计算机辅助设计(CAD)入门指南

计算机辅助设计又简称为CAD，是英文Computer Aided Design(计算机辅助设计)的缩写，是利用计算机强大的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助进行工程和产品的设计与分析，以达到理想的目的或取得创新成果的一种技术。

CAD技术集计算机图形学、数据库、网络通信以及对应的工程设计方面的技术于一身，现在已经被广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。CAD技术的应用提高了企业的设计效率，减轻了技术人员的劳动强度，并且大大缩短了产品的设计周期，加强了设计的标准化水平。图1-1所示是利用Autodesk公司的三维CAD软件Inventor所设计的产品样机。

1.曲面造型

三维CAD技术可根据给定的离散数据和工程问题的边界条件来定义、生成、控制和处理过渡曲面与非矩形域曲面的拼合能力，提供曲面造型技术。图1-2所示是利用PTC公司的三维造型产品Pro/Engineer所设计的显示器外壳曲面。

图1-1 利用Inventor设计的产品

图1-2 利用Pro/Engineer设计的显示器

2.实体造型

三维CAD技术具有定义和生成体素的能力，以及用几何体素构造法CSG或连界表示法B_- rep构造实体模型的能力，并且能提供机械产品总体、部件、零件以及用规则几何形体构造产品几何模型所需要的实体造型技术。图1-3所示是利用Autodesk公司的三维CAD软件Inventor设计的三维组装部件模型。

3.物质质量特性计算

三维CAD技术具有根据产品几何模型计算相应物体的体积、表面积、质量、密度、重心、导线长度以及轴的转动惯量和回转半径等几何特性的能力,为系统对产品进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数和数据。图1-4所示是利用Autodesk公司的三维CAD软件Inventor计算出的零件模型的物理特性。

4.三维机构的分析和仿真功能

三维CAD技术具有结构分析、运动学分析和温度分析等有限元分析功能，它具有一个机械机构的静态分析、模态分析、屈曲分析、振动分析、运动学分析、动力学分析、干涉分析、瞬态温度分析等功能，即具有对机构进行分析和仿真等研究能力，从而为设计师在设计运动机构时，提供直观的、可仿真的交互式设计技术。图1-5所示是PTC公司的CAD产品Pro/Engineer对构件所进行应力得到的分析结果。

图1-3 利用Inventor设计的部件模型

图1-4 利用Inventor计算模型的物理特性(www.xing528.com)

图1-5 利用Pro/Engineer分析模型应力

5.三维几何模型的显示处理功能

三维CAD技术具有动态显示图形、消除隐藏线，彩色浓淡处理的能力，以便使设计师通过视觉直接观察、构思和检验产品模型，解决了三维几何模型在设计复杂空间布局的问题。图1-6所示是Autodesk公司的三维CAD产品Inventor中的三种不同的模型显示方式。

6.有限元法网络自动生成的功能

三维CAD技术具有利用有限元分析方法对产品结构的静、动态特性、强度、振动、热变形、磁场强度、流场等进行分析的能力，以及自动生成有限元网格的能力，在复杂的三维模型有限元网格的自动划分。图1-7所示是利用PTC公司的Pro/Engineer对零件进行有限元网格的划分。

7．优化设计功能

三维CAD技术具有用参数优化法进行方案优选的功能，优化设计是保证现代产品设计具有高速度、高质量、良好的市场销售的主要技术手段之一。

图1-6 Inventor的模型显示方式

8.数控加工功能

三维CAD技术具有三、四、五坐标机床加工产品零件的能力，并能在图形显示终端上识别、校核刀具轨迹和刀具干涉，以及对加工过程的模态进行仿真。

9.信息处理和信息管理功能

三维CAD技术应具有统一处理和管理有关产品设计、制造以及生产计划等全部信息的能力,即建立一个与系统规模匹配的统一的数据库，以实现设计、制造、管理的信息共享，并达到自动检索、快速存取和不同系统间交换的传输目的。

图1-7 利用Pro/Engineer对零件进行有限元网格划分