三.CAD 模拟仿真、虚拟设计

3.CAD系统的软件：
操作系统 图形软件：图形显示，几何构型,二维或三维 数据库管理系统 设计方法程序库 常用数学方法程序库：矩阵运算，方程求根， 现行方程组求解等。 有限元结构分析软件。 优化设计软件。 应用程序：VB、VC、Delphi 等。
4.发展：
参数化设计：
将模型中的定量信息变量化，使之成为任 意调整的参数。 参数化设计的本质：在可变参数的作用下， 系统能够自动维护不变参数。
CAD系统的集成化:
CAD/CAM集成化
面向对象的设计方法: 尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分 析和解决问题。 CAD系统的网络化: 互联、开放、协同、高效
智能计算机辅助设计:
基本组成（三个功能）
能够智能地支持设计者：可行方案及结构， 推理、决策、查找并修改设计错误Leabharlann Baidu具备设计资料数据库、计算分析程序库、 图形支撑系统和文件产生系统。 系统具有自学能力。
3）虚拟现实系统的三维建模技术。 核心所在：
几何建模：形状，外表（纹理，颜色等） 运动建模：平移、旋转、缩放、碰撞 三维视觉： 物理建模：质量、惯性、硬度、形状改变 对象特征建模： 三维建模 模型切分建模： 三维听觉：
4）虚拟现实系统软件： VRML OpenGL PC机：Dimonsion公司的Superscape VRT3软件 工作站：MulitGen公司的MultiGenⅡ软件
基于特征的设计: 用易于识别的，包含加工信息的几何单元，如：孔、 槽、倒角等来取代以往设计中所用的纯几何描 述。如：直线、圆弧等。 特征是构造零件的最基本单元要素，它们能以较高 的抽象级别，不需要解释的方式来标示一个产 品。它既反映零件的几何信息，又反映零件的 加工工艺特征信息。 孔是一个特征，具有长度，公差，表面粗糙度，位 置等属性，并包括它在装配图中的情况。 每一个特征基本上对应一种加工制造方法。 基于特征的设计适合于CAD/CAM集成和CIMS建模 需要。
CAD的优点：
① 提高设计质量：科学基础，优化设计，数 据一致性。 ② 节约时间，提高生产率。 ③ 较大幅度降低成本。 ④ 人可以有更多的时间从事创造性劳动。
2.CAD系统的硬件：
70年代：大中型机 价格很高 80年代末90年代初：图形工作站：SGI SUN DEC HP IBM等 目前：微型机，网络，Pro/E, IDEAS, UG, Solidworks, MDT等。
与普通计算机系统不同点： 较强的人机交互设备及图形输入，输出设备。 系统构成： 主机：CPU，内存 存储器：光盘，硬盘，软盘，U盘 图形显示器：17寸以上，1024*768以上 图形输入设备： 输入产品设计思想、结构及图形、 交互式绘图，进行修改和变换。 鼠标 数字化仪 图形扫描仪
图形输出设备：绘图机：平板式 滚筒式 计算机网络：一般为局域网： 作用：传递数据 数据共享 程序、软件共享 硬件资源共享 互为后备，提高系统可靠性
智能CAD: 运用专家系统，人工神经网络等人工智能技术使在 作业过程中具有智能的CAD系统。 专家系统：是一个能在某个特定领域内，用人类专 家的知识，经验和能力去解决该领域中复杂困难 问题的计算机程序系统。 专家系统有知识库，推理机，知识获取系统，解释 机和一些界面组成。 神经网络也可成为某种专家系统。
CAD 模拟仿真、虚拟设计
均为现代的，先进的，以计算机为 主要工具和手段的现代设计方法。
一、计算机辅助设计（CAD）
1.基本概念和特点：
是指在设计活动中利用计算机作为工 具，帮助工程技术人员进行设计的一切适 用技术的总和。
1.基本概念和特点：
任何与计算机相结合，各尽所长的设计 方法，一个完整的CAD系统应具备的三 个条件： ① 建立完备的产品设计数据库 ② 建立完备的应用程序库 ③ 建立多功能交互式图形程序库
2.优点：
提高产品开发质量：通过模拟仿真试验及时 发现问题。 缩短产品开发周期 降低开发费用：汽车：18辆车 5辆车 复杂产品的操作使用训练：航天飞机、飞机、 核电站等
3.模拟仿真技术的三大组成部分：
建立模型： 归纳法 演绎法 模型的可信度 实验求解： 仿真计算： 连续系统：数值解法
离散事件系统：数值实验
5）应用领域 医疗和康复：虚拟解剖，外科手术模拟 娱乐，艺术和教育：网络游戏、虚拟实验、虚拟博 物馆、虚拟碰撞 军事和航空航天：虚拟军事演习，航空训练的虚拟 座舱 商业应用：体验广告宣传，室内装潢设计 自动控制和制造业：虚拟制造
5.虚拟现实（Virtual Reality）: 80年代提出的新概念 所谓虚拟现实，就是用计算机和其它交互设 备产生一个虚拟环境，使得参与者能与虚 拟环境进行自然的交流，能用人类自然的 技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行 交互作用。 主要特点：临界性：身临其境 交互性：人、境交互作用
1）系统的类型与组成
三大类： 桌面虚拟现实系统： 三维立体眼镜
三维操作维护 临境虚拟现实系统： 头盔显示器 视觉，听觉 数据手套 头部跟踪器 分布式虚拟显示系统：在临境基础上 ，多用户
2）临境交互技术与装置 技术：实时的三维计算机图形，大视角的立体显示。 头部跟踪、手及姿势跟踪、三维声音、触觉反 馈、力反馈等 设备： ①. 头盔显示器：连个CRT，两副图细微差别，上 有头部位置跟踪设备。 ②. 数据手套：每个关节上有光纤传感器，感知各 个关节的弯曲程度，三维位置传感器有关来测定手 的位置。 ③. 三维位置传感器：磁性波和超声波两大类 磁场技术发射器，接收器和电子部件 ④. 三维声音交互技术：人耳对时间差，强度差和 相位差来确定声源位置，听觉的真实感，头部的移 动与转动。
结果分析： 结果数据 数据可视化
4.机械产品设计开发软件： 机构运动仿真软件 结构仿真软件 动力学仿真软件 加工过程仿真软件： 切削加工过程仿真软件 装配过程仿真软件 装造模具充填过程仿真 压力成型过程仿真软件
4.机械产品设计开发软件： 操作训练仿真软件 生产管理过程仿真软件 企业经营过程仿真软件
人工智能技术： 专家系统（ES）：Expert System 人工神经网络（ANN）：Artificial Neural Networks 复合智能：Neural-Expert Hybrid
二、模拟仿真与虚拟设计
1.概念:
模拟（Simulation）：是指选取一个物理或抽象的系统的某 些行为特征，用另一个系统来表示他们的过程。 仿真（Emulation）：是指用另一数据处理系统，主要用硬 件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以至于模仿 的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同 样的程序，获得同样的结果。 通用Simulation 用模型（物理模型或数学模型）来模仿实际系统，代替 实际系统来进行实验和研究，而模拟（Analog）却被用 来仅指应用模拟计算机进行仿真。 风调试验 水池试验 波音777飞机：Testing Without Flying（模拟试飞）
相关性设计: 某个地方进行修改，系统能够自动更新与修改有关 的内容。 “尺寸联动” NURBS和构型技术: Non-Uniform Rational B-Splines非均匀有理B样条 曲线。 CAD中用来定义复杂的几何曲面。 用NURBS技术构造的曲面易于生成、修改和存储。
装配设计和管理:
系统能够同时完成产品的或装配部件的设 计，而不是个别零件的设计。 装配管理能力包括以下方面： 装配的逻辑关系 装配件干涉检查 生成装配明细表 零件装配关系展开图 测算装配件运动学及动力学特性等