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第十三章:现代设计理论和方法—CAD/CAE

内CAD软件

       国外CAD软件

       CAD/CAE/CAM软件选型(以汽车工业为例) 

       CAD/CAE 软件的基本功能(以Pro/Engineering为例)

      

 

  参数化CAD 技术的发展

传统的CAD技术都是用尺寸值定义几何元素,输入的每一条线都有确定的位置,要想修改图形,必须删除原有线条后重画。但是,设计时不可避免的要修改图形,同时对于系列产品设计,则要求同一类产品具有不同的结构尺寸,包括装配图和零件图。

因此,八十年代,发展参数化CAD技术。早期的参数化CAD技术基本上是通过编程方法实现的,这种参数化方法既复杂,又不方便,而且要求设计师熟悉编程技术。

CAD 技术的进一步发展是三维实体造型技术。

80年代,基于体素造型的实体造型技术已进入实用化阶段。为了实现三维实体造型的参数化,出现了以参数化﹑变量化﹑特征设计为基础的新一代三维实体造型软件PRO/ENGINEER。

然而,这种参数化设计技术主要是针对二维轮廓进行的,它还不是工程图。虽然许多三维系统可以通过投影直接生成二维图形,但是它离最终的工程图纸的要求还差得很远。特别是尺寸,它可以通过投影控制特征参数在二维图形上的投影,但却无法对工程图的最终尺寸进行真正的参数化设计。

  T-FLEX CAD系统的参数化结构原理

    T-FLEX CAD参数化系统的核心是按模块化原则建立的。每一个模块都具有一定的功能。整个核心的任务是控制设计模型。

结构图素 形成了模型几何形状的“骨架”,它是建立最终图形的基础。这也正是它与其他CAD 系统不同之处。后者的基本图素是实线(图形线)- 线段,尺寸,文本等。在T-FLEX 中,它们是第二位的,而结构图素(辅助图素)才是基本的。

结构图素有结构线和结点。结构线包括无限长的直线,圆,椭圆,样条曲线,由公式给定的曲线,以及某些特殊曲线。其实,这种基于结构线的设计原理,尽管与传统的CAD 方法不同,但是却符合设计人员用手工设计时的习惯和方法,即先画草图,然后用实线加粗,很容易为他们接受。

参数化模型的另外一个特点是,当用一定方法建立起结构图素后,这一方法也和图素一起被保存下来了,并且成为以后修改模型参数的基础。其他CAD 系统中不同的绘图方法只有在建立图形时才用到,而在以后的绘图中不予考虑。保存建立结构图素的“历史”及与其相关建立的图素之间的联系是模型关联性的基础。

变量 – 这是T-FLEX 参数化模型的一个关键图素。结构图素之间参数联系的数值关系既可用数值常数,也可用变量设定。变量有两种类型:实数变量和文本变量。在设定模型图素的任何参数时都可以用变量,这是本系统与其他CAD系统数据表达的传统模型之间另一个重要区别。

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 由参数化核心模块图可看出,模型图素参数转换模块是该核心的主要模块。它可以保证支持模型的完整性;当使用变量作为参数时,置换变量值;在修改其他图素的参数时支持模型图素的真实性;在设定图素之间的关系时保证不发生递归错误。

由于T-FLEX 使用了参数化几何核心,因而可以解决用其他CAD 系统很难甚至不可能解决的许多问题。

参数化几何核心不仅支持结构图素的参数化,而且支持其他类型图素的参数化,例如:文本﹑尺寸﹑粗糙度﹑形位公差等,同时也支持装配图的参数化。

   使用变量可以解决下列问题

当模型中有多次重复使用的参数图素时,可以使用同一数值的图素。例如,图中有几个相同直径的孔,那么,只需用变量设置其中一个孔的直径,而其他孔的直径也用这个变量表示即可;

可以由不同的变量组成表达式。表达式可以很复杂,包括数学表达式和逻辑表达式,从而可以实现结构的设计计算与图形之间的直接关联,提高设计效率,获得最佳的设计;

可以实现表格的变量化。表达式中可以包括按不同条件由表格取值的函数;

可以在本系统与其他应用程序之间交换数据,这是借助于传递变量值进行的;

可以解决设计中的《反求任务》,即:为了使某一参数取给定的数值,应当怎样改变与其相关的变量值?为此,系统提供了专用函数;

借助于模型间变量值的传递可以建立参数化的装配图;

可以实现模型或机构的动态模拟。

  T-FLEX CAD系统的参数化三维模型

 T-FLEX 的三维实体模型是以参数化二维投影图(即工程设计图)为基础建立的,这也是该系统的突出特点。

T-FLEX 系统建立三维模型的思路首先是基于二维视图的投影关系,而正确地和唯一地确定投影关系的关键图素是“三维结点”。

三维结点是以二维视图为依据,正是通过三维结点唯一地将二维模型与三维模型联系起来。

因此,只要有了二维工程图,就可以生成三维模型。二维图形的任何修改必定会导致三维模型的相应改变。同时,也可以由三维模型获得二维投影图,因此T-FLEX 系统中二维视图与三维模型之间建立了“可逆的”转换关系。

 

 

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   T-FLEX CAD系统的独特功能

     T-FLEX CAD系统是基于特征的二维及三维参数化CAD系统,在设计的整个过程中,图形的约束关系是以几何关系﹑代数表达式和逻辑表达式为基础。可以采用两种作图模式,即:约束模式和非约束模式。前者使用结构线(或称辅助线)实现图形图素间的几何约束,也称为关联作图方式,后者作出的图形图素间无几何约束关系,类似于传统的CAD系统作图方式,例如AUTOCAD系统,可称为自由作图方式。

T-FLEX CAD系统采用参数化和变量化手段建立图形。无须懂得编程技术就可设计复杂而精确的几何结构。可以由二维工作图方便地生成与ACIS 兼容的三维实体模型。如果用户已掌握了二维作图技术,利用本系统既可得到二维图形,也可得到三维图形。1989年以来,T-FLEX CAD系统是国际上少数几个基于特征的参数化设计系统之一。

当需要经常更改设计对象时,使用 T-FLEX CAD系统是最佳选择。一幅参数化的T-FLEX CAD图形可以变为数百幅形状类似或完全不同的图形,每一幅新图可以在数秒钟之内完成,包括与图形有关的各种文本文件。T-FLEX CAD系统在图形设计和修改方面的方便性和灵活性是传统的CAD系统无法相比的,它具有易变性和柔性,因此可称为“全柔性CAD系统”。如果需要实体模型,通过简单的建立三维实体的操作,就可以由二维图形生成三维图形,并得到目前工程上流行的ACIS 实体模型。实体模型也是参数化的,修改二维图形的同时可以改变实体模型。

T-FLEX CAD使用较少的命令去完成较多的设计任务。总共不超过150个命令,通常使用的命令在50个以内。例如,它只有一个画圆的命令,却可以画任何圆或圆弧。T-FLEX CAD中使用标准的二维视图平面和标准的二维画法几何学作图原理。T-FLEX CAD是基于多视图二维作图技术,包括生成三维实体模型。T-FLEX CAD的三维模型是基于ACIS 3D v.2.1核心建模技术。

     1998年T-FLEX CAD系统升级为6.0版,其功能有很大改进,尤其是三维功能,例如:

在已有的三维实体基础上生成新的三维实体;

在三维实体上倒棱,包括等棱边和变棱边倒棱,轮廓倒棱等;

实现三维实体动态模拟及仿真,如机构及机器的运动模拟;

利用摄像机实现真实物体或场景的动态拍摄,并生成*.avi 文件,它可以在任何多媒体平台上进行重放;

移动鼠标方便地进行三维实体内部结构的动态浏览;

三维 6.1版本外挂了POV(Persistence of Vision)-Ray 程序,可以生成逼真的光照阴影实体图形,大大提高了三维图形的视觉效果。

 

  应用领域

    主要应用于机械设计制造领域,也可应用于建筑设计、产品外观及装饰设计, 它可以使用目前市场上流行的各种材质库进行三维光照阴影模型渲染设计。由于T-FLEX CAD独特的参数化功能,特别是表格及汉字字符参数化功能,它将是建立参数化CAD/CAPP/CAM系统的良好支撑软件。

  与其它CAD/CAM系统间的数据交换

    T-FLEX CAD系统可以输出下列格式的二维工作图及三维实体图:DWG、DXF、IGS、SAT、STL和BMP。它与ACIS三维核心模型之间数据转换就可以使该系统生成的实体模型转换成数以千计的优秀软件的实体模型,从而为某些专用软件,如有限元分析软件,和数控软件提供数据格式文件,无须使用转换程序。也可以输入DWG、DXF、IGS、SAT 等格式文件。 

 

  

Copyright 1999—2000 IMT,GDUT Prof.Dr.Wang Chengyong.

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