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郑州大学现代远程教育《建筑CAD》课程论文
浅谈CAD技术的应用与发展
学号:XXXXXXXXXX
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的工作会议”上给出如下定义:CAD是一种技术,其中人与计算机结合为一个问题求解组,紧密配合,发挥各自所长,从而使其工作优于每一方,并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具,对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
CAD技术是电子信息技术的一个重要组成部分;它是利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术,包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。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。从广义上说,CAD技术包括二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术(CAD/CAE/CAM)的集成技术等。
目前,CAD技术可以实现设计中的大多数活动,但也有一些活动还难用CAD技术来实现,如设计的需求分析、设计的可行性研究等。将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程,图1就说明了设计过程与CAD过程的关系。
二、CAD的应用范围
早期CAD是一个包括应用范围很广的软件,概括来说,CAD的设计对象有两大类,一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品;另一类是工程设计产品,即工程建筑,国外简称AEC(Architecture、Engineering和Construction)。而如今,CAD技术的应用范围已经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域,产生了巨大的经济及社会效益,有着广泛的应用前景。
CAD在机械制造行业的应用最早,也最为广泛。采用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板”,更新传统的设计思想,实现设计自动化,降低产品的成本,提高企业及其产品在市场上的竞争能力;还可以使企业由原来的串行式作业转变为并
行作业,建立一种全新的设计和生产技术管理体制,缩短产品的开发周期,提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用CAD/CAM技术进行产品设计,而且投入大量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发,以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。
计算机辅助建筑设计(ComputerAidedArchitectureDesign,简称CAD)是CAD在建筑方面的应用,它为建筑设计带来了一场真正的革命。随着CAAD软件从最初的二维通用绘图软件发展到如今的三维建筑模型软件,CAAD技术已开始被广为采用,这不但可以提高设计质量,缩短工程周期,还可以节约2%至5%的建设投资,而近几年来我国每年的基本建设投资都有几千亿元之多,如果全国大小近万个工程设计单位都采用CAD技术,则可以大大提高基本建设的投资效益。
CAD技术还被用于轻纺及服装行业中。以前我国纺织品及服装的花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等均由人工完成,速度慢、效率低,而目前国际市场上对纺织品及服装的要求是批量小、花色多、质量高、交货要迅速,这使得我国纺织产品在国际市场上的竞争力不强。采用CAD技术以后,大大加快了我国纺织及服装企业走向国际市场的步伐。
如今,CAD技术已进入到人们的日常生活中,在电影、动画、广告和娱乐等领域大显身手。电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史,美国好来坞电影公司主要利用CAD技术构造布景,可以利用虚拟现实的手法设计出人工不可能做到的布景。这不仅能节省大量的人力、物力,降低电影的拍摄成本,而且还可以给观众造成一种新奇、古怪和难以想像的环境,获得极大的票房收入。比如美国的《侏罗纪公园》、《星球大战》、《ET》等科幻片以及完全用三维计算机动画制作的影片《玩具总动员》,都取得了极大的成功。轰动全球的大片《泰坦尼克》应用了大量的三维动画制作,用计算机真实地模拟了泰克尼克航行、沉船的全过程。此外,动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术,实质上也是一种虚拟现实技术。虚拟现实技术还被用于各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。
近十年来,在CIMS工程和CAD应用工程的推动下,我国计算机辅助设计技术应用越来越普遍,越来越多的设计单位和企业采用这一技术来提高设计效率、产品质量和改善劳动条件。目前,我国从国外引进的CAD软件有好几十种,国内的一些科研机构、高校和软件公司也都立足于国内,开发出了自己的CAD软件,并投放市场,我国的CAD技术应用呈现出一片欣欣向荣的景象。
三、CAD的发展历史
CAD技术的发展大体经历了四个阶段。
(一)形成阶段
1950年美国麻省理工学院采用阴极射线管(CRT)研制成功图形显示终端,实现了图形的屏幕显示,从此结束了计算机只能处理字符数据的历史,并在此基础上,孕育出一门新兴学科—计算机图形学。
(二)发展阶段
20世纪50年代后期出现了光笔,从此开始了交互式绘图的历史。
20世纪60年代初,屏幕菜单指点、功能键操作、光笔定位、图形动态修改等交互绘图技术相继出现。1962年美国人IvanSutherland开发出第一个交互式图形系统——Sketchpad。此后,相继出现了一大批商品化CAD软件系统。但是由于显示器价格昂贵,CAD系统很难推广。直到60年代末期,显示技术有了突破,显示器价格大幅度下降,CAD系统的性能价格比大大提高,CAD用户开始以每年30%的速度逐年递增。
在显示技术发展的同时,计算机图形学也得到了很大发展,整个70年代,以二维绘图和三维线框图形为主的CAD系统形成主流。
(三)成熟阶段
第一个实体造型(SolidModeling)试验系统诞生于1973年,第一代实体造型软件于1978年推向市场,80、90年代实体造型技术成为CAD技术发展的主流,并走向成熟,出现了一批以三维实体造型为核心的CAD软件系统。实体造型技术的发展和应用大大拓宽了CAD技术的应用领域。
(四)集成阶段
CAD对设计过程和制造过程所产生的巨大推动作用已被认同,加之设计和制造自动化的需求,集成化CAD系统的出现是自然而然的事。到了20世纪90年代,几乎所有的CAD系统都通过自行开发或购买配套模块的方式实现了系统集成。
四、目前CAD的主要软件
CAD技术从最初的工业设计领域已渗透到人们日常生活的每个角落,从机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织、建筑、船舶、地质、采矿,一直到艺术、装演、医疗、教学、旅游、管理等,可以说无数不包,以CAD技术为基础开发的各类商业专业软件已超过10万个。以下为目前市场上比较主流的CAD软件:
(1)AutoCAD及MDT
AutoCAD系统是美国Autodesk公司为微机开发的一个交互式绘图软件,它基本上是一个二维工程绘图软件,具有较强的绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及方便用户的二次开发功能,也具有部分的三维作图造型功能。它是目前世界上应用最广的CAD软件。MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在机械行业推出的基于参数化特征实体造型和曲面造型的微机CAD/CAM软件。
(2)Pro/Engineer
Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation简称PTC)的产品,它刚一面世(1988年),就以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎,随后各大CAD/CAM公司也纷纷推出了基于约束的参数化造型模块。此外,Pro/Engineer一开始就建立在工作站上,使系统独立于硬件,便于移植;该系统用户界面简洁,概念清晰,符合工程人员的设计思想与****惯。Pro/Engineer整个系统建立在统一的数据库上,具有完整而统一的模型,能将整个设计至生产过程集成在一起,它一共有20多个模块供用户选择。基于以上原因,Pro/Engineer在最近几年已成为三维机械设计领域里最富有魅力的系统,其销售额和用户群仍以最快的速度向前发展。
(3)I-DEASMasterSeries5
I-DEASMasterSeries是美国SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)公司自1993年推出的新一代机械设计自动化软件,也是SDRC公司在CAD/CAE/CAM领域的旗舰产品,并以其高度一体化、功能强大、易学易用等特点而著称。I-DEASMasterSeries5于今年6月20日在美国首次展示,其最大的突破在于VGX技术的面市,极大地改进了交互操作的直观性和可靠性。另外,该版本还增强了复杂零件设计、高级曲面造型以及有限元建模和耐用性分析等模块的功能。SDRC公司近期还集中了优势力量大力加强数控加工功能的开发。
(4)CATIA
CATIA系统是法国达索(Dassault)飞机公司DassaultSystems工程部开发的产品。该系统是在CADAM系统(原由美国洛克希德公司开发,后并入美国IBM公司)基础上扩充开发的,在CAD方面购买原CADAM系统的源程序,在加工方面则购买了有名的APT系统的源程序,并经过几年的努力,形成了商品化的系统。CATIA系统如今已经发展为集成化的CAD/CAE/CAM系统,它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口,并拥有20多个独立计价的模块。
(5)EUCLID
EUCLID软件是法国MATRA公司信息部的产品,它是由法国国家科学研究中心为英法联合研制的协和号超音速客机而开发的软件。该软件具有统一的面向对象的分布式数据库,在三维实体、复杂曲面、二维图形及有限元分析模型间不需作任何数据的转换工作。由于数据是彼此引用,而不是简单的复制,所以用户在修改某部分设计时,其他相关数据会自行更新。
(6)Unigraphics(UG)
UG起源于美国麦道(MD)公司的产品,1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部。如今EDS是全世界最大的信息技术(IT)服务公司,UG由其独立子公司UnigraphicsSolutions开发。UG是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统,适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。
(7)SolidWorks
SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统,是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的,其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。该软件采用自顶向下的设计方法,可动态模拟装配过程,它采用基于特征的实体建模,自称100%的参数化设计和100%的可修改性,同时具有
中英文两种界面可供选择其先进的特征树结构使操作更加简便和直观
五、CAD的发展趋势
随着计算机硬件技术的发展,特别是图形处理设备的飞速发展,计算机辅助设计/制造((CAD/CAM)技术以惊人的速度快速发展,有专家评价:“如果把电子技术看作是工业的一次革命的话,那么CAD/CAM是工业的另一次革命,它是计算机对人类文明的巨大推动在工业方面的重要体现,其前景是不可限量的”。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及,CAD技术的发展方向主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。
除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外,面向应用的标准构件(零部件库)、标准化方法也已成为CAD系统中的必备内容,且向着合理化工程设计的应用方向发展。回顾历史,CAD和计算机图形学的国际标准制定总是滞后于市场上的工业标准。CAD产品更新频繁。谁家产品的技术思想领先,性能最好,用户最多,主导了市场,谁就是事实上的工业标准。CAD技术的发展不是一种纯学术行为,它是在高技术产品所固有的激烈市场竞争中不断向前推进,永无止境。目前标准有两大类:一是公用标准,主要来自国家或国际标准制定单位;另一是市场标准,或行业标准,属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性,而后者以市场为导向,注重考虑有效性和经济利益。后者容易导致垄断和无谓的标准战。通过总结这个领域几十年标准化工作的经验,不少标准化专家已认识到存在的问题,并提出应对传统的标准化工作进行革新的相关观点。
CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口95/98/NT和UNIX平台上,在JavaLINUX平台上也有CAD产品,此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境,甚至这类环境可开发其内核源码,使用户可定制自已的CAD系统。
CAD技术的集成化体现在三个层次上:其一是广义CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一体化解决方案,推动企业信息化进程。目前创新设计能力(CAD)与现代企业管理能力(ERP、PDM)的集成,已成为企业信息化的重点;其二,是将CAD技术能采用的算法,甚至功能模块或系统,做成专用芯片,以提高CAD系统的效率;其三是CAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。
设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域,智能CAD是CAD发展的必然方向。智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合,更要深入研究人类设计的思维模型,并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD系统,而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势,将对信息科学的发展产生深刻的影响。
六、CAD技术研究开发热点
根据有关的统计资料表明,产品工本费的70%是在产品设计阶段决定的。同时,一旦概念设计被确定下来,产品设计的60%-70%也就被确定下来。尤其需要提及的是,即使详细设计再好,也难以弥补概念设计阶段所出现的缺陷。还有产品的创新及其所具有的竞争能力基本上也是在概念设计阶段就被确定下的。故概念设计是设计过程中一个非常重要的阶段,它已成为企业竞争的一个制高点。因此计算机辅助概念设计愈来愈受到重视。但另一方面,在概念设计期间,所涉及的设计需求和约束的种种知识,往往是不精确的、近似的或未知的,也就是说复杂性很高,这给CAD技术带来很大的难度。概念设计的过程主要是评价和决策的过程,它涉及到产品功能、动作和结构等因素,它对产品的价格性能、可靠性、安全性等等起决定性的影响作用。正因为应考虑的因素和目标是多方面的。因此评价和决策过程是一个很复杂的,难度很大的过程。目前计算机辅助概念设计的方法可分为两大类:即自动生成方案和交互生成方案。当然,应用时这两种方法可以混合使用。
(1)自动生成方案目前主要采用人工智能技术。为了使计算机有效地支持概念设计活动,需要解决两大难题。即建模问题和推理问题:、动作和结构诸因