車身CAD技術(shù)完整版課件全套ppt教程

1、一、CAD / CAM 技術(shù)的概念 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造(CAD/ CAM)技術(shù)是將計(jì)算機(jī)迅速、準(zhǔn)確地處理信息的特點(diǎn)與人類創(chuàng)造思維及推理判斷能力巧妙結(jié)合起來(lái),用計(jì)算機(jī)硬件、軟件的新成就,特別是計(jì)算機(jī)繪圖、數(shù)據(jù)庫(kù)、智能模擬技術(shù),為現(xiàn)代設(shè)計(jì)提供理想的手段。 1973 年國(guó)際信息處理聯(lián)合會(huì)(International Federation of Information Processing,簡(jiǎn)稱IFIP)對(duì)CAD 系統(tǒng)的定義:CAD 是將人和計(jì)算機(jī)混編在解題專業(yè)組中的一種技術(shù),從而將人和計(jì)算機(jī)的最優(yōu)特性結(jié)合起來(lái)。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,簡(jiǎn)稱CAD)是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)

2、大的計(jì)算功能和高效率的圖形處理能力,輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程分析,以達(dá)到理想的目的或取得創(chuàng)新成果的一門(mén)技術(shù)。它是綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門(mén)新興學(xué)科。在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中,工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為輔助工具,完成產(chǎn)品的描述、設(shè)計(jì)、分析、繪圖等工作,并達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本的目的。一般認(rèn)為CAD 系統(tǒng)的功能包括:草圖設(shè)計(jì)、實(shí)體零件設(shè)計(jì)、自由曲面設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程圖繪制、工程分析、圖像渲染、數(shù)據(jù)交換接口等。 計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing,簡(jiǎn)稱CAM),廣義CAM 一般是指利用計(jì)算

3、機(jī)輔助完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造整個(gè)過(guò)程的活動(dòng),包括工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、NC 自動(dòng)編程、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制等。狹義CAM 通常是指NC 程序編程,包括刀具路徑規(guī)劃、刀位文件生成、刀具軌跡仿真及NC 代碼生成等。 計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning,簡(jiǎn)稱CAPP)是指在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中,根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段給出的信息,人機(jī)交互或自動(dòng)地確定產(chǎn)品加工方法和工藝過(guò)程。一般包括毛坯設(shè)計(jì)、加工方法選擇、工藝路線制定、工序設(shè)計(jì)、刀夾具設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)已逐漸形成為一門(mén)獨(dú)立的技術(shù)分支。 CAD/ CAM 技術(shù)可以大大縮短產(chǎn)品的制

4、造周期,顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量,從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。CAD/ CAM 技術(shù)在制造業(yè)廣泛應(yīng)用,其中以汽車、船舶、機(jī)床和航空航天等制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛和深入。二、CAD / CAM 技術(shù)的發(fā)展歷程 自1946 年世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在美國(guó)問(wèn)世以來(lái),人們就不斷地將計(jì)算機(jī)新技術(shù)引入機(jī)械設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域。1. 準(zhǔn)備和誕生時(shí)期(20 世紀(jì)50 年代至60 年代)2. 蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用時(shí)期(20 世紀(jì)60 年代)3. 廣泛應(yīng)用的時(shí)期(20 世紀(jì)70 年代)4. 突飛猛進(jìn)的時(shí)期(20 世紀(jì)80 年代)5. 日趨成熟的時(shí)期(20 世紀(jì)90 年代以來(lái)) 計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)(Computer Aided Geometr

5、ic Design,簡(jiǎn)稱CAGD)這一術(shù)語(yǔ)是1974 年由巴恩希爾(Barnhill)與里森費(fèi)爾德(Riesenfeld)在美國(guó)猶他大學(xué)的一次國(guó)際會(huì)議上提出,用以描述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)方面內(nèi)容。 計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)主要研究的是工程中的幾何造型問(wèn)題,是對(duì)各種幾何外形信息的計(jì)算機(jī)表示、分析和綜合。 20 世紀(jì)60 年代,CAGD 主要研究用線框圖形和多邊形構(gòu)成三維形體。 20 世紀(jì)70 年代末至80 年代初,能夠精確表達(dá)零部件全部屬性的實(shí)體造型技術(shù)出現(xiàn)了,它以美國(guó)SDRC 公司的I-deas 軟件為代表,實(shí)體造型技術(shù)的普及應(yīng)用標(biāo)志著CAD 發(fā)展史上的第二次技術(shù)創(chuàng)新。 進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代,以

6、基于特征的設(shè)計(jì)、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改為特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)成為第三次CAD 技術(shù)創(chuàng)新的標(biāo)志。尤以美國(guó)PTC 公司的Pro/ ENGINEER軟件為代表。 20 世紀(jì)90 年代,一種更加先進(jìn)的實(shí)體造型技術(shù)變量化技術(shù)成為新的發(fā)展方向,同時(shí),變量化技術(shù)也驅(qū)動(dòng)了CAD 發(fā)展的第四次技術(shù)創(chuàng)新。 汽車等產(chǎn)品的幾何外形設(shè)計(jì),就是要建立產(chǎn)品幾何外形的數(shù)字模型,并通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行描述、控制和編輯。就數(shù)學(xué)方法而言,早年的解析幾何、微分幾何所表達(dá)的規(guī)則曲線曲面已經(jīng)不能滿足要求。在20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)的計(jì)算幾何,是由函數(shù)逼近論、微分幾何、代數(shù)幾何、計(jì)算數(shù)學(xué)、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等組成的邊緣學(xué)科

7、。計(jì)算幾何提供了自由曲線曲面造型的數(shù)學(xué)方法,是CAGD 的主要數(shù)學(xué)理論。 CAGD 的應(yīng)用日趨廣泛,除了圍繞汽車、航空、船舶等大工業(yè)部門(mén)的幾何外形設(shè)計(jì)以外,經(jīng)過(guò)30 年的發(fā)展,理論研究不斷深化,方法日益豐富,應(yīng)用愈加廣泛。除了應(yīng)用于機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域外,CAGD 在越來(lái)越多的技術(shù)領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。一、車身CAD 的發(fā)展歷史 最早的汽車車身CAD 的例子是通用汽車公司于20 世紀(jì)60 年代用DAC-1 系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)汽車前風(fēng)窗玻璃的形線。20 世紀(jì)70 年代,通用汽車公司的CADANCE、FBX 等系統(tǒng)先后研制完成并進(jìn)入應(yīng)用階段。這一時(shí)期的特點(diǎn)是軟件在企業(yè)內(nèi)部開(kāi)發(fā),應(yīng)用范圍也局限于汽車外形的處

8、理。20 世紀(jì)80 年代車身CAD 技術(shù)應(yīng)用范圍則由外形處理發(fā)展到結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)計(jì)算、內(nèi)部構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)等方面。 美國(guó)福特汽車公司從1967 年開(kāi)始開(kāi)發(fā)應(yīng)用CAD 軟件。到20 世紀(jì)80 年代,福特公司的汽車CAD 技術(shù)遍及各種類型的零部件,在汽車底盤(pán)的設(shè)計(jì)分析中使用有限元方法(Finite ElementMethod,簡(jiǎn)稱FEM),公司已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)100%的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)繪制車身外表面鈑金件,其CAD 軟件還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和振動(dòng)仿真等。 法國(guó)雷諾汽車公司的工程師貝齊爾運(yùn)用他的理論實(shí)現(xiàn)了車身曲面的定義,并研制UNISURF系統(tǒng)。 20 世紀(jì)80 年代初,日本各大汽車公司的CAD 系統(tǒng)已經(jīng)

9、基本完善。 進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代,汽車車身CAD 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各大汽車公司。 我國(guó)的CAD 技術(shù)應(yīng)用于汽車行業(yè)開(kāi)始于20 世紀(jì)70 年代,在解決汽車設(shè)計(jì)中的剛度強(qiáng)度計(jì)算、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面取得了很多成果。由于計(jì)算機(jī)硬件、軟件的發(fā)展和對(duì)外交流,20 世紀(jì)80 年代我國(guó)開(kāi)始逐步引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的計(jì)算機(jī)繪圖設(shè)備和軟件,從此我國(guó)的CAD 技術(shù)有了較快的發(fā)展。尤其20 世紀(jì)90 年代以來(lái),我國(guó)的汽車工業(yè)迅速發(fā)展,與國(guó)外的聯(lián)系越來(lái)越緊密,帶動(dòng)了我國(guó)的汽車車身CAD 技術(shù)的快速發(fā)展。目前,國(guó)內(nèi)各大汽車公司已經(jīng)普及應(yīng)用大型三維CAD 軟件,CAD 技術(shù)的應(yīng)用水平已經(jīng)能夠滿足汽車設(shè)計(jì)的要求。二、現(xiàn)代

10、車身設(shè)計(jì)流程圖1-1 是汽車車身的設(shè)計(jì)流程框圖。 汽車車身設(shè)計(jì)通常分為概念設(shè)計(jì)(Concept Design)和工程設(shè)計(jì)(Engineering Design)兩個(gè)階段來(lái)進(jìn)行。1. 概念設(shè)計(jì) 概念設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期工作,是指從產(chǎn)品構(gòu)思到確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能指標(biāo),以及布置定型和造型的確定,并下達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)這一階段的設(shè)計(jì)工作。 概念設(shè)計(jì)在轎車車身設(shè)計(jì)中占有極其重要的地位,它是對(duì)未投產(chǎn)新車型的總體概念的概括描述,是確定汽車性能、外形與內(nèi)飾等主要方面的初步設(shè)計(jì)。 在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中,概念設(shè)計(jì)階段要廣泛吸收造型師、結(jié)構(gòu)工程師、工藝工程師、財(cái)務(wù)分析管理人員、部件采購(gòu)人員、市場(chǎng)分析專家和銷售人員同時(shí)參與設(shè)

11、計(jì)工作。而計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)是其主要的技術(shù)手段。 概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有:產(chǎn)品開(kāi)發(fā)目的、必要性和可行性分析;產(chǎn)品的性能目標(biāo)和先進(jìn)性分析;產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)、布置和尺寸要求;產(chǎn)品的使用調(diào)查;產(chǎn)品的目標(biāo)成本分析;產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的確定;產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的組織管理等。 在概念設(shè)計(jì)階段,造型設(shè)計(jì)人員進(jìn)行車身外形的構(gòu)思,并繪制外形設(shè)計(jì)概念圖,以提供外形設(shè)計(jì)方案,同時(shí)確定出汽車造型的基本思想和進(jìn)行車身CAD 幾何建模。造型設(shè)計(jì)人員要構(gòu)思多種外形方案,供選擇、比較,并與布置工程師、結(jié)構(gòu)工程師和工藝工程師等一起確定最終的幾何模型。概念設(shè)計(jì)階段的油泥模型可用于美學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的評(píng)價(jià)。油泥模型比平面效果圖更能直觀地反映設(shè)計(jì)人員的

12、意圖,并可進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),以初步認(rèn)識(shí)車身外形的空氣動(dòng)力學(xué)性能,對(duì)車身外形的確定有很大作用。 現(xiàn)代汽車造型設(shè)計(jì)階段廣泛應(yīng)用的是計(jì)算機(jī)輔助造型(Computer Aided Styling,簡(jiǎn)稱CAS)技術(shù),無(wú)論是二維的汽車造型效果圖,還是車身三維造型都大量應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助造型軟件,如Photoshop、Rhino、Alias 等。圖1-2 是車身二維造型效果圖,圖1-3 是車身三維造型效果圖。但手繪構(gòu)思草圖(Sketch)也仍然是造型設(shè)計(jì)人員的重要基本功。2. 工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是,在車身(總)布置(Layout)的配合下,進(jìn)行1 1內(nèi)部模型和外部模型的設(shè)計(jì),以及樣車試制與試驗(yàn)等,主要包括結(jié)

13、構(gòu)設(shè)計(jì)(Structural Design)、工程分析(Engineering)、試驗(yàn)(Testing)和試制等。 車身布置是車身具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。車身布置的主要內(nèi)容包括:確定車身內(nèi)部、外部尺寸;確定乘坐與操作空間;校核各項(xiàng)性能及法規(guī)要求的尺寸數(shù)據(jù),如風(fēng)窗的刮掃面積、視野性、座椅的調(diào)整量、儀表板的防炫目等;確定車身的懸置形式及位置;確定發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系占用的空間,并對(duì)有關(guān)總成提出反要求;備胎、燃料箱、蓄電池、行李艙以及各種液罐的布置;確定由于車身附件及其他裝置的特殊要求引起的車身布置及結(jié)構(gòu)的變動(dòng)等。 車身的內(nèi)部模型設(shè)計(jì)包括:確定室內(nèi)各部件的位置關(guān)系,進(jìn)行室內(nèi)色彩、材質(zhì)設(shè)計(jì),并表現(xiàn)各部件的外觀形

14、狀特征等。車身內(nèi)部實(shí)車模型的制作要在CAD 內(nèi)部數(shù)字模型基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行,通常采用木質(zhì)框架,用發(fā)泡塑料和油泥制作內(nèi)飾部件及車內(nèi)零件,或安裝真實(shí)的零件,有時(shí)也要采用快速原型技術(shù)制作零件,并進(jìn)行內(nèi)飾裝飾設(shè)計(jì)以加強(qiáng)模型的真實(shí)感。同時(shí)要利用三維H 點(diǎn)人體模型實(shí)際檢驗(yàn)車身的內(nèi)部布置設(shè)計(jì)。 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括:建立車身結(jié)構(gòu)件CAD 模型;繪制零部件圖紙;進(jìn)行零件裝配和結(jié)構(gòu)分析;進(jìn)行車身內(nèi)飾件和外飾件的設(shè)計(jì)等。 樣車試制是為了進(jìn)一步明確樣車的車身外形尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性、裝配關(guān)系、材料使用情況、制造工藝性等,同時(shí)配合樣車的試驗(yàn)。樣車試驗(yàn)包括對(duì)樣車進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)、道路試驗(yàn)和碰撞安全試驗(yàn)等。 雖然應(yīng)用車身CAD 建

15、立了車身數(shù)字模型,并可以將其作為車身主模型,但制作車身實(shí)物主模型也是有必要的,它可以作為生產(chǎn)檢測(cè)的實(shí)物基準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)總布置確認(rèn)之后的主模型可以作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 車身模具設(shè)計(jì)和制造以及工裝設(shè)計(jì)是汽車批量生產(chǎn)的準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)調(diào)試工裝設(shè)備、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的合理性、批量試制、試生產(chǎn),最終實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。 現(xiàn)代車身布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都是應(yīng)用大型三維CAD/ CAM/ CAE 一體化的軟件完成的,如CATIA、NX 等。車身的結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、NVH(Noise、Vibration、Harshness)分析、碰撞安全性分析等都可以在CAD 模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行。 圖1-4 是車身外形數(shù)字模型,圖1-5 是車身結(jié)構(gòu)

16、FEM 分析模型,圖1-6 是車身碰撞安全性分析模型。 由于車身CAD 技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得車身設(shè)計(jì)的平臺(tái)化戰(zhàn)略和汽車系列化變得比較容易實(shí)現(xiàn)。目前,車身CAD 技術(shù)已經(jīng)是車身開(kāi)發(fā)過(guò)程中的基礎(chǔ)性應(yīng)用技術(shù)。三、車身CAD 的特點(diǎn)1. CAD 的特點(diǎn)人-計(jì)算機(jī)結(jié)合 CAD 技術(shù)是在設(shè)計(jì)活動(dòng)中,利用計(jì)算機(jī)作為工具,幫助工程技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)的一切實(shí)用技術(shù)的總和。CAD 方法是人和計(jì)算機(jī)相結(jié)合、各盡所長(zhǎng)的新型設(shè)計(jì)方法。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中,人可以進(jìn)行創(chuàng)造性的思維活動(dòng),完成設(shè)計(jì)方案構(gòu)思、工作原理擬定等,并將設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法經(jīng)過(guò)綜合、分析,轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字模型和解析這些模型的程序。在程序運(yùn)行過(guò)程中,人可

17、以評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果,控制設(shè)計(jì)過(guò)程。 計(jì)算機(jī)則可以發(fā)揮其分析計(jì)算和存儲(chǔ)信息的能力,完成信息管理、繪圖、模擬、優(yōu)化和其他數(shù)值分析任務(wù)。一個(gè)好的CAD 系統(tǒng)既能充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性作用,又能充分利用計(jì)算機(jī)的高速分析計(jì)算能力,找到人和計(jì)算機(jī)的最佳結(jié)合點(diǎn)。 人和計(jì)算機(jī)結(jié)合,在設(shè)計(jì)過(guò)程中兩者發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),有利于獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果,縮短設(shè)計(jì)周期。 在CAD 過(guò)程中,計(jì)算機(jī)的任務(wù)實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行大量的信息加工、管理和交換。也就是在設(shè)計(jì)人員的初步構(gòu)思、判斷、決策的基礎(chǔ)上,由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中大量設(shè)計(jì)資料進(jìn)行檢索,根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算、分析及優(yōu)化,將初步設(shè)計(jì)結(jié)果顯示在圖形顯示器上。2. 完整的CAD 系統(tǒng)具備的條件 在CAD

18、 作業(yè)過(guò)程中,邏輯判斷、科學(xué)計(jì)算和創(chuàng)造性思維是反復(fù)交叉進(jìn)行的。一個(gè)完整的CAD 系統(tǒng),應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的各個(gè)階段都能發(fā)揮作用,而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),就必須具備以下三個(gè)條件:(2)建立完備的應(yīng)用程序庫(kù)。(1)建立完備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。(3)建立多功能交互圖形程序庫(kù)。3. 車身CAD 的優(yōu)勢(shì) 現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)外汽車公司都充分認(rèn)識(shí)到車身CAD、CAM 及CAE 的一體化應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn),這是早期的常規(guī)車身開(kāi)發(fā)所無(wú)法比擬的,主要表現(xiàn)在:(1)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和精度。(2)節(jié)省時(shí)間,提高生產(chǎn)效率,縮短了設(shè)計(jì)和制造周期。(3)大幅度地降低成本。(4)車身CAD 技術(shù)將車身設(shè)計(jì)人員從煩瑣的手工計(jì)算和繪圖工作中解放出來(lái),使其可以從事

19、更多的創(chuàng)造性勞動(dòng),減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了他們的工作環(huán)境和條件。(5)可以很方便的將車身設(shè)計(jì)的模型用于強(qiáng)度、剛度、安全、NVH 等工程分析,也可以比較方便的對(duì)模型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)模擬分析。這樣也使得設(shè)計(jì)的可信度大為提高。有這樣的基礎(chǔ),也將大為縮短樣車試制與產(chǎn)品定型的時(shí)間。1. 參數(shù)化設(shè)計(jì)和變量化設(shè)計(jì) 在車身CAD 技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模的速度十分重要。 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法就是將模型中的定量信息參量化,使之成為可以任意調(diào)整的參數(shù)。 參數(shù)化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束,幾何約束包括結(jié)構(gòu)約束和尺寸約束。 在參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程關(guān)系和幾何關(guān)系來(lái)制定設(shè)計(jì)要求。 參數(shù)化設(shè)計(jì)中

20、的參數(shù)化建模方法主要有變量幾何法和基于結(jié)構(gòu)生成算法的方法,前者主要用于平面模型的建立,而后者更適合于三維實(shí)體和曲面模型。 參數(shù)化技術(shù)更適合于設(shè)計(jì)過(guò)程比較明確的工作,變量化設(shè)計(jì)則為設(shè)計(jì)對(duì)象的修改提供了更大的自由度,可以通過(guò)求解一組約束方程組來(lái)確定產(chǎn)品的尺寸和形狀。 參數(shù)化設(shè)計(jì)和變量化設(shè)計(jì),使得車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以隨著尺寸的修改和使用環(huán)境的變化而自動(dòng)修改?，F(xiàn)在的主流CAD 軟件幾乎都是基于變量化設(shè)計(jì)的。2. 智能CAD 智能CAD 是指通過(guò)運(yùn)用專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)使在作業(yè)過(guò)程中具有某種程度人工智能的CAD 系統(tǒng)。 專家系統(tǒng)的基本思想是使計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程能盡量模擬領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q實(shí)際問(wèn)題的過(guò)

21、程。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有下列特征:它包含大量的人工神經(jīng)元,提供了大量可供調(diào)節(jié)的變量;信息是分步式存儲(chǔ)的,從而提供了聯(lián)想與全息記憶的能力;具有高度的自適應(yīng)能力;高度的容錯(cuò)能力;很強(qiáng)的計(jì)算能力以及自組織能力。 目前,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)有聯(lián)合起來(lái)的趨勢(shì)。3. 基于特征的設(shè)計(jì) 特征設(shè)計(jì)是用易于識(shí)別的、包含加工信息的幾何單元,如孔、槽、倒角、加強(qiáng)筋等,來(lái)取代以往設(shè)計(jì)中所用的純幾何描述,如直線段、圓弧等。特征是構(gòu)造零件的最基本的單元要素。特征使設(shè)計(jì)人員和工藝人員對(duì)同一特征具有相同的理解,并且特征定義包含了所有幾何和非幾何信息?；谔卣鞯脑O(shè)計(jì)更適合于CAD/ CAM 的集成和CIMS(Computer Int

22、egrate ManufactureSystem)中的建模需要。4. 相關(guān)性設(shè)計(jì)相關(guān)性設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)工作提供了極大的方便。5. NURBS 幾何構(gòu)型技術(shù) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)即非均勻有理B 樣條,它在CAD 中用來(lái)定義復(fù)雜的幾何曲線曲面,在車身CAD 領(lǐng)域,更是應(yīng)用廣泛。6. 裝配設(shè)計(jì)和管理 裝配設(shè)計(jì)是指系統(tǒng)能夠同時(shí)完成產(chǎn)品或裝配部件的設(shè)計(jì),而不是個(gè)別零件的設(shè)計(jì)。由于車身結(jié)構(gòu)涉及很多零件的裝配關(guān)系,裝配設(shè)計(jì)需要考慮的因素復(fù)雜,具有裝配設(shè)計(jì)功能的系統(tǒng)需要采用的技術(shù)和手段也較多。7. 車身CAD 系統(tǒng)的集成化 CAD 系統(tǒng)的集成化是當(dāng)前CAD 技術(shù)發(fā)

23、展的一個(gè)重要方面。8. 面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法 面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法是分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的新方法。9. 車身CAD 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要方面,離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 CAD 技術(shù)是將人和計(jì)算機(jī)混編在解題專業(yè)組中的一種技術(shù),是將人和計(jì)算機(jī)的最優(yōu)特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的技術(shù)。人的特點(diǎn)是:邏輯思維能力強(qiáng),具有自我學(xué)習(xí)完善的能力,有創(chuàng)造性,能產(chǎn)生和控制情緒、興趣等。計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是:速度快、精度高、不疲倦、儲(chǔ)量大,不易出錯(cuò)等。在CAD 的組織結(jié)構(gòu)下,人和計(jì)算機(jī)的能力特點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 CAD 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)保證的。硬件系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備組成,包括主機(jī)、儲(chǔ)存器、輸

24、入輸出設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等;軟件系統(tǒng)通常是指程序及相關(guān)的文檔,包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件等,表2-1 是人機(jī)特點(diǎn)的比較表,圖2-1 是CAD 系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)圖。一、硬件系統(tǒng)的規(guī)模與選擇原則1. 硬件系統(tǒng)的規(guī)模硬件系統(tǒng)的規(guī)模劃分為三種:1)大規(guī)模的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)2)中等規(guī)模的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)3)小規(guī)模的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2. 硬件系統(tǒng)的選擇原則(1)硬件系統(tǒng)的規(guī)模及功能滿足設(shè)計(jì)工作的需要,具有擴(kuò)充升級(jí)能力。(2)硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。(3)硬件系統(tǒng)的制造商要有良好的信譽(yù),售后服務(wù)質(zhì)量好,用戶廣泛。(4)硬件系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性好。 CAD 硬件系統(tǒng)的選擇要與選用的軟件系統(tǒng)水平相適應(yīng),而且更重要的是要滿足設(shè)計(jì)

25、應(yīng)用的要求。具體應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):二、硬件系統(tǒng)的組成 CAD 硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本構(gòu)件組成。圖2-2 所示是常見(jiàn)的CAD 硬件系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)圖。1. 計(jì)算機(jī)主機(jī)類型 CAD 系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)主機(jī)有高速運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜圖形處理等能力。 按照主機(jī)功能等級(jí)不同,計(jì)算機(jī)可分為大中型機(jī)、小型機(jī)、工程工作站及微型機(jī)等檔次。2. 中央處理器 中央處理器簡(jiǎn)稱CPU,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心,包括運(yùn)算器和處理器兩部分。計(jì)算機(jī)所發(fā)生的全部動(dòng)作都受CPU 的控制。 運(yùn)算器主要完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算,是對(duì)信息加工和處理的部件,由進(jìn)行運(yùn)算的運(yùn)算器件和用來(lái)暫時(shí)寄存數(shù)據(jù)的寄存器、累加器等

26、組成。 控制器是對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”,根據(jù)事先給定的命令發(fā)出控制信息,使整個(gè)電腦指令執(zhí)行過(guò)程一步一步地進(jìn)行,用來(lái)協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。主要由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成?？刂破鞯闹饕δ?(1)從內(nèi)存中取出一條指令,并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。(2)對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試,并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào),以便啟動(dòng)規(guī)定的動(dòng)作。(3)指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/ 輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。3. 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器有內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。1)內(nèi)存儲(chǔ)器 內(nèi)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)CPU 工作程序、指令和數(shù)據(jù)。根據(jù)存儲(chǔ)信息的功能,內(nèi)存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Rand

27、om Access Memory,簡(jiǎn)稱RAM)、只讀存儲(chǔ)器(Read-only Memory,簡(jiǎn)稱ROM)和高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)。RAM 可以供CPU 隨意、不按順序地存取信息。 ROM 主要用于存儲(chǔ)啟動(dòng)引導(dǎo)程序和基本輸入輸出程序等,CPU 只能從中讀出信息。 為彌補(bǔ)高速CPU 與RAM 之間存儲(chǔ)速度的不匹配,可在CPU 或主板上分別加入一定容量的高速緩沖存儲(chǔ)器,在運(yùn)算處理時(shí),CPU 首先在Cache 中提取數(shù)據(jù),提高了讀寫(xiě)速度,克服了內(nèi)存讀寫(xiě)速度比微處理器慢的缺陷。2)外存儲(chǔ)器 內(nèi)存儲(chǔ)器中的一些信息斷電后即消失,要想將計(jì)算機(jī)處理的有用信息永久地保存起來(lái),要采用輔助的外存儲(chǔ)器。常用的外

28、存儲(chǔ)設(shè)備有：(1)磁盤(pán)存儲(chǔ)器。(2)磁帶存儲(chǔ)器。(3)光盤(pán)存儲(chǔ)器。(4)閃存存儲(chǔ)器。4. 輸入設(shè)備1)數(shù)字化儀(Digitizer)和圖形輸入板(Tablet) 數(shù)字化儀是一種常見(jiàn)的定位設(shè)備,其中全電子式坐標(biāo)數(shù)字化儀由于精度高,使用方便,得到普遍應(yīng)用。 圖形輸入板是一種在結(jié)構(gòu)和原理上都類似于坐標(biāo)數(shù)字化儀的輸入設(shè)備。2)鍵盤(pán)(Keyboard)鍵盤(pán)用來(lái)輸入字符、字符串或命令,字母數(shù)字鍵盤(pán)是最典型的設(shè)備。3)鼠標(biāo)(Mouse)常用的鼠標(biāo)有機(jī)械式和光電式兩種。4)掃描儀(Scanner) 掃描儀通過(guò)光電閱讀裝置,可快速將整張圖樣信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息輸入計(jì)算機(jī),可將人工繪制的圖樣轉(zhuǎn)換為CAD/ CAM

29、系統(tǒng)中的圖樣。5)數(shù)碼相機(jī)(Digital Camera)數(shù)碼相機(jī)為計(jì)算機(jī)真實(shí)圖象輸入提供了更為有效的手段。6)其他輸入設(shè)備 觸摸屏也是一種很有特點(diǎn)的輸入設(shè)備,能對(duì)物體觸摸位置產(chǎn)生反應(yīng),當(dāng)人的手指或其他物體觸摸到屏幕不同位置時(shí),計(jì)算機(jī)能接受到觸摸信號(hào)并按照軟件要求進(jìn)行相應(yīng)處理。5. 輸出設(shè)備1)顯示設(shè)備 顯示設(shè)備是顯示圖形效果的部件。 CRT 顯示器利用電磁場(chǎng)產(chǎn)生高速的、經(jīng)過(guò)聚焦的電子束,偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置轟擊屏幕表面的熒光材料,應(yīng)用三基色原理在熒光屏上產(chǎn)生可見(jiàn)圖形。其主要組成部分有:(1)陰極:當(dāng)它被加熱時(shí),發(fā)射電子。(2)控制柵:控制電子束的方向和速度。(3)加速機(jī)構(gòu):用以產(chǎn)生高速的電子

30、束。(4)聚焦系統(tǒng):保證電子束在轟擊屏幕時(shí),會(huì)聚成很細(xì)小的點(diǎn)。(5)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng):控制電子束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。(6)熒光屏:當(dāng)它被電子束轟擊時(shí),發(fā)出亮光。 CRT 顯示器的技術(shù)指標(biāo)主要有分辨率、點(diǎn)距、刷新頻率和帶寬等。 液晶顯示器(Liquid Crystal Display,簡(jiǎn)稱LCD)具有體積小、重量輕、省電、輻射低、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。 圖形顯示卡也叫顯示適配卡,簡(jiǎn)稱顯示卡,是CPU 與顯示器之間的接口,即視頻控制電路。 常用的輸出設(shè)備還有投影儀等。2)繪圖設(shè)備 常用的繪圖輸出設(shè)備也稱為硬拷貝設(shè)備,有打印機(jī)(Printer)和繪圖儀(Plotter)兩種。兩者都有單色型和彩色型。(1)打印機(jī)(Print

31、er)。打印機(jī)分為點(diǎn)陣式打印機(jī)、激光打印機(jī)和噴墨打印機(jī)三類。(2)繪圖儀(Plotter)。 噴墨繪圖儀是利用特制的換能器將帶電的墨水泵出,由聚焦系統(tǒng)將墨水滴微粒聚成一條射線,再由偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制噴嘴在打印紙上移動(dòng),并附著在圖紙上形成濃淡不一的各種單色或彩色圖形、圖像及文字符號(hào)。6. 通信與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)適配器(Network Adapter),又稱為網(wǎng)卡,它在計(jì)算機(jī)的管理下,按著某種約定協(xié)議,將計(jì)算機(jī)內(nèi)信息保存的格式與網(wǎng)絡(luò)線纜發(fā)送或接受的格式進(jìn)行雙向變換,控制信息傳遞及網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜和光纜。 為提高網(wǎng)絡(luò)性能,保證局域網(wǎng)內(nèi)、局域網(wǎng)之間或不同網(wǎng)絡(luò)之間能夠有效地傳輸信息,

32、在組建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí),一般還根據(jù)具體情況選用集線器(Hub)、調(diào)制解調(diào)器(Modem)、中繼器(Repeater)、網(wǎng)橋(Bridge)、路由器(Router)等互聯(lián)設(shè)備。 計(jì)算機(jī)軟件是指與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作有關(guān)的程序、規(guī)程及相關(guān)文檔資料等的總和,也可簡(jiǎn)單理解為各種程序及相關(guān)數(shù)據(jù)的總和。 在CAD/ CAM 系統(tǒng)中,根據(jù)執(zhí)行任務(wù)和編寫(xiě)對(duì)象的不同,計(jì)算機(jī)軟件可分為系統(tǒng)軟件、支撐軟件和專業(yè)應(yīng)用軟件三類。軟件系統(tǒng)層次關(guān)系如圖2-3 所示。一、軟件系統(tǒng)概述 系統(tǒng)軟件是使用、管理、控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序的集合,是用戶與計(jì)算機(jī)硬件的連接紐帶。系統(tǒng)軟件具有兩個(gè)特點(diǎn):一是通用性,不同領(lǐng)域的用戶都可以使用它,即多機(jī)通用

33、和多用戶通用;另一個(gè)是基礎(chǔ)性,即系統(tǒng)軟件是支撐軟件和應(yīng)用軟件的基礎(chǔ),應(yīng)用軟件要借助于系統(tǒng)軟件編制與實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)軟件的組成如圖2-4 所示,主要包括三個(gè)部分:管理和操作程序、維護(hù)程序和用戶服務(wù)程序。 常用的操作系統(tǒng)有UNIX、Windows、Linux 和Apple 公司的Mac OS X 等。 UNIX 操作系統(tǒng)是1969 年由美國(guó)AT&T 公司BELL 實(shí)驗(yàn)室利用與機(jī)器無(wú)關(guān)的C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的,它是一個(gè)多用戶、多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)。 Windows 操作系統(tǒng)是美國(guó)Microsoft 公司于1983 年推出的微機(jī)窗口系統(tǒng),之后版本不斷更新。 CAD/ CAM 系統(tǒng)的支撐軟件主要指那些直接支撐用戶進(jìn)行

34、CAD/ CAM 工作的通用性功能軟件。 按照功能可將支撐軟件分為圖形支撐軟件和CAD/ CAM/ CAE 軟件等。 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用領(lǐng)域CAD/ CAM 軟件主要有CATIA、NX、Pro/ ENGINEER、AutoCAD 等。專業(yè)應(yīng)用軟件是指針對(duì)用戶具體要求而開(kāi)發(fā)的軟件。二、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)1. 圖形核心系統(tǒng)(Graphics Kernel System,簡(jiǎn)稱GKS) 1977 年前聯(lián)邦德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織第一次出版了二維GKS 草案,以后不斷進(jìn)行修改、擴(kuò)充。1985 年8 月GKS 被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International tandardization Organization,簡(jiǎn)稱ISO)接受為

35、正式的ISO 標(biāo)準(zhǔn)。 GKS 包括了基本的圖形處理功能,采用邏輯工作站概念處理通行設(shè)備和圖形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備,引用了圖段概念來(lái)組織相互關(guān)聯(lián)的因素,給用戶提供分塊構(gòu)造圖形的手段。GKS 是二維圖形標(biāo)準(zhǔn),GKS-3D 是在GKS 基礎(chǔ)上擴(kuò)充而成的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。2. 程序員分層交互式圖形系統(tǒng)(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System,簡(jiǎn)稱PHIGS) PHIGS 是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1986 年公布的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 PHIGS 包含了下述三個(gè)方面的內(nèi)容:其一是向程序員提供控制圖形設(shè)備的圖形系統(tǒng)接口;其二,它的圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)組織,使多層

36、次的應(yīng)用模型能方便地應(yīng)用PHIGS 進(jìn)行描述;其三是提供了動(dòng)態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。 PHIGS 是具有高度動(dòng)態(tài)性、交互性的三維圖形軟件工具庫(kù),其最主要的特點(diǎn)是:(1)能夠在系統(tǒng)中高效率地描述應(yīng)用模型,迅速修改、繪制圖形的模型數(shù)據(jù)。(2)它在圖形設(shè)備之間提供了一種功能接口。(3)在圖形數(shù)據(jù)組織上,它建立了獨(dú)立于設(shè)備的中心結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)區(qū)和圖形檔案管理文件。(4)在圖形操作上,它建立了適應(yīng)網(wǎng)狀的圖形結(jié)構(gòu)模式的各種操作。(5)在圖素設(shè)置上,它既考慮三維、二維的結(jié)合,又考慮了矢量和光柵圖形的結(jié)合。 PHIGS 不僅包含圖形生成功能,還提供構(gòu)造對(duì)象幾何模型的功能,即建模功能。3. 計(jì)算機(jī)圖形接口(C

37、omputer Graphics Interface,簡(jiǎn)稱CGI) CGI 是第一個(gè)針對(duì)圖形設(shè)備的接口而不是應(yīng)用程序接口的交互式計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)。CGI的目標(biāo)是使應(yīng)用程序和圖形庫(kù)直接與各種不同的圖形設(shè)備相作用,使其在各種圖形設(shè)備上不經(jīng)修改就可以運(yùn)行,即在用戶程序和虛擬設(shè)備之間以一種獨(dú)立于設(shè)備的方式提供圖形信息的描述和通信。 CGI 規(guī)定了發(fā)送圖形數(shù)據(jù)到設(shè)備的輸出和控制功能,從圖形設(shè)備接收?qǐng)D形數(shù)據(jù)的輸入、查詢和控制功能。CGI 提供的功能集包括:(1)控制功能集。(2)獨(dú)立于設(shè)備的圖形對(duì)象輸出功能集。(3)圖段功能集。(4)輸入和應(yīng)答功能集。(5)產(chǎn)生、修改、檢索和顯示以像素?cái)?shù)據(jù)形式存儲(chǔ)的光柵功能

38、集。4. 計(jì)算機(jī)圖形文件(Computer Graphics Metafile,簡(jiǎn)稱CGM)自1980 年開(kāi)始,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)(American National Standards Institute,簡(jiǎn)稱ANSI)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織專門(mén)成立了標(biāo)準(zhǔn)化組著手CGM 標(biāo)準(zhǔn)的制定,并于1987 年正式成為ISO 標(biāo)準(zhǔn) CGM 分為四部分:第一部分是功能描述,包括元素標(biāo)識(shí)符、語(yǔ)義說(shuō)明以及參數(shù)描述;其余三部分為CGM 的三種編碼形式,即字符、二進(jìn)制數(shù)和明文編碼。 CGM 提供了圖形存檔的數(shù)據(jù)格式和一種以假脫機(jī)方式繪圖的圖形協(xié)議。5. 初始圖形交換規(guī)范(Initial Graphics Exchang

39、e Specification,簡(jiǎn)稱IGES) 1980 年,由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)主持成立了由波音公司和通用電氣公司參加的技術(shù)委員會(huì),制定了基本圖形交換規(guī)范IGES,并于1981 年正式成為美國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 IGES 定義了一套描述產(chǎn)品幾何屬性的數(shù)據(jù)格式及相應(yīng)的文件結(jié)構(gòu),其作用是在不同的CAD/ CAM 系統(tǒng)之間交換產(chǎn)品數(shù)據(jù)。IGES 的基本單元是實(shí)體(Entity),它們分為三類:幾何實(shí)體、描述實(shí)體和結(jié)構(gòu)實(shí)體。6. 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(Standard for Exchange Product Model Data,簡(jiǎn)稱STEP) 作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),STEP 提供了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的定義和交換的外部描述,

40、是一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制,能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的數(shù)據(jù)信息。 STEP 的產(chǎn)品模型對(duì)于生產(chǎn)制造、直接質(zhì)量控制測(cè)試和支持產(chǎn)品新功能的開(kāi)發(fā)提供了全面的信息。7. 在車身CAD 中其他常用的數(shù)據(jù)文件格式 DXF(Data Exchange Format)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用也很普遍。DWG 為AutoCAD 系統(tǒng)的圖形數(shù)據(jù)文件,DWG 雖然不是標(biāo)準(zhǔn),但由于AutoCAD 系統(tǒng)的普遍應(yīng)用,使得DWG 成為事實(shí)上的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。 美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼(American Standard Code for Information Interchange,簡(jiǎn)稱ASCII)是目前計(jì)算機(jī)中用得最廣泛的編碼和字符集

41、,是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)制定的,它已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),適用于所有拉丁文字字母,ASCII 碼有7 位碼和8 位碼兩種形式。車身CAD 中其他常用的數(shù)據(jù)文件還有:快速成型文件格式: *. STL(Stereo Lithography);Parasolid 文件格式: *. x_t;CATIA V4 文件格式:*. model,*. session 等;CATIA V5 文件格式:*. CATPart,*. CATDrawing,*. CATProduct,*. CATAnalysis 等;NX 文件格式:*. prt;Pro/ ENGINEER 文件格式:*. prt. ?;Alia

42、s 文件格式:*. wire;Imageware 文件格式:*. imw;AutoCAD 文件格式有:*. dwg,*. dxf 等。1. 車身CAD 系統(tǒng)對(duì)硬件的主要要求1)強(qiáng)大的圖形處理和人機(jī)交互功能2)需要有足夠大的外存儲(chǔ)容量3)良好的通信網(wǎng)絡(luò)功能2. 車身CAD 系統(tǒng)對(duì)軟件的主要要求(1)運(yùn)行在成熟可靠的系統(tǒng)平臺(tái),軟件性價(jià)比高,軟件本身性能穩(wěn)定。(2)有良好的用戶界面及交互能力。(3)有優(yōu)良的幾何造型和繪圖功能。(4)有優(yōu)良的二次開(kāi)發(fā)工具。(5)有良好的開(kāi)放性。(6)有比較完善的CAD/ CAM/ CAE 一體化集成功能。3. 車身CAD 系統(tǒng)的應(yīng)用情況 目前廣泛應(yīng)用于車身CAD 系統(tǒng)

43、的三維設(shè)計(jì)軟件,例如CATIA、NX 等,都是在汽車、航空航天和船舶等機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用了幾十年的成熟的軟件。 早期的車身CAD 系統(tǒng)都是運(yùn)行在工作站及其以上水平的計(jì)算機(jī)平臺(tái),基于UNIX 操作系統(tǒng),提供良好的應(yīng)用界面和交互能力。20 世紀(jì)90 年代中期,由于高性能的微機(jī)逐漸占有CAD硬件平臺(tái)的較大份額,及Windows 操作系統(tǒng)的廣泛使用,因此CATIA、NX 等大型三維設(shè)計(jì)軟件也開(kāi)發(fā)了基于Windows 操作系統(tǒng)的版本,現(xiàn)在已經(jīng)得到迅猛的發(fā)展,并且占據(jù)了絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額。圖2-5 是PLM World 在2002 年做的關(guān)于CAD 使用操作系統(tǒng)的抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)圖。圖2-6 是PLM World

44、在2002 年做的CAD 軟件的應(yīng)用比例抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)圖 而到了2009 年,由于各大公司之間的并購(gòu),CAD 軟件的應(yīng)用比例發(fā)生了很大的變化。圖2-7 所示為RevitCommunity 2009 年做的調(diào)查統(tǒng)計(jì)。 目前,常用的車身CAD 系統(tǒng)都能夠很好地實(shí)現(xiàn)全三維、數(shù)字化的車身設(shè)計(jì)。圖2-8 是轎車車身外表面CAD 曲面模型。圖2-9 是車身外表面CAD 線框模型。 盡管車身CAD 系統(tǒng)給工程設(shè)計(jì)人員提供了廣闊的虛擬開(kāi)發(fā)空間,但目前的車身CAD 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能,還不能完全代替所有的車身開(kāi)發(fā)樣車、試驗(yàn)等全過(guò)程,現(xiàn)在普遍運(yùn)用的是模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的開(kāi)發(fā)過(guò)程。一、位置矢量一條用參數(shù)表示的三維曲線是一

45、個(gè)有界點(diǎn)集,可寫(xiě)成一個(gè)帶參數(shù)的、連續(xù)的、單值的數(shù)學(xué)函數(shù),其形式為: 如圖3-1 所示,曲線上任一點(diǎn)的位置矢量可表示為: ,其一階、二階和 階導(dǎo)數(shù)矢量(如果存在的話)可分別表示為:二、切矢量若曲線上 兩點(diǎn)的參數(shù)分別是t 和t + t,矢量P = P(t + t) - P(t),其大小以連接RQ 的弦長(zhǎng)表示。如果在R 處有確定的切線,則當(dāng)Q 趨向于R,即t0 時(shí),導(dǎo)數(shù)矢量趨向于該點(diǎn)的切線方向。如選擇弧長(zhǎng)s 作為參數(shù),則 是單位矢量。因?yàn)?根據(jù)弧長(zhǎng)微分公式有:引入?yún)?shù)t,上式可改寫(xiě)為:考慮到矢量的模非負(fù),所以:故弧長(zhǎng)s 是t 的單調(diào)增函數(shù),其反函數(shù)t(s)存在,且一一對(duì)應(yīng),得:于是:即T 是單位切矢

46、量。三、法矢量 對(duì)于空間參數(shù)曲線任意一點(diǎn),所有垂直切矢量T 的矢量有一束,且位于同一平面上,該平面稱為法平面。若曲線上任一點(diǎn)的單位切矢為T(mén),因?yàn)門(mén)(s)2 =1,兩邊對(duì)s 求導(dǎo)矢得: 可見(jiàn), 是一個(gè)與T 垂直的矢量。與 平行的法矢稱為曲線在該點(diǎn)的主法矢,主法矢的單位矢量稱為單位主法矢量,記為N。矢量積B = T N 是第三個(gè)單位矢量,它垂直于T 和N。把平行于矢量B 的法矢稱為曲線在該點(diǎn)的副法矢,B 則稱為單位副法矢量。對(duì)于一般參數(shù)t,我們可以推導(dǎo)出: 單位切矢T、單位主法矢N 和單位副法矢B 構(gòu)成了曲線上的活動(dòng)坐標(biāo)架,且N、B 構(gòu)成的平面稱為法平面,N、T 構(gòu)成的平面稱為密切平面,B、T 構(gòu)

47、成的平面稱為從切平面。當(dāng)參數(shù)連續(xù)變化時(shí),該活動(dòng)坐標(biāo)架就連續(xù)發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn),成為曲線上的一個(gè)活動(dòng)坐標(biāo)系,稱為弗朗內(nèi)特(Frenet)活動(dòng)標(biāo)架(或弗朗內(nèi)特標(biāo)架),如圖3-2 所示。四、曲率與撓率我們已經(jīng)知道 與N 平行,令T(s) = kN, 為切矢T(s)和T(s + s)間的夾角,稱為曲率。曲率的幾何意義是曲線的單位切矢對(duì)弧長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)率。如圖3-3a)所示,與主法矢同向指向曲線凹的一方。 恒為正,故又稱為絕對(duì)曲率。對(duì)于空間以弧長(zhǎng)為參數(shù)的曲線r (s) 來(lái)說(shuō),曲率曲率的倒數(shù) ,稱為曲率半徑。沿曲線上某點(diǎn)的主法線方向與該點(diǎn)距離為曲率半徑的一點(diǎn)稱為曲率中心。密切平面上以曲率中心為圓心曲率半徑為半徑的圓

48、稱為密切圓。 又B(s)T(s) =0,兩邊對(duì)s 求導(dǎo)矢得:B(s)T(s) + B(s)T(s) =0,將T = kN 代入上式,并注意到B(s)N(s) =0,得到:B(s)T(s) =0,因?yàn)锽(s)2 =1,所以兩邊對(duì)s 求導(dǎo)得到:B(s)B(s) =0。 可見(jiàn),B(s)既垂直于T(s),又垂直于B(s),故有B(s) / / N(s),再令B(s) = - N(s),圖3-3曲線的曲率和撓率 稱為撓率。因?yàn)?為副法矢B(s)和B(s + s)間的夾角,所以撓率的絕對(duì)值等于副法矢(或密切平面)對(duì)于弧長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)率,如圖3-3b)所示。撓率大于0、等于0 和小于0 分別表示曲線為右旋空間曲線

49、、平面曲線和左旋空間曲線。對(duì)于一般參數(shù),曲率 和撓率 的計(jì)算公式為五、連續(xù)性 曲線間連接的光滑度的度量有兩種:一種是函數(shù)的可微性,把參數(shù)曲線構(gòu)造成在連接處具有直到n 階連續(xù)導(dǎo)矢,即n 階連續(xù)可微,這類光滑度稱之為Cn 或n 階參數(shù)連續(xù)性。另一種稱為幾何連續(xù)性,組合曲線在連接處滿足不同于Cn 的某一組約束條件,稱為具有n 階幾何連續(xù)性,簡(jiǎn)記為Gn 。這兩種曲線光滑度的度量方法并不矛盾,Cn 連續(xù)包含在Gn 連續(xù)之中。 下面我們來(lái)討論兩條曲線的連續(xù)問(wèn)題。如圖3-4 所示,對(duì)于兩條曲線P(t)和Q(t),參數(shù)t0,1。 若要求在結(jié)合處達(dá)到G0 連續(xù)或C0 連續(xù),即兩曲線在結(jié)合處位置連續(xù): 若要求在結(jié)

50、合處達(dá)到G1 連續(xù),則兩條曲線在結(jié)合處滿足G0 連續(xù)的條件下,還要有有公共的切矢:當(dāng) 時(shí),G1 連續(xù)就成為C1 連續(xù)。若要求在結(jié)合處達(dá)到G2 連續(xù),就是說(shuō)兩條曲線在結(jié)合處在滿足G1 連續(xù)的條件下,并有公共的曲率矢:代入(3-12)得:這個(gè)關(guān)系式為:、 為任意常數(shù)。當(dāng) =1, =0 時(shí),G2 連續(xù)就成為C2 連續(xù)。 實(shí)際上,保證兩條曲線G0 階連續(xù)的充要條件是:Q(0) = P(1),即是P(t)的終點(diǎn)坐標(biāo)與Q(t)的始點(diǎn)坐標(biāo)重合。 保證兩條曲線G1 階連續(xù)的充要條件是:除了滿足兩條曲線保證G0 階連續(xù)的條件外,還要在連接點(diǎn)處有 保證空間兩條曲線G2 階連續(xù)的充要條件是:除了滿足兩條曲線保證G1

51、 階連續(xù)的條件外,還要在連接點(diǎn)處有 或者保證曲線G2 階連續(xù)的充要條件為:除了滿足兩條曲線保證G1 階連續(xù)的條件外,還要連接點(diǎn)處有相同的曲率k 和單位主法矢N。因?yàn)樵谶B接點(diǎn)處已有相同的單位切矢T,又由于單位副法矢B = T N,因此在連接處還要滿足兩個(gè)條件:副法矢同向和曲率相等。 圖3-5 是曲線的幾種連續(xù)性情況的示意圖。 我們還能夠看到,如果兩曲線段在公共點(diǎn)處是Cn 連續(xù)的,則它們也必然是Gn 連續(xù)的,但反過(guò)來(lái)不一定成立。如果兩曲線段在公共點(diǎn)處是Gn 連續(xù)的,則總可以經(jīng)重新參數(shù)化,使它們?cè)诠颤c(diǎn)處是Cn 連續(xù)的。一、三次樣條曲線 樣條(Spline)原是一種制圖工具,用塑料或其他材料做成的細(xì)

52、長(zhǎng)條,容易彎曲。通過(guò)圖樣確定一系列關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn),把被稱為鴨鐵(Ducks)的重物在適當(dāng)?shù)奈恢脡鹤訔l,設(shè)計(jì)人員再通過(guò)設(shè)計(jì)點(diǎn)的樣條作向?qū)?可畫(huà)出一條光滑的曲線。對(duì)于任意一組能形成一條光滑曲線的n 個(gè)點(diǎn),都能畫(huà)出一條光滑的曲線。畫(huà)出的光滑曲線的曲率變化速率是漸進(jìn)的,而且沒(méi)有扭結(jié)。 由材料力學(xué)的原理可知,一條細(xì)梁在兩端受到彎矩作用下,必然引起彎曲變形。將一條彈性長(zhǎng)條細(xì)梁(即樣條)的某些點(diǎn)固定于已知點(diǎn)(即型值點(diǎn)),它就自然形成一條曲線,這就是用樣條來(lái)擬合的方法。如將樣條簡(jiǎn)化為彈性細(xì)梁,必定滿足力學(xué)中曲率的Euler 公式:曲率的計(jì)算公式為: 此方程是一個(gè)非線性方程。如果在每個(gè)點(diǎn)之間彎曲得不劇烈,即在所選

53、定的直角坐標(biāo)系中y 1(即小撓度)的情況下,可以忽略y的影響,從而有: 由于兩個(gè)固定點(diǎn)之間沒(méi)有外力作用,因此M( )是線性函數(shù),兩固定點(diǎn)之間的樣條曲線是三次多項(xiàng)式,整個(gè)樣條就是分段的三次多項(xiàng)式。在連接處由于M( )的連續(xù)性,所以其二階導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的。 如圖3-6 所示,設(shè)有型值點(diǎn)序列 來(lái)構(gòu)造三次樣條曲線。樣條曲線函數(shù) 處的函數(shù)值、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)分別為: 在區(qū)間 的二階導(dǎo)數(shù)是線性的,如圖3-7 所示。 當(dāng)i 取值1,2,到n -1 時(shí),可得到n -1 個(gè)形如式(3-33)的方程,但是未知數(shù)Mi ,即二階導(dǎo)數(shù)卻有n +1 個(gè),即M0,M1,Mn 。如果要有唯一的定解,則必須再附加兩個(gè)方程。通常按

54、實(shí)際問(wèn)題的具體情況,在樣條兩端,即P0 和Pn 處給出約定條件,常用的邊界條件有: 將式(3-33)和兩個(gè)附加等式(3-34)、(3-35)聯(lián)立在一起可得到有定解的線性方程組。其矩陣形式為:(2)給定兩端的二階導(dǎo)數(shù)則有等式:此時(shí)式(3-36)中的如果yn = y0 =0,則稱為自然插值三次樣條函數(shù)。(3)如果取M1 = M0,Mn = Mn -1,從式(3-28)可以看出,此情況下樣條的第一段和最末一段是拋物線,這就是拋物端邊界條件。二、三次參數(shù)樣條曲線 前邊所述三次樣條曲線在工程應(yīng)用上有一個(gè)限制,即曲線小撓度情況。在非小撓度情況下,樣條函數(shù)曲線變壞,甚至不能使用。有時(shí),可以將大撓度情況經(jīng)過(guò)旋

55、轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變成小撓度情況。但有時(shí)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸也不可能解決小撓度條件,如封閉曲線情況。所以,用三次樣條函數(shù)表示的插值曲線,依賴于坐標(biāo)系的選擇,不具有幾何不變性。 在這種情況下,最常用的處理方法之一是將曲線參數(shù)化,即將曲線上的點(diǎn)的坐標(biāo)分別用某種參數(shù)表示: 式中t 為參數(shù)。在曲線的參數(shù)表達(dá)式中,常取曲線內(nèi)在的量弧長(zhǎng)作為參數(shù),它與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)。若將t 取作弧長(zhǎng)s,則x 、y 和z 作為分量,dx / ds,dy / ds 和dz / ds 都不會(huì)大于1,在(x,s),(y,s)和(z,s)平面上各構(gòu)造一個(gè)三次樣條函數(shù): 這是一條代數(shù)形式的三次曲線。當(dāng)曲線上的點(diǎn)比較密集時(shí),弦長(zhǎng)之和近似于弧長(zhǎng),如果取弦長(zhǎng)作為參

56、數(shù),也能滿足小撓度條件。于是取累加弦長(zhǎng)作為三次參數(shù)樣條曲線的參數(shù)。設(shè)給定n +1 個(gè)點(diǎn) 相鄰點(diǎn)之間的弦長(zhǎng)為: 的幾何意義是累加弦長(zhǎng),它近似等于弧長(zhǎng)參數(shù)。在每一個(gè) 點(diǎn)處,都有一個(gè)確定的 與之對(duì)應(yīng), 的每一個(gè)坐標(biāo) 和 也與 一一對(duì)應(yīng)。構(gòu)造了三個(gè)三次樣條參數(shù)( ),( )和( ), 這種以累加弦長(zhǎng)作為參數(shù)表示的曲線稱為累加弦長(zhǎng)三次參數(shù)樣條曲線。用矢量形式表示為:三、弗格森曲線 20 世紀(jì)60 年代,美國(guó)波音公司的弗格森(J. C. Ferguson)首先引入?yún)?shù)三次方程,用于在飛機(jī)設(shè)計(jì)中進(jìn)行曲線和曲面的定義。 下面討論參數(shù)樣條曲線的某一段,并用端點(diǎn)及端點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)來(lái)表達(dá)出這段曲線的方程。設(shè)參數(shù)為u,第

57、段曲線對(duì)應(yīng)的參數(shù)范圍為 ,在0,1區(qū)間上對(duì)應(yīng)于兩個(gè)端點(diǎn)型值點(diǎn)的函數(shù)值及一階導(dǎo)數(shù)值分別為r(0)、r(1)、r(0)、r(1)。則插值函數(shù)對(duì)任一坐標(biāo)分量有:切矢為: 將四個(gè)已知條件代入以上兩式,可解得四個(gè)系數(shù) ,再將求得的系數(shù)代回上式,則得曲線的方程為: 我們稱F0(u)、F1(u)、G0(u)、G1(u)為埃爾米特(Hermite)基函數(shù)。F0 與F1 專門(mén)控制端點(diǎn)的函數(shù)值對(duì)曲線形態(tài)的影響,G0 和G1 專門(mén)控制端點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)對(duì)曲線形態(tài)的影響?；蛘哒f(shuō),F0和G0 控制著曲線一端的影響,F1 和G1 控制曲線另一端的影響,該曲線也叫弗格森曲線。曲線的矩陣表示形式是:四、孔斯曲面 同在20 世紀(jì)6

58、0 年代,美國(guó)麻省理工學(xué)院的孔斯(S. A. Coons)提出了一種曲面分片,最后拼接造型方法,也可以看成是三次參數(shù)樣條曲線的張量積形式。 埃爾米特基函數(shù)F0、F1、G0、G1 在孔斯曲面的生成和表示中起著重要的作用,它們的功能是將給定的四個(gè)端點(diǎn)矢量加權(quán)平均而產(chǎn)生一條曲線段,或者把四條給定的邊界曲線“混合”起來(lái)生成一張曲面。一次埃爾米特基函數(shù)也有權(quán)函數(shù)、調(diào)配函數(shù)或混合函數(shù)的名稱。 空間曲面可以用定義在單位正方形區(qū)域的雙參數(shù)函數(shù)予以表示:C 稱為角點(diǎn)信息矩陣。 矩陣C 的元素排列非常對(duì)稱整齊,可以分成四組。左上角代表四個(gè)角點(diǎn)的位置矢量,左下角和右上角代表邊界曲線在四個(gè)角點(diǎn)處的u 方向和 方向的切

59、矢量。這三塊幾何意義是非常明顯的。由于曲面的四條邊界曲線都是三次參數(shù)曲線段,它們的位置和形狀也毫不相干,調(diào)圖3-8孔斯曲面的示意圖整扭矢只會(huì)造成曲線內(nèi)部形狀變化,難以控制曲面的形狀。當(dāng)取所有的角點(diǎn)扭矢為0 時(shí),曲面(3-47)就變成弗格森曲面,其特點(diǎn)是頂點(diǎn)附近變得相當(dāng)平坦,造型并不理想。 曲面的內(nèi)部形狀與角點(diǎn)扭矢之間的關(guān)系究竟如何,不易掌握,造型時(shí)如何應(yīng)用扭矢改變曲面形狀也是一個(gè)難題, 所以,這也限制了孔斯曲面的應(yīng)用。 圖3-8 是孔斯曲面的示意圖。一、貝齊爾曲線1. 貝齊爾曲線的定義 給定空間n +1 個(gè)控制頂點(diǎn)P0,P1,Pn (或稱為貝齊爾點(diǎn)),借助于一組伯恩斯坦(Bernstein)

60、基函數(shù) ,其中C( )是組合數(shù), 是貝齊爾曲線次數(shù),i 是頂點(diǎn)標(biāo)號(hào),可以定義一條曲線: 該曲線稱為n 次貝齊爾曲線。次數(shù)n 是指曲線伯恩斯坦基函數(shù)的最高次數(shù),也稱為名義次數(shù)。在空間條件下曲線的表達(dá)式為:因此貝齊爾曲線的分量形式寫(xiě)成:對(duì)于n =3 時(shí),由定義可得:由圖3-9 可知,附近影響最大,附近附近影響最大,而處附近影響最大。當(dāng)u =0,P(0) = P0,P0 決定曲線起點(diǎn),同時(shí)通過(guò)B0,3(u)主要影響控制在u =0 附近的曲線形狀。 當(dāng)u =1,P(1) = P3,P1 決定曲線終點(diǎn),同時(shí)通過(guò)B3,3 (u)主要影響控制在u =1 附近的曲線形狀。 P1 則通過(guò)B1,3(u)對(duì)u =