初也许不能判断使用哪个为好。
但是不知道全部单元的使用方法就不能使用 CAE，也不是这回事。
如果使用作为基本单元的梁单元、 板单元，实体单元这三种单元的话，大部份场合就能应付了。
以下，给合入门编第 2 部分的内容，简要将单元选择的标准列于下表中：＜单元以及所适用结构的关连图＞△和▲是入门编的第 2 部分 1.根据 CAE 的分析目的和各种结构模型的〖视点变更〗模型化考虑的方 法这一部分。
△求缺口处，板厚变化处等细节部分的应力场合以及评价应力集中场合的模型化处理。
▲：没有必要详细求解应力的部分用近似分析模型来简化的场合。
节约自由度场合。
绝大多数结构能够用梁单元、板单元、实体单元分 析。
2.梁单元和框架结构框架结构是梁、柱、筋相交组合成的结构，一般用梁单元这样一维线性单元来作模型化处理。
梁单元大抵可分为 2 种类，杆单元（不传递转动力矩的仅有轴向刚度的单元）和梁单元（具有传递转 动力矩的具有弯曲刚度的单元） 。
一般把不传递转动的构件称为杆，传递转动的构件称为框架，梁单元是这些模型化的一 维单元的总称。
项 目 结 合 部 的 图 像 特 一般具有轴刚度和扭转刚度 征 一般具有弯曲刚度、轴刚度、剪切刚度、 扭转刚度。
机械设计 第1章 绪 论
失效形式、C常o用py材ri料gh、t承20载0能4-力2、01参1数A选sp择o和se结P构ty设L计td等. 几方面
学习各章内容。
（4）密切联系生产实际，多从日常生活中观察思考，培养发现
问题、分析问题和解决问题的能力。
（5）注意记好课堂笔记。
1.2机器的构成及其功能结构
一、机械工业在现代化建设中的作用
机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。
机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或 不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳
动生产率和改善劳动条件E。valuation only. eated只w有i使th用A机s器p，o才se能.S便l于id实e现s 产fo品r的.N标E准T化、3系.5列C化l和ie通n用t P化r，o尤fi其le是5便.2.0
于实现高C度o的py机r械ig化h、t 电20气0化4和-2自0动1化1。Aspose Pty Ltd.
机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。
大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发 展的力度加速我国的现代化建设。
认识机器
在学习机械设计课程之初，有必要对机械的组认识机器成1 ， 机械的基本要素有一个感性的了解。下面先看几个例子。 （1）医疗机械；（2）动力机械；（3）交通运输机械； （4）加工机床；（5）农业机械；（6）林业机械；
矿山机械图
雷蒙磨
双转子反击破碎机
双
Evaluatio转子n only.
反
eated with Aspose.Slides for .N击式 ET 3.5 Client Profile 5.2.0
机械CADCAM技术第1章
1962 年 ： 美 国 学 者 Ivan sutherland 研 究 出 Sketchpad 交互式图形系统 。
1964年：美通用汽车公司宣布了他们的DAC-1。
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课程导引
计划： 总学时32：面授28学时，实验4学时。（4-12周）
成绩考核方式： 考试课，成绩以百分计：考勤及作业成绩30% ，实 验成绩10%，考试成绩60%。
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课程导引
教材：
本课程选用教材为《机械CAD/CAM技术》蔡汉明等主编 机械工业出版社。
参考教材：
➢ 《计算机辅助设计与制造》 李佳 主编 天津大学出版社
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第二节、CAD/CAM技术发展历程
CAD/CAM技术随着计算机及其外围设备、图形输 入输出设备、软件技术的发展而发展。 1、准备和诞生时期（20世纪50~60年代）
电子管计算机 1950 MIT 能够显示简单图形的图形显示器 1958 Calcomp 滚筒式绘图机 20世纪50年代末 SAGE战术防空系统 1952年：第一台数控机床在麻省理工学院研制成 功。
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2．软件组成
2）支撑软件
➢ 绘图软件
例如 Auto CAD绘图软件
➢ 几何建模软件 例如 Pro-E UG 软件
➢ 有限元分析软件 例如 SAP软件
➢ 优化方法软件 例如 OPB软件
➢ 数据库系统软件 例如 ORACLE SQL Server 数
据库系统软件、FOXBASE、FOXPRO等
➢ 系统运动学/动力学仿真软件 例如 ADAMS机械 动力学自动分析软件
机械autocad技术基础第一章CAD技术概论
计算机图形学（CG）：是研究通过计算机将数据转换为
图形，并在专用的设备上显示的原理、方法和技术的科学。
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计算机图形学(CG)研究的内容： （1）硬件：图形输入设备、图形处理设备、图形显 示设备、图形输出设备。 （2）软件：二维绘图系统、三维造型系统、动画制 作、真实感图形生产系统（多媒体）等。 （3）图形处理的理论与方法：几何元素和图形的生 产方法、实体表示理论、图形变换、图形的消隐与 剪裁等。 （4）实际应用中的图形处理。在不同领域的应用。 31
几何造型:
描述基本几何实体（几何信息）及实体间的关系（拓 扑信息），进行图形图像的技术处理。 几何造型技术 是CAD/CAM 系统的核心， 为产品设计、 制造提供基本 数据和原始信 息
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3.工程计算分析与优化 产品设计制造过程中，涉及大量的分析计算，为系 统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。 根据几何形状，计算体积、
生产阶段
加 质装性 编 工 加量 配 能 程 仿 工控 测 真 制 试 分 析 NC CAM 产 品
CAPP
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1.2.1 从产品设计制造过程理解CAD
产品设计阶段的任务（CAD）：
根据市场需求分析的结果确定产品的性能
要求，建立产品的总体设计方案，进行综合
分析论证，设计具体结构；
包括：结构方案的优化、评估，几何参数、
生产阶段（CAM）：
NC编程 刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹
仿真及NC代码生成等。
在数控机床或加工中心上按NC程序进行零件的加 工。 在制造过程中，对关键的工序、重要的零件尺寸和 精度进行在线或离线的质量控制。
进行产品的总装和检测。
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1.2.2 从产品设计技术理解CAD
第1章 概述 机械CAD、CAM技术(第4版)
1.2 CAD/CAM系统的作业过程和主要功能
1、CAD/CAM系统专业过程
CAD/CAM系统作业过程：
• 需求分析及概念设计 该过程目前主要仍由设计人员人工来完成。 • 计算机辅助设计(CAD) 建立产品数据建模，输出产品工程图 样及设计文档。 • 计算机辅助工程分析(CAE) 分析产品性能，模拟工作状态。 • 计算机辅助工艺规划(CAPP) 提取CAD模型中几何信息及工艺信息， 进行工艺规程设计，输出工艺文档。
三坐标测量设备:包括三坐标测量仪、激光三维扫描仪等 数码相机：将光学真实图象转换为数字图象； 其他输入装置：如触摸屏、声响交互输入设备、数据手套等。
鼠标
键盘
数字化仪
三坐标测量仪
数据手套
激光三维扫描仪
输出装置：
图形显示器：最基本的输出装置，由图形卡支持；
打印机：有针式、喷墨、激光打印机等各种类型；
拟仿真，证实所设计产品的功能可用性和性能可靠性，获取
优化设计模型。 CAE系统功能模型
CAE常用设计领域 1）结构分析：应用有限元等分析工具对产品结构静/动态特性、 热变形、磁场强度等产品性能进行分析。
2）优化设计：通过改变设计参数，使产品结构、体积、质量、
强度、动态特性、热稳定性达到最优，以获取最佳设计方案。 3）仿真模拟：根据产品实际工况，对产品动、静态特性和控 制策略等进行仿真实验，以预测产品性能，提前发现设计缺陷。
1.1 CAD/CAM技术内涵
1.2 CAD/CAM系统的作业过程和主要功能
1.3 CAD/CAM系统的结构组成
1.4 CAD/CAM技术的发展
1.1 CAD/CAM技术内涵
1、CAD技术 以计算机为工具，通过人机交互，完成产 品建模，输出产品工程图样及设计文档的过程。
§1—1 绪 论
绪论课题：1、本课程的研究对象2、本课程的任务和学习方法3、我国工程图学的发展概况课堂类型：讲授教学目的：1、讲解图样的概念及形成2、介绍本课程的任务、特点和学习方法教学要求：1、了解本课程的任务和性质2、领会本课程的学习方法教学重点：图样的形成及与立体图的比较教具：长方体模型教学方法：本次课是介绍绪论部分，主要目的是引导学生培养起对这门课的兴趣，讲课时尽可能采用较为生动活泼的语言和教学形式，并结合自己的体会和以往积累的教学经验，向学生介绍一些适时可行的学习方法。
教学过程：一、引入新课题机械制图是一门重要的技术基础课，它是是研究如何运用正投影基本原理，绘制和阅读机械工程图样的课程。
主要任务是培养学生看图、绘图和空间想象能力，达到教学大纲中对本课程所提出的教学要求，以适应今后从事工程技术工作的需要。
二、教学内容（一）本课程的研究对象1、图样的概念准确地表达物体的形状、尺寸和技术要求的图，称为图样。
（对此定义作简要说明，并强调：形状、尺寸和技术要求三个方面，缺一不可）2、机械制图的概念在建筑工程中使用的图样称为建筑图样，在机械工程中使用的图样称为机械图样。
机械制图是以机械图样作为研究对象的，即研究如何运用正投影基本原理，绘制和阅读机械工程图样的课程。
3、图样的作用（1）图样是工厂组织生产、制造零件和装配机器的依据。
（2）图样是表达设计者设计意图的重要手段。
（3）图样是工程技术人员交流技术思想的重要工具，被誉为“工程界技术语言”。
4、图样的形成（1）立体图表示物体的大致形状可以用立体图。
立体图是从一个方向、用一个图形来表达物体的形状。
如图所示，只能看见长方体的前面、上面和左面，后面、下面和右面无法看清；而且长方体是由六个矩形面构成的，但矩形都变形为平行四边形。
如果对此长方体作进一步加工，，则会发现：圆孔打得多深，方槽是否前后贯通，在立体图中表达不清楚，而圆形也变形为椭圆形。
综上：立体图的缺点有：1）发生变形。
全套现代机械设计手册
全套现代机械设计手册第一章：绪论1.1 机械设计概述机械设计是一门工程学科，它研究如何利用各种原材料和现代制造技术，设计和制造各种机械设备。
机械设计师需要具备良好的数学、物理和工程知识，能够理解和应用材料力学、流体力学、热力学等知识，同时要善于运用CAD、CAE等现代设计软件，将理论知识应用到实际工程中。
1.2 机械设计历史机械设计的历史可以追溯到古代，人们通过简单的机械手工具来完成各种工作。
随着工业革命的到来，机械设备的设计和制造进入了工厂化和自动化的时代，机械设计也逐渐成为一门独立的学科。
1.3 机械设计的重要性机械设计在现代工业生产中起着非常重要的作用，各种机械设备的功能和性能都直接关系到产品的质量和生产效率。
通过科学的机械设计，可以提高产品质量、降低产品成本，增加生产效率，提高企业竞争力。
第二章：机械设计基础2.1 材料力学材料力学是机械设计的基础课程，通过学习材料力学知识可以了解各种材料的力学性能和破坏机理，为正确选材提供理论依据。
2.2 流体力学流体力学是研究流体静力学与动力学的一门学科，机械设计师需要了解流体的运动规律和压力、阻力等参数，以确保流体设备的设计合理。
2.3 热力学热力学是研究能量转化和传递的学科，机械设计师需要了解热力学基本原理，以确保热机械设备的设计合理。
2.4 CAD、CAE软件CAD、CAE软件是现代机械设计的重要工具，它们可以帮助机械设计师进行三维建模、结构分析、流体仿真等工作，提高设计效率和质量。
第三章：机械设计流程3.1 产品设计产品设计是机械设计的第一步，机械设计师需要根据客户需求和市场需求进行产品设计，确定产品的功能、结构和外形。
3.2 结构设计结构设计是机械设计的核心内容，它包括传动系统、轴承系统、连接系统等设计，需要考虑材料选择、加工工艺、装配方式等因素。
3.3 零部件设计零部件设计是机械设计的重要环节，需要根据产品结构和功能要求设计各种零部件，以确保整体性能和使用寿命。
第一章 CAE技术基础(修改3)
第一章CAE技术基础1.1 CAE技术概述现代的质量观念认为：产品的质量优劣取决于性能、可靠性、维修性、安全性、适应性、经济性及时间性这七个基本指标的综合评价结果，特别是性能、可靠性、安全性尤为重要。
设计、开发的产品质量如何，其各项指标是否达到要求，是否具有竞争力，不能等到产品制造出来后才能确定，必须在产品研发过程中通过模拟、计算等方式预先加以分析和评价。
传统的工业设计方法主要依据设计者的经验，以经验做出初步的设计，再由此初步的设计去做出模型，再做出样机。
利用样机进行试验以确保产品的可靠性，而此种方法基本上称为试误法，样机经测试不能满足工程或品质上的要求时，再回去修改原设计图，改进样机然后进行测试。
此种方法研发周期长、费用高、无法适应现代的市场竞争。
计算力学、计算数学、工程管理学的运用，特别是信息技术的飞速发展极大地推动了相关产业和学科研究的进步。
有限元、有限体积及差分等方法与计算机技术相结合，诞生了新兴的跨专业和跨行业的学科。
将计算机引入工程分析领域，对产品的设计方案，产品的性能、可靠性、安全性、经济性等方面的产品质量分析采用计算机辅助工程即CAE（Computer-aided Engineering）技术，可以改进产品研发过程，在完成产品方案设计后，通过CAE技术可以使样机的试验过程在计算机上实现，进行各种分析及设计优化，从而缩短产品的研制周期，降低产品研发费用，由于CAE技术的引入带来了现代产品设计的一场巨大变革。
以电子产品为例，80%的电子产品都来自于高速撞击，研究人员往往耗费大量的时间和成本，针对产品进行相关的质量实验，最常见的如落下与冲击实验，这些不仅耗费大量的研发时间和成本，而且试验本身也存在很对缺陷，表现如下：♦实验发生的历程很短，很难观察实验过程的现象；♦测试条件难以控制，实验的重复性很差；♦实验时很难测量产品内部特性和观察内部现象；♦一般只能得到实验结果，而无法观察实验原因；引入CAE后，可以在产品开模之前，通过相关软件对电子产品模拟进行自由落下实验、模拟冲击实验，以及应力应变分析、振动仿真、温度分布分析等求得设计的最佳解，进而为一次试验甚至无试验即可使产品通过测试规范提供了可能。
机械CADCAE技术基础教材第一章绪论
主模型方法
设计者调用 特征库的特征进 行产品特征建模. 尽可能地将以后 各种应用(如分析、 加工等）所要用 到的特征信息输 入.
aaa_01_fea.prt
结构和运动学、动 力学分析模型
aaa_01_dwg.prt 绘图模型 aaa_assm.prt
aaa_01-asm.prt 装配模型
aaa_01_nc.prt 数控加工模型
管理和销售
对成本的影响 所需的工时成本
一. 机械CAD/CAE技术概述
1.2 产品生产过程与CAX过程链
市
产品设计
工艺设计
加工、装配
产
场 需 求
任概结工 务念构程 规设设分 划计计析
毛工 工 坯序 装 设设 设 计计 计
N 加N 检 装
C 编 程
工 仿 真
C 加验 工
配
品
CAD、CAE、 RE、 RPM
结合装备/产品研制和工程建设，开发以创新 设计、敏捷制造和协同管理为主要内容的数字 化综合集成技术，突破多业务、多系统、多企 业综合集成技术难点，建立数字化综合与协同 能力平台。
三. 机械CAD/CAE系统结构
CAD/CAE集成的实现需要建立一个以集成产 品模型技术、多学科综合优化技术、建模与仿真技 术为技术核心，由一系列软件工具和软件子系统组 成的软件套件和解决方案集成一体，以高性能的计 算机和网络数据库系统支撑，在数据、过程、应用 三个层面实现集成与协同的机械产品开发平台。
CAPP
CAT 、CAM CAT
一. 机械CAD/CAE技术概述
1. 3 机械CAD/CAE概念
通过计算机及图形输入/输出设备进行机械产品的交互 设计建立产品的数字模型，并在统一的产品数字模型 下进行结构的计算分析、性能仿真、优化设计、自动 绘图等支持机械产品开发的计算机辅助设计、分析的 理论、方法与工具等各相关技术的总称。
CADCAECAM最新参考书
CAD/CAE/CAM方法与技术(中国机械工程学科教程配套系列教材)作者:杜平安范树迁葛森等市场价：¥35.00卓越价：¥28.00 为您节省：7.00元 (80折)基本信息·出版社：清华大学出版社·页码：321 页·出版日期：2010年03月·ISBN：7302217092/9787302217091·条形码：9787302217091·版本：第1版·装帧：平装·开本：16·正文语种：中文·丛书名：中国机械工程学科教程配套系列教材内容简介《CAD/CAE/CAM方法与技术》系统阐述了机械CAD／CAE／CAM的基础理论、基本方法、关键技术及其集成方法。
全书共3篇14章，第1篇为CAD技术，第2篇为CAE技术，第3篇为CAM技术，书中以目前广泛应用的Pro／E、ANSYS、Mastercam为例，介绍了三种技术的一体化应用方法。
《CAD/CAE/CAM方法与技术》强调理论与应用相结合，既重视方法与理论体系的建立，同时结合CAD／CAE／CAM技术的最新发展动态，注重知识的先进性、新颖性和可操作性。
《CAD/CAE/CAM方法与技术》可作为高等院校机械类各专业的教材，也可供相关专业的工程技术人员参考。
编辑推荐《CAD/CAE/CAM方法与技术》：教育部高等学校机械设计制造及其自动化专业教学指导分委员会推荐教材。
目录第1章绪论1.1 产品开发过程1.2 CAD／CAE／CAM技术1.3 CAD／CAE／CAM的集成与一体化应用1.4 CAD／CAE／CAM的集成方法1.5 常见CAD／CAE／CAM系统第1篇CAD技术第2章CAD概论2.1 CAD概述2.1.1 CAD定义2.1.2 CAD技术的发展历程2.1.3 CAD系统的组成2.2 现代CAD的技术特征2.2.1 参数化建模技术2.2.2 基于特征的建模技术2.2.3 全数据相关技术2.2.4 智能导航技术2.3 三维造型基础2.3.1 几何造型方法2.3.2 实体表示方法思考题第3章参数化建模技术3.1 参数化建模概述3.1.1 参数化设计的约束3.1.2 参数化设计中的约束分类3.2 约束驱动的草图绘制3.2.1 草图的概述3.2.2 草图中的约束驱动与约束类型3.2.3 草图的绘制3.3 三维参数化设计3.3.1 参数化设计中的形状控制3.3.2 参数化设计方法思考题第4章特征建模技术4.1 特征概述4.1.1 广义特征4.1.2 特征的分类与表达4.2 特征建模4.2.1 参数化设计软件中的特征4.2.2 特征建模方法4.3 特征建模技术的应用思考题第5章装配建模5.1 装配建模概述5.1.1 装配建模原理5.1.2 装配建模方法5.1.3 装配建模的特点5.1.4 装配模型的表达5.2 装配约束分类5.2.1 匹配5.2.2 对齐5.2.3 插入5.2.4 相切5.2.5 坐标系5.2.6 线上点5.2.7 曲面上的点5.2.8 曲面上的边5.2.9 自动5.2.10 创建约束的注意问题5.3 零件的装配过程5.3.1 设置工作目录5.3.2 创建装配文件5.3.3 上板与下板的装配5.3.4 下板与螺栓的装配5.3.5 垫圈与螺栓、上板的装配5.3.6 螺母与螺栓、垫圈的装配思考题第6章CAD的应用6.1.1 Pro／E软件简介6.1.1 Pro／E的特点6.1.2 Pro／E的模块6.1.3 Pro／E的界面组成6.2 应用实例思考题第2篇CAE技术第7章有限元法概论7.1 概述7.2 有限元法的基本概念7.3 有限元分析的基本过程7.5 有限元法的应用思考题第8章平面问题有限元法8.1 弹性力学有关知识8.1.1 弹性力学中的物理量8.1.2 弹性力学基本方程8.1.3 平面问题8.2 平面问题的有限元法8.2.1 结构离散8.2.2 单元分析8.2.3 单元集成8.2.4 载荷移置8.2.5 约束处理8.2.6 求解线性方程组8.2.7 计算其他物理量8.2.8 计算结果处理8.2.9 结果显示、打印、分析8.2.10 小结思考题第9章有限元建模方法9.1 有限元建模概述9.1.1 有限元分析的三个阶段9.1.2 有限元建模的重要性9.1.3 有限元模型的定义9.1.4 有限元建模的基本原则9.1.5 有限元建模的一般步骤9.2 几何模型的建立9.2.1 几何模型的定义9.2.2 形状处理方法9.3 单元类型及单元特性9.3.1 单元类型9.3.2 单元形状9.3.3 单元特性9.4 网格划分方法9.4.1 网格划分原则9.4.2 网格划分方法9.5 边界条件定义9.5.1 位移约束9.5.2 载荷思考题10.1 有限元分析系统的发展与主要功能10.1.1 有限元分析软件的发展10.1.2 有限元分析系统的主要功能10.2.ANSYS简介10.2.1 ANSYS的技术特点10.2.2 ANSYS用户界面10.2.3 ANSYS文件概述10.3.ANSYS的主要功能10.3.1 ANSYS前处理模块（PREP7）10.3.2 ANSYS求解模块（Solution）10.3.3 ANSYS后处理模块（POST1和POST26）10.4 应用实例10.4.1 CAD系统的接口10.4.2 有限元网格划分10.4.3 边界条件定义……第3篇CAM技术第11章数控技术基础第12章数控编程第13章数控自动编程系统第14章CAD/CAE/CAM集成技术参考文献……[看更多目录]序言随着计算机科学技术的发展，CAD／CAE／CAM技术在产品研发过程中得到了广泛应用，使产品从设计、分析到制造的整个过程发生了深刻变化，极大地提高了产品质量和研发效率，已成为企业技术创新和开拓市场的重要技术手段。
机械制图及AutoCAD绘图第1章 绪 论
（6）培养学生计算机绘图的初步能力。 （7）培养学生认真负责的法和要求
（1）学习本课程应坚持理论联系实际。 （2）本课程的实践性很强，要掌握它就必须 完成一定数量的作业和练习。
（3）工程图样有统一的格式和要求。 （4）工程图样在生产建设中起着重要作用， 看图和画图错误常会给生产带来很大的损 失。
1.2
本课程的性质和任务
本课程主要学习任务和目的如下。 （1）学习用正投影法图示空间物体的基本理 论和方法，以及绘制轴测图的基本方法。 （2）使学生掌握绘图工具和仪器的使用，并 具备较强的绘图技能。
（3）学习、贯彻制图国家标准和其他有关规 定。 （4）培养学生绘制（含零、部件测绘）和阅 读机械图样的基本能力。 （5）培养学生的空间想象能力。
学习目标 明确本课程的研究对象。 明确本课程的性质和任务。 明确本课程的学习方法和要求。
1.1
本课程的研究对象
机械制图是研究用投影法绘制、阅读机械 图样及解决空间几何问题的理论和方法的 课程。 在工程技术上，为了准确表达工程对象的 形状、大小、相对位置及技术要求，通常 需要将其按一定的投影方法和有关技术规 定表达在图纸上，这样得到工程图样，简 称图样。 机械图样是工程图样中应用最多的一种。
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面向先进装备业与产品设计和制造技术的CAE 软件研发：集材料、构件及产品的性能预测、仿真，计算机
辅助材料设计制备，工程或产品的设计、仿真与优化於一体的 CAE系统。
模态分析由线性向非线性问题方向发展：非线性
建模理论与参数辨识 、非线性系统物理参数的识别、载荷识别。
部件动态仿真
多体系统动力学分析
CAPP
CAT 、CAM
CAT
一. 机械CAD/CAE技术概述
1. 3 机械CAD/CAE概念
通过计算机及图形输入/输出设备进行机械产品的交互 设计建立产品的数字模型，并在统一的产品数字模型 下进行结构的计算分析、性能仿真、优化设计、自动 绘图等支持机械产品开发的计算机辅助设计、分析的 理论、方法与工具等各相关技术的总称。 机械CAD/CAE能使设计工作实现信息化、集成化、网 络化和智能化。还可以此为基础，将产品的数字模型 高效及时传送并应用到整个企业产品价值链所涉及的 各个重要环节，达到产品设计质量高、成本低和周期 短的目标。
所需的工时成本
一. 机械CAD/CAE技术概述
1.2 产品生产过程与CAX过程链
市 场 需 求
产品设计
任 务 规 划
概 念 设 计 结 构 设 计 工 程 分 析
工艺设计
毛 坯 设 计 工 序 设 计 工 装 设 计 N C 编 程
加工、装配
加 N 检 装 工 C 仿 加 验 配 真 工
产 品
CAD、CAE、 RE、 RPM
一. 机械CAD/CAE技术概述
1.4 机械CAD/CAE技术集成体系结构
1) 特征造型
aaa_01_dwg.prt 绘图模型
主模型方法
设计者调用 特征库的特征进 行产品特征建模. 尽可能地将以后 各种应用(如分析、 加工等）所要用 到的特征信息输 入.
aaa_assm.prt
aaa_01_fea.prt 结构和运动学、动 力学分析模型
3. 机械CAD/CAE技术的应用
Leabharlann 波音777 开发周期从过去8年时间缩短到5年.
欧洲空中客车试制周期从4年缩短为2.5年，而且显著降低了研制 费用及生产成本。
福特公司新车型的开发周期从过去的36个月缩短到18个月乃至12 个月，新车开发的后期设计修改减少50%，原型车制造和测试成 本减少50%，投资收益提高30%。 我国模具制造业模具的生产周期缩短了约3/ 4 ，模具工业年产 值已达到450 亿元以上，进出口总额达到17 亿美元，进出口之 比达到4 :1 。
机械CAD/CAE应用技术基础
第一章 绪 论
一. 机械CAD/CAE技术概述 二. 机械CAD/CAE技术的发展 三. 机械CAD/CAE系统结构
一. 机械CAD/CAE技术概述
1.1产品形成过程对成本的影响
70 60 50 40 30
20
10 0 开发设计 生产准备与 加工 原材料与外 购件的采购 对成本的影响 管理和销售
3.1 集成的CAX工作流程
3.2 基于FIPER的产品开发平台体系结构图
3.3 基于CAD/CAE集成的机械产品开发平台
用户界面
CAD 与 其 他 应 用 系 统 的 接 口
CAE CAPP CAQ DFMA DFC DFE
3D虚拟样机 载荷模型建立 虚拟样机性能仿真 虚拟样机性能改进 虚拟样机可靠性评估 虚拟样机校验 样机工程图 数 字 化 设 计 工 具 集
铝合金车体 有限元分析结果
高速电力机车制动盘 热应力仿真
CAD/CAE 在机车设计中的应用
高速车（200km/h ）大 变形碰撞仿真
高速车两种方案 车窗噪声响应对比
高速动车组虚拟驾 驶
高速车（200km/h ）迎面 驶过时的瞬时压力波
二. 机械CAD/CAE技术的发展
2.1 CAD技术的发展趋势
KF 0.5 min ~1 h
Effecti veness 40
二. 机械CAD/CAE技术的发展
2. 2 CAE技术的发展趋势
真三维图形处理与虚拟现实 ：复杂的三维实体建模
及自适应有限元剖分、复杂的动态物理场的虚拟现实与实时显示。
面向对象的工程数据库及其管理系统：更多的计
算模型、设计方案、标准规范和知识性信息纳入CAE软件的数据 库中。
标准化 ：CAD支撑软件的ISO标准和工业标准、面向应用的
标准零部件库、标准化设计方法。
造型设计。
参数化：改变特征的尺寸及特征之间的关系实现参数化特征 开放性 ：开放式操作系统Windows /2000/XP/NT和UNIX平 台 、提供二次开发环境定制自己的CAD系统。 集成化 ：CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP的集成、CAD
气动压力
不平顺谱
企业建模 与企业诊断 企业业务过程 重组(BPR) 客户关系管理 (CRM) 供应链管理 (SCM) 企业资源规划 (ERP) 电子商务 (EB)
PDM客户端
客户/服务器-中间件
PDM服务器
数据库中间件（DBMS-API）
强度分析 刚度分析 动力学分析 噪声分析 空调通风 大变形碰撞 大变形碰撞 疲劳分析
aaa_01-asm.prt 装配模型
aaa_01_nc.prt 数控加工模型
实例
2) 有限元建模与分析
将设计特征转换成有限元分析特 征，进行有限元分析的前处理、确 定载荷和边界条件
用有限元求解算法进行计算求解， 并对计算结果进行分析、解释和评价， 然后根据结果优化设计。
一. 机械CAD/CAE技术概述
Vehicle Structure
Safety
Energy
Thermal
Vehicle Dynamics
CAD/CAE
在汽车设计中的应用
Aerodynamics
Durability
Noise & Vibration
噪声模态及瞬态噪声 场
提速车钢顶铝裙 组合活塞温度场仿真
提速双层客车 车体变形
基於计算机网络环境实现异地、异构系统在企业间的集成。
智能化 ：利用人工智能和面向对象的知识库存储技术的智能
CAD是CAD发展的必然方向
设计实例：参数化的车身曲面
产品全相关设计技术
输入新的全局参数或准则 平台模板
评估 &反馈
控制结构 所有零部件自动 有序地变化
新的总布 置方案
数字化大装配 — 路径、间隙的分析评测
二. 机械CAD/CAE技术的发展
2.3 CAD/CAE集成技术发展趋势
开发面向产品全生命周期的、网络环境下的数 字化、智能化创新设计方法及技术，计算机辅 助工程分析与工艺设计技术，设计、制造和管 理的集成技术。 结合装备/产品研制和工程建设，开发以创新 设计、敏捷制造和协同管理为主要内容的数字 化综合集成技术，突破多业务、多系统、多企 业综合集成技术难点，建立数字化综合与协同 能力平台。
自动探察装拆路径
拆、装序列及路径优化； 装配间隙及匹配检查 静、动态干涉 装配公差分析 产品质量的检控
例: SU27机身横梁采用KDA设计
By Mr. Vladimir Sibiriakov in Moscow
Common technology Set up of 1 crossbeam Set up 100 20 min ~33 h
非线性器件分析
DBMS数据库管理系统 Internet/Intranet/Extranet
集
优 化 设 计 方 法 工 具
性 能 分 析 仿 真 工 具 集
计 算 机 辅 助 工 业 设 计
产 品 开 发 过 程 管 理
知 识 库 管 理
模 型 库 管 理
三. 机械CAD/CAE系统结构
CAD/CAE集成的实现需要建立一个以集成产品 模型技术、多学科综合优化技术、建模与仿真技术 为技术核心，由一系列软件工具和软件子系统组成 的软件套件和解决方案集成一体，以高性能的计算
机和网络数据库系统支撑，在数据、过程、应用三
个层面实现集成与协同的机械产品开发平台。