20世纪70年代后期以来,一个以计算机辅助设计技术为代表的新的技术改革浪潮席卷了全世界,它不仅促进了计算机本身性能的提高和更新换代,而且几乎影响到全部技术领域,冲击着传统的工作模式。以计算机辅助设计这种高技术为代表的先进技术已经、并将进一步给人类带来巨大的影响和利益。计算机辅助设计技术的水平成了衡量一个国家工业技术水平的重要标志。

    计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力,辅助知识劳动者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。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。计算机辅助设计技术的发展是与计算机软件、硬件技术的发展和完善,与工程设计方法的革新紧密相关的。采用计算机辅助设计已是现代工程设计的迫切需要。

CAD技术的应用

    CAD技术目前已广泛应用于国民经济的各个方面,其主要的应用领域有以下几个方面。

1.制造业中的应用
    CAD技术已在制造业中广泛应用,其中以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等制造业应用最为广泛、深入。众所周知,一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个主要阶段。同时,现代设计技术将并行工程的概念引入到整个设计过程中,在设计阶段就对产品整个生命周期进行综合考虑。当前先进的CAD应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统内。现在较常用的软件有UG II、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD应用系统,这些系统主要运行在图形工作站平台上。在PC平台上运行的CAD应用软件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各种因素,目前在二维CAD系统中Autodesk公司的AutoCAD占据了相当的市场。


2.工程设计中的应用
    CAD技术在工程领域中的应用有以下几个方面:
(1)建筑设计,包括方案设计、三维造型、建筑渲染图设计、平面布景、建筑构造设计、小区规划、日照分析、室内装潢等各类CAD应用软件。
(2)结构设计,包括有限元分析、结构平面设计、框/排架结构计算和分析、高层结构分析、地基及基础设计、钢结构设计与加工等。
(3)设备设计,包括水、电、暖各种设备及管道设计。
(4)城市规划、城市交通设计,如城市道路、高架、轻轨、地铁等市政工程设计。
(5)市政管线设计,如自来水、污水排放、煤气、电力、暖气、通信(包括电话、有线电视、数据通信等)各类市政管道线路设计。
(6)交通工程设计,如公路、桥梁、铁路、航空、机场、港口、码头等。
(7)水利工程设计,如大坝、水渠、河海工程等。
(8)其他工程设计和管理,如房地产开发及物业管理、工程概预算、施工过程控制与管理、旅游景点设计与布置、智能大厦设计等。


3.电气和电子电路方面的应用
    CAD技术最早曾用于电路原理图和布线图的设计工作。目前,CAD技术已扩展到印刷电路板的设计(布线及元器件布局),并在集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的设计制造中大显身手,并由此大大推动了微电子技术和计算及技术的发展。


4.仿真模拟和动画制作
    应用CAD技术可以真实地模拟机械零件的加工处理过程、飞机起降、船舶进出港口、物体受力破坏分析、飞行训练环境、作战方针系统、事故现场重现等现象。在文化娱乐界已大量利用计算机造型仿真出逼真的现实世界中没有的原始动物、外星人以及各种场景等,并将动画和实际背景以及演员的表演天衣无缝地合在一起,在电影制作技术上大放异彩,拍制出一个个激动人心的巨片。


5.其他应用
    CAD技术除了在上述领域中的应用外,在轻工、纺织、家电、服装、制鞋、医疗和医药乃至体育方面都会用到CAD技术。

CAD技术的发展历程


    计算机辅助设计主要是用于研究如何用计算机及其外围设备和图形输入输出设备来帮助人们进行工程和产品设计的技术,它是随着计算机及其外围设备、图形设备以及软件技术的发展而发展的。在CAD技术的发展历程中主要经历了以下几个时期。


1.准备和诞生时期(20世纪50年代-60年代)
    1950年,美国麻省理工学院研制出WHIRLWIND 1(旋风1)计算机的一个配件--图形显示器。1958年,美国Calcomp公司研制出由数字记录仪发展成的滚筒式绘图机,美国GerBer公司把数控机床发展成平板式绘图机。20世纪50年代,计算机由电子管组成,用机器语言编程,主要用于科学计算,图形设备仅仅具有输出功能,CAD技术处于酝酿和准备阶段。20世纪50年代末,美国麻省理工学院在WHIRLWIND计算机上开发了SAGE战术防空系统,第一次使用了具有指挥功能和控制功能的阴极射线管CRT(Cathode Ray Tube),操作者可以用光笔在屏幕上确定目标。它预示着交互式图形生成技术的诞生,为CAD技术的发展作了必要的准备。


2.蓬勃发展和进入应用时期(20世纪60年代)
    20世纪60年代初,美国麻省理工学院的博士生Ivan Sutherland研制出世界上第一台利用光笔的交互式图形系统SKETCHPAD。但在20世纪60年代,由于计算机及图形设备价格昂贵,技术复杂,只有一些实力雄厚的大公司才能使用这一技术。作为CAD技术的基础,计算机图形学在这一时期得到了很快的发展。20世纪60年代中期出现了商品化的CAD设备,CAD技术开始进入了发展和应用阶段。


3.广泛应用时期(20世纪70年代)
    20世纪70年代推出了以小型机为平台的CAD系统。同时,图形软件和CAD应用支撑软件也不断充实提高。图形设备,如光栅扫描显示器、图形输入板、绘图仪等相继推出和完善。于是,20世纪70年代出现了面向中小企业的CAD商品化系统。


4.突飞猛进时期(20世纪80年代)
    20世纪80年代,大规模和超大规模集成电路、工作站和RISC(精简指令集计算机)等的出现使CAD系统的性能大大提高了一步。与此同时,图形软件更趋成熟,二维、三维图形处理技术,真实感图形技术以及有限元分析,优化,模拟仿真,动态景观,科学计算可视化等方面都已进入实用阶段。包括CAD/CAE/CAM一体化的综合软件包使CAD技术又上了一个层次。


5.日趋成熟的时期(20世纪90年代)
    这一时期的发展主要体现在以下几个方面:CAD标准化体系进一步完善;系统智能化成为又一个技术热点;集成化成为CAD技术发展的一大趋势;科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术是20世纪90年代CAD技术发展的新趋向。

CAD软件技术的发展历程


1.机械行业中的CAD软件技术的发展历程

(1)第一次CAD技术创新--曲面造型技术
    20世纪70年代,为解决飞机和汽车制造中遇到的大量的自由曲面问题,出现了贝塞尔算法,使人们利用计算机处理曲线及曲面问题变得可行,同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者能在二维绘图系统CAD/CAM的基础上,开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法,推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现,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,首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息,同时也使得CAM技术的开发有了实现的基础。
(2)第二次CAD技术创新--实体造型技术
    基于对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。由于实体造型技术能够精确表达零部件的全部属性,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,它代表着未来技术的发展方向。
3)第三次CAD技术创新--参数化技术
    进入20世纪80年代中期,CV公司内部以高级副总裁为首的人员提出了一种比无约束造型更新颖、更好的算法--参数化实体造型方法。从算法来说,它主要有以下特点:基于特征的设计、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。由于CV公司内部否决了参数化技术方案,研究参数化技术的人员在新思想无法实现时集体离开了CV公司,另成立一个参数化技术公司(PTC),开始研制命名为Pro/ENGINEER的参数化软件。20世纪90年代,参数化技术变得成熟起来,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。
(4)第四次CAD技术创新--变量化技术
    SDRC公司以参数化技术为蓝本,提出了一种比参数化技术更先进的实体造型技术--变量化技术。变量化技术既保持了参数化技术的优点,同时又克服了它的许多不足之处,变量化技术的成功应用,为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。同时,SDRC公司的I-DEAS成为美国福特汽车公司首选的CAD/CAM软件。

2.工程设计行业中的CAD软件技术的发展历程


(1)伟大的尝试--二维通用绘图软件
    20世纪60年代末至70年代初,还没有为建筑设计服务的专门的CAD软件。他们所具有的基本特征只是通用的图形处理能力,而且主要是二维图形绘制及标注尺寸和符号等功能,可用于以图形表达设计意图的较广泛的领域。


(2)真正的起步--二维建筑绘图软件
    进入20世纪70年代,计算机硬件性能和计算机图形学有了很大的发展。建筑设计人员与软件设计人员密切配合,促使专业化的CAAD(计算机辅助建筑设计)软件诞生,这可以称为第一代CAAD软件。值得指出的是,美国的通用绘图软件AutoCAD在建筑设计领域一直得到广泛的应用。


(3)长足的飞跃--三维建筑模型软件
    从20世纪80年代中期至20世纪90年代,在CAAD辅助绘图取得人们承认和接受后,实现了向更高层次的飞跃,诞生了第二代CAAD软件--三维建筑模型软件。三维建筑模型软件的研制思路是让建筑师在计算机上借助于三维模型进行设计构思,把三维的建筑设计方案与二维的成图过程串联起来工作,以三维模型为核心控制全局,充分发挥计算机的特点和优势,进行工程设计。

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