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水工结构CAD技术徐明毅2009武汉大学水利水电学院\n参考文献[1]陈胜宏，陈敏林，赖国伟编著，水工建筑物，中国水利水电出版社，2004[2]汪树玉，刘国华，陈福林，计算机辅助设计，中国水利水电出版社，1998[3]陈敏林，余明辉，宋维胜，水利水电工程CAD技术，武汉大学出版社，2004[4]丁仁亮，CATIAV5基础教程，机械工业出版社，2006\nCAD技术概论1CAD技术综述2计算机辅助图形设计基础\n1CAD技术综述1.1CAD任务和内容1.2CAD系统的硬件1.3CAD系统的软件1.4CAD的发展概况1.5国内外流行的CAD软件1.6水利水电工程CAD现状\n1.1CAD任务和内容计算机辅助设计（computer-aided-design），简称CAD，是利用计算机系统来辅助工程或产品设计的技术。是计算机科学和工程科学中各种先进技术的综合运用，反映现代设计方法的集成，是对传统设计方法的革命。\n几个名词CAD：Computer-aidedDesign，计算机辅助设计CAE：Computer-aidedEngineering，计算机辅助工程CAM：Computer-aidedManufacture，计算机辅助制造\nMIS：ManagementInformationSystem，管理信息系统CIMS：ComputerIntegratedManufacturingSystem，计算机集成制造系统\n传统设计传统的设计：（1）人工综合一个初始方案（2）结构分析（3）改进设计（4）提供设计成果（文件和图纸）2、3、4多次反复，以优化设计。\n缺点（1）依赖于设计者的经验（2）依赖于设计规程和规范（3）存在随意性、主观性（4）工作量大，无法达到最优方案\nCAD技术利用计算机和人脑的优点，快速优质进行设计计算机：高速精确的计算能力；大容量存储能力；复杂数据的管理能力设计者：综合分析能力；符合客观现实的逻辑判断能力；创造性思维\n优点使设计人员从劳动量大、重复枯燥的手工设计中解脱出来，从事更有创造性的工作。CAD技术直接提高了生产力，引发新的产业革命。\n举例波音777客机的设计系统：采用计算机三维设计与仿真系统CATIA，使用虚拟设计与网络通讯，缩短了设计周期，节约了设计成本。波音787，空客A380等。刘易斯的钉鞋：建立人体数字模型，测量奔跑时双足压力，优化钉鞋的尺寸，在世锦赛上取得100m/9.86s的成绩。\n相关学科计算机科学：软件，硬件计算机图形学数值分析方法有限元等结构分析方法优化理论系统工程设计方法学等\n应具备功能完备的CAD系统应具有：科学计算图形处理数据处理分析检验文档编制人工智能\n发展趋势范围：从航空、汽车、机械制造扩展到电子电器、化工、土木、水利、交通、纺织、服装、地质、医疗保健等。使用环境：从以前的大中型机逐步移植到微机上。通过网络进行连接协同工作。功能：标准化、集成化、智能化方向。\n标准化软件数据信息交换的需要，对资源共享起重要作用，便于不同的软件协同工作。CORE：1977年提出的图形标准CGI：计算机图形设备接口GKS：计算机图形核心系统IGES：基本图形转换规范\n集成化从单一功能变成综合功能，出现CAD/CAE/CAM/MIS构成的计算机集成制造系统CIMS。网络功能和并行计算技术。\n智能化工程数据库、知识库及专家系统融入CAD，形成智能CAD（AICAD），大大提高设计自动化的程度，使设计者在更高层次，更有效率地工作。返回本章\n1.2CAD系统的硬件包括主机和外围设备主机包括CPU、内存等外围设备包括外存储设备（硬盘、光盘、活动磁盘）、输入设备（键盘、鼠标）、输出设备（显示器、音箱、打印机）\n配置方式分为中心式与分布式两种早期为中心式，由主机连接许多终端；随着大中型机被PC代替，PC成为处理中心；由于信息交换和协同工作的需要，逐渐通过网络发展为分布式；为降低管理成本，近来又有集中的趋势，形成螺旋发展的轨迹。中心式和分布式混合工作。返回本章\n1.3CAD系统的软件是决定CAD系统的效率和使用是否方便的关键因素，分为三个层次：系统软件：操作系统，语言处理系统支撑软件：CAD系统的核心软件。包括图形设备驱动程序，几何造型系统，图形软件系统，计算分析软件系统等。应用软件：针对工程应用开发的软件返回本章\n1.4CAD的发展概况在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指ComputerAidedDrawing(orDrafting)而非现在我们经常讨论的CAD(ComputerAidedDesign)所包含的全部内容CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期\n第一次CAD技术革命曲面造型系统进入70年代，飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，既慢且繁的制作过程大大拖延了产品的研发时间。法国人提出了贝赛尔算法，法国的达索飞机制造公司在二维绘图系统CADAM的基础上，推出了三维曲面造型系统CATIA。\n这标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来80年代初，几乎全世界所有的汽车工业和航空工业都购买过相当数量的CATIA，其结果是CATIA跃居制造业CAD软件榜首，并且保持了许多年。\n第二次CAD技术革命实体造型技术由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件──I-DEAS。\n由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，在实际应用中做设计显得比较勉强。\n第三次CAD技术革命参数化技术80年代中期，CV公司的一些人提出了一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法──参数化实体造型方法特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。\n策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司(ParametricTechnologyCorp.)，开始研制命名为Pro/E的参数化软件。进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。\n第四次CAD技术革命变量化技术把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术，并非完全基于实体，难以全面应用参数化技术。大量的转换极易导致数据丢失或其它不利条件\nSDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术──变量化技术从1990至1993年，历经3年时间，投资一亿多美元，SDRC公司于1993年推出全新体系结构的I-DEASMasterSeries软件。\n今后的发展方向是集成化、智能化。技术发展，永无止境。CAD技术一直处于不断的发展与探索之中。正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天CAD技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。返回本章\n1.5国内外流行的CAD软件国外软件国内软件\n国外软件（1）Unigraphics(UG)：优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的。（2）SOLIDEDGE：基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统\n（3）AutoCAD：AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件。在CAD/CAE/CAM工业领域内，Autodesk公司为拥有全球用户量最多的软件供应商。（4）MicroStation：美国Intergraph公司从工作站移植到PC的二、三维图形设计软件，操作命令丰富。\n（5）SolidWorks：基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。（6）Pro/Engineer：单一数据库、参数化、基于特征、全相关已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。将设计至生产全过程集成到一起。\n（7）I-DEAS：美国SDRC公司开发，高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。\n（8）CATIA：该软件是由法国达索(Dassault)飞机公司开发的高端CAD/CAM软件。内容涵盖了产品概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成、生产加工成产品的全过程。该软件在曲面造型方面具有独特的优势，因而广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等行业的复杂曲面造型设计中。\n国内软件（1）高华CAD：北京高华计算机有限公司推出的CAD产品，包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。\n（2）CAXA电子图板：北京北航海尔软件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)开发。CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，\n（3）GS-CAD98：浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统。参照SolidWorks的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现了三维零件设计与装配设计，工程图生成的全程关联。\n（4）金银花系统：广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。该软件采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接口的技术。\n（5）开目CAD：华中科技大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成。\n我国CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。国外一些优秀软件，如AutoCAD、UG、SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA等，已经占领了很大一部分国内市场。\n在微机平台上开发CAD/CAM软件都是使用VisualC++，OpenGL等工具进行软件开发。CAD/CAM软件不仅要水平高，有自己的特色，更要能够市场化，在市场运作中产生效益，根据用户的需求不断地更新发展软件。返回本章\n1.5水利水电工程CAD现状水电工程的特点：环境因素复杂，涉及专业多：水文、气象、地质、结构、交通、生态设计过程繁复，工作量巨大：每个工程需几百至上万张图纸我国水电资源大部分还有待开发，设计任务十分繁重，需要推广CAD技术。\n已有成果及差距现有成果：如中南院开发的拱坝CAD和水能规划CAD，华东院的重力坝CAD，东北院的地面厂房CAD，上海院的弧形闸门CAD等差距：覆盖面不广，深度不够，主要辅助图纸生产；停留在单项开发上，没有集成化、网络化；自动化、智能化水平有待加强。返回本章\n2计算机辅助图形设计基础2.1基本概念2.2交互技术2.3二维图形变换2.4图形算法基础2.5图形表示与几何造型\n2.1基本概念“图纸是工程师的语言”，计算机制图可以大大提高工作效率和绘图质量。可以参与设计的整个过程，由人和计算机共同完成设计。计算机辅助图形设计是CAD技术的一个重要组成部分，主要内容包括：图形输入；图形的生成；图形显示和输出。\n图形软件组成图形软件就是在图形硬件基础上用来处理图形的计算机程序系统。一个性能良好的图形软件系统可分为四级：零级：最底层软件，负责硬件接口一级：基本图形元素，图形设备管理二级：较高级的图形功能三级：针对特定问题设计的应用软件返回本章\n2.2交互技术CAD系统必须允许用户能动态选择软件提供的功能，实时输入图形参数等，即具有人机对话交互接口。交互式用户接口是用户与应用系统的核心功能之间的界面，它负责接受用户向系统输入的操作命令或参数，检验后调用相应的程序模块，执行结果再以一定形式通知用户。\n交互输入技术选择：从多种可能中选定一项定位：指定一个位置坐标定向：规定形体的方向定路径：由定位和定向两个任务组成定量：输入一个数值文本：确定字符串\n交互控制技术橡皮筋技术：将变形过程动态连续表现出来徒手画技术：实现用户任意画图的要求拖动技术：将形体在空间的移动过程动态连续表示出来定位技术：实现精确定位，采用网格、辅助线、捕捉、比例尺等\n图形拾取技术是交互式用户接口中的重要任务之一。图形操作都是以拾取图形为基础的，拾取图形的速度和精度又极大地影响交互系统的质量。满足条件：图形显示出来；拾取点靠近图形加快措施：过滤器，区域粗判法返回本章\n2.3二维图形变换笛卡尔坐标和齐次坐标笛卡尔坐标用来描述平面内点的位置，但不能表示无穷远点；齐次坐标（X，Y，H）和笛卡尔坐标（x，y）的关系为：当H=0时，就可表示无穷远点，H=1时称为规格化齐次坐标，与通常表达一致。\n笛卡尔坐标系中的直线方程为：用齐次坐标表示为：成为齐次方程，这是齐次坐标的命名来由。\n二维图形变换的表达属于线性变换，直线变换后仍为直线变换前变换后变换矩阵T\n（1）平移平行移动\n（2）绕原点旋转\n（3）以原点为中心的比例变换（1，-1）关于x轴对称变换，（-1，1）关于y轴对称变换（-1，-1）关于原点对称变换\n（4）错切变换关于X轴：\n仿射变换性质H没有变化，无穷远点仍是无穷远点，这种性质的变换称为仿射变换。平行线变换后不会变为相交线。\n（5）平行投影平行投影到x轴：平行投影到y轴：\n（6）透视投影X轴上一个点光源V将P投影到Y轴上的P’,V点也可理解为视点。由三角形相似：\n令就有：\n变换矩阵小结平移区分仿射变换还是透视变换旋转比例错切等仿射变换\n级联变换将多个变换连续进行称为级联变换如绕定点的旋转变换分解为：把旋转中心从原点移到该点；围绕原点旋转；把原点移回原处返回本章