飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、整理ppt計算機輔助設(shè)計計算機輔助設(shè)計nComputer Aided Design （CAD）n使用計算機幫助人們進行產(chǎn)品和工程設(shè)計領(lǐng)域中的各項工作n設(shè)計人員通過人一機交互操作的方式進行產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)思和論證，產(chǎn)品總體設(shè)計，技術(shù)設(shè)計，零部件設(shè)計，有關(guān)零件的強度、剛度、熱、電、磁的分析計算和零件加工信息(工程圖紙或數(shù)控加工信息等)的輸出，以及技術(shù)文檔和有關(guān)技術(shù)報告的編制。nCAD/CAM技術(shù)是一項綜合性的高新技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，已引起一場深刻的產(chǎn)品設(shè)計與制造的技術(shù)革命，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式以及人才知識結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生重大的影響。 n1989年，美國國家工程科學(xué)院將CAD/CAM技

2、術(shù)評為當(dāng)代十項最杰出的工程技術(shù)成就之一n伴隨著計算機技術(shù)和計算機圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的nCAD(CAM)技術(shù)不能代替人們的設(shè)計和制造行為，而只是實現(xiàn)這些行為的先進手段或工具。n人們設(shè)計和制造行為，則由專業(yè)技術(shù)人員的創(chuàng)造能力和工作經(jīng)驗，以及現(xiàn)代設(shè)計方法等所提供的科學(xué)思維方法和實施辦法來確定。 CAD系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 專業(yè)CAD系統(tǒng)通用CAD系統(tǒng)圖形語言連接API：GKS/PHIGS/GLCGI設(shè)備相關(guān)服務(wù)操作系統(tǒng)通信接口非圖形設(shè)備圖形工作站圖形設(shè)備GKS元文件圖形元文件CGMIGES/STEP其他系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫外部數(shù)據(jù)庫內(nèi)容CAD硬件CAD軟件系統(tǒng)：光柵圖形學(xué)圖形變換幾何造型技術(shù)真實感圖形

3、學(xué)圖形標(biāo)準(zhǔn)n曲線曲面n實體n參數(shù)化n特征n新的幾何建模方法nOPENGLn圖形交換標(biāo)準(zhǔn)nCAD系統(tǒng)集成化：nCAEnCAPPnCAMnPDM、CIMS、CE、ERPnCAD熱點：n網(wǎng)絡(luò)化CAD系統(tǒng)：系統(tǒng)構(gòu)成、模型壓縮n智能化CAD系統(tǒng)n逆向工程參考文獻n朱心雄，自由曲線曲面造型技術(shù)，科學(xué)出版社n施法中，計算機輔助幾何設(shè)計與非均勻有理B樣條，北京航空航天大學(xué)出版社n童秉樞，現(xiàn)代CAD技術(shù)，清華大學(xué)出版社n唐榮錫，CAD/CAM技術(shù)，北航出版社n蔡青等， CAD/CAM系統(tǒng)的可視化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，西北工業(yè)大學(xué)出版社n范玉青，現(xiàn)代飛機制造技術(shù)，北航出版CAD硬件n高質(zhì)量的計算機圖形離不開高

4、性能的計算機圖形硬件設(shè)備。一個圖形系統(tǒng)包括：n圖形處理器n圖形輸出設(shè)備n圖形輸入設(shè)備構(gòu)成。CAD軟件系統(tǒng)：光柵圖形學(xué)n光柵顯示器上顯示的圖形，稱之為光柵圖形。光柵顯示器象素個數(shù)是有限的，象素的顏色和灰度等級也是有限的，象素是有大小的，所以光柵圖形只是近似的實際圖形。n如何使光柵圖形最完美地逼近實際圖形，便是光柵圖形學(xué)要研究的內(nèi)容。CAD軟件系統(tǒng)：圖形變換n幾何變換n窗口區(qū)到視圖區(qū)的坐標(biāo)變換n二維圖形的幾何變換n三維幾何變換n圖形的投影變換CAD軟件系統(tǒng)：幾何造型技術(shù)n幾何造型技術(shù)是一種研究在計算機中，如何表達物體模型形狀的技術(shù)。n在幾何造型系統(tǒng)中，描述物體的三維模型有三種n線框模型n表面模型n

5、實體模型。數(shù)字建模模型表示方法n線框模型 n表面模型（注重幾何描述，曲面） n實體模型 （注重幾何體之間的拓撲關(guān)系）o邊界表示（Brep）o構(gòu)造幾何表示（CSG）數(shù)字建模n數(shù)字建模，即如何構(gòu)造、計算幾何外形 ；n形狀分析，包括曲面的奇性分析、凸性分析、基于有限元的曲線曲面工程可用性分析等； n形狀修正與變形，即在形狀分析的基礎(chǔ)上修改模型，直至滿足設(shè)計者的意圖。數(shù)字建模曲曲 面面 造造 型型 技技 術(shù)術(shù)曲面造型技術(shù)的研究領(lǐng)域包括曲面造型技術(shù)的研究領(lǐng)域包括曲面求交曲面求交 曲面拼接曲面拼接 曲面變形曲面變形 曲面重建曲面重建 曲面簡化曲面簡化 曲面轉(zhuǎn)換曲面轉(zhuǎn)換 曲面位差曲面位差 曲面表示曲面表示

6、曲曲 面面 造造 型型 技技 術(shù)術(shù)在曲面的表示方法上，曲面造型技術(shù)大致包括以下幾類：在曲面的表示方法上，曲面造型技術(shù)大致包括以下幾類： 參數(shù)曲面造型技術(shù)參數(shù)曲面造型技術(shù) 隱式曲面造型技術(shù)隱式曲面造型技術(shù) 細分曲面造型技術(shù)細分曲面造型技術(shù) 變形曲面造型技術(shù)變形曲面造型技術(shù) 基于形狀混合的曲面造型技術(shù)基于形狀混合的曲面造型技術(shù) 其它曲面造型技術(shù)其它曲面造型技術(shù) 曲面造型技術(shù)曲面造型技術(shù): :參數(shù)參數(shù)曲線曲面描述n曲線o參數(shù)三次樣條oBezier曲線oB樣條曲線oNURBS非均勻有理B樣條曲線n曲面oFerguson曲面oCoons曲面oBezier曲面oB樣條曲面oNURBS曲面NURBS曲面（9

7、0個） 具有幾何運算下的封閉性；具有幾何運算下的封閉性； 定義了一個半空間，將空間分為：定義了一個半空間，將空間分為： 0),(zyxf0),(zyxf0),(zyxf曲面的內(nèi)側(cè)曲面的內(nèi)側(cè) 曲面的外側(cè)曲面的外側(cè) 曲面之上曲面之上 用于計算機動畫中，如人體的肌肉、水滴、云、煙用于計算機動畫中，如人體的肌肉、水滴、云、煙 等物體的造型和表現(xiàn)等物體的造型和表現(xiàn) 曲面造型技術(shù)曲面造型技術(shù): : 隱式曲面造型技術(shù)隱式曲面造型技術(shù) 形狀修改n修改控制頂點、微分幾何特性修改控制頂點、微分幾何特性n權(quán)因子、重節(jié)點、重頂點權(quán)因子、重節(jié)點、重頂點n裁減（裁減（Trim）n過渡（過渡（Blend）n布爾操作（布爾操

8、作（Bool）切矢的修改CAGD目前的研究熱點n計算機輔助幾何設(shè)計（CAGD）n曲面造型新方法n曲面轉(zhuǎn)換 n復(fù)雜形體建模n約束求解曲面造型新方法n傳統(tǒng)NURBS造型，僅允許調(diào)整控制頂點或權(quán)因子來局部改變曲面形狀 ，修改不方便n設(shè)計方法有掃掠法(Sweeping)，蒙皮法(Skinning)，放樣(Lofting)法和旋轉(zhuǎn)法，n修改時調(diào)整生成曲線形狀來改變曲面形狀n現(xiàn)有造型手段過于簡單、不便用戶使用，難以實現(xiàn)曲面的有效修改變形曲面造型技術(shù)變形曲面造型技術(shù) 1986, Sederberg和Parry: 自由變形(Free-Form Deformation,FFD) ; 1990, Coquilla

9、rt: 廣義FFD方法(Extended Free-Form Deformation,EFFD); 1992, Hsu等:直接操縱物體變形的方法(Direct Manipulation of Free-Form Deformation,DFFD); 1982, Barr: 拉伸、均勻張縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲等變形的數(shù)學(xué)表示（非自由變形） ; B樣條表示的變形造型; RFFD;軸變形方法(Axial Deformation)等. 變形造型：假定物體有很好的彈性，在外力（拉深、 壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲）的作用下，要發(fā)生變形自由變形法能量優(yōu)化法（Minimal Energy）n以曲線曲面擁有最小物理變形能為目標(biāo)，

10、運用各種約束及施加外載荷的方式控制曲線曲面造型方法n首先要解決的是確定優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)（從物理變形能、從幾何性質(zhì)出發(fā)）n約束條件：型值點、切矢、法矢、幾何連續(xù)性等n數(shù)學(xué)規(guī)劃法求解優(yōu)化結(jié)果細分曲面2M3M0M1Ms初始控制網(wǎng)格初始控制網(wǎng)格網(wǎng)格序列網(wǎng)格序列 的極限的極限kM初始網(wǎng)格幾何規(guī)則拓撲規(guī)則細分極限曲面 Geris Gamev 基于形狀混合的曲面造型技術(shù)基于形狀混合的曲面造型技術(shù) Shape Blending、Shape Interpolation、Shape Averaging、Shape Transition、Shape Evolving、Morphing/Metamorphosis

11、AB根據(jù)處理對象不同，形狀混合技術(shù)的研究主要有以下幾個方面:二維曲線或多邊形的形狀混合技術(shù)；二維圖象混合方法和基于體素的三維物體混合方法；三維曲面的形狀混合技術(shù) v 其它曲面造型技術(shù)其它曲面造型技術(shù) PDE曲面、 能量優(yōu)化、 流曲線曲面造型技術(shù)； 散亂點曲面擬合造型方法、蒙皮(Skinning)造型技術(shù)、廣義Sweeping造型技術(shù)、基于變分原理的造型技術(shù)、分形造型技術(shù)、小波曲線曲面的造型方法等 當(dāng)今當(dāng)今CAD/CAM軟件軟件 n國外n高端n中低端n國內(nèi) 綜合型:三維實體特征參數(shù)化造型 nCATIA IBM和Dassault達索系統(tǒng)公司 nPro/EngineerPTC nUGEDS 功能全功

12、能全：曲面、實體三維設(shè)計、裝配、：曲面、實體三維設(shè)計、裝配、CAM、工程圖繪制、工程圖繪制、工程分析等，工程分析等，包含包含專業(yè)設(shè)計模塊專業(yè)設(shè)計模塊如：鈑金設(shè)計、模具設(shè)計、管道設(shè)計、如：鈑金設(shè)計、模具設(shè)計、管道設(shè)計、曲面反求曲面反求從設(shè)計、分析到制造，從設(shè)計、分析到制造，貫穿整個產(chǎn)品生命周期貫穿整個產(chǎn)品生命周期中檔 nSOLID EDGEEDS nSOLID WORKSIBM和DassaultnInventor（MDT） Autodesk功能少：一般有三維實體設(shè)計、裝配、仿真、高級渲功能少：一般有三維實體設(shè)計、裝配、仿真、高級渲染、工程繪圖染、工程繪圖但一般沒有但一般沒有CAM、曲面造型、有限

13、元分析、曲面造型、有限元分析模塊少：模塊少：solid edge有有鈑金設(shè)計、管道設(shè)計、焊接設(shè)鈑金設(shè)計、管道設(shè)計、焊接設(shè)計模塊計模塊用戶界面友好、易操作、價格低用戶界面友好、易操作、價格低 專業(yè)型 n反求軟件，大型軟件中的一個模塊nSurfacerImageware(EDS) n平面變立體 立體浮雕立體浮雕CAD/CAM系統(tǒng)系統(tǒng) nARTCAM英國DELCAM公司 n二維視圖建三維實體 nMicroCADAM / HelixCSC公司 （CADAM）國內(nèi)nCAXA（二維、三維）n中科院凱思博宏P(guān)ICAD（二維）n廣東高華（二維） n北航和廣州紅地的金銀花（ACIS平臺） 主流的幾何平臺nACI

14、S SpatialnParasolid UGSnGranite one PTCnCAA CatianShape manager AutodeskCAD軟件系統(tǒng)：真實感圖形學(xué)n真實感圖形學(xué)是計算機圖形學(xué)中的一個重要組成部分，它的基本要求就是在計算機中生成三維場景的真實感圖形（或圖象）。隨著計算機圖形學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，真實感圖形學(xué)在我們的日常工作、學(xué)習(xí)和生活中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。計算機輔助、多媒體教育、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、科學(xué)計算可視化、動畫制作、電影特技模擬、計算機游戲等許多方面，真實感圖形學(xué)都發(fā)揮了重要的作用CAD軟件系統(tǒng)：圖形標(biāo)準(zhǔn)n應(yīng)用程序員接口API：GKS，PHIGS，OPENGLn語

15、言連接規(guī)范n計算機圖形接口的標(biāo)準(zhǔn)化：設(shè)備無關(guān)n圖形數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)：IGES、STEPCAD/CAM技術(shù)的作用n建立一個產(chǎn)品的CAD系統(tǒng)，即建立一種新的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)管理體制n組織平行作業(yè)n產(chǎn)品設(shè)計階段用三維幾何模型模擬零件、部件、設(shè)備的裝配和安裝，及早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)布局和系統(tǒng)安裝的空間安干涉n組織迅速有效的發(fā)圖更改。n進行產(chǎn)品的性能仿真1.提前進行產(chǎn)品的外觀造型設(shè)計CAD/CAM軟件產(chǎn)業(yè)特點n高投入、高效益、高風(fēng)險n注意：n全盤吸收已有的軟件開發(fā)成果n把握時機不斷創(chuàng)新n發(fā)揮優(yōu)勢，獨樹一幟n注意技術(shù)積累n形成鞏固的技術(shù)和經(jīng)營核心CAD軟件發(fā)展n計算機圖形系統(tǒng)：用來繪制或顯示直線、圓弧或曲線組成的二、三維

16、圖形n工程繪圖系統(tǒng)：可交互繪制各種工程圖紙n模仿技術(shù)人員的手工設(shè)計，效率低，不直觀n幾何造型系統(tǒng)：三維幾何造型n向集成化、特征造型和參數(shù)化發(fā)展n產(chǎn)品模型系統(tǒng)n支持產(chǎn)品生命周期統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型n從二維繪圖到三維建模；n從零件設(shè)計到產(chǎn)品設(shè)計；n從建物理樣機到電子虛擬樣機；n從工程分析到產(chǎn)品優(yōu)化以及串行作業(yè)到并行工程的過程。 CADCAD技術(shù)的發(fā)展趨勢技術(shù)的發(fā)展趨勢 nCADCAD和和CAMCAM系統(tǒng)的集成化系統(tǒng)的集成化 n(1) 提高CAD系統(tǒng)的集成度，即要求在整個產(chǎn)品設(shè)計過程中的各個階段，每一設(shè)計步驟都能有效地使用CAD技術(shù)，這就要求一個CAD系統(tǒng)(硬件和軟件)的功能要齊全，軟件集成度要高；n(2

17、) CAD和CAM集成，即要求設(shè)計信息能自動地轉(zhuǎn)換成CAM系統(tǒng)的信息；n（3）CAX的集成。 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 ：CADCAD系統(tǒng)的智能化系統(tǒng)的智能化 n產(chǎn)品設(shè)的過程是一個復(fù)雜的綜合、分析和反復(fù)修改的過程，設(shè)計人員只有具備多學(xué)科的專門知識與豐富的經(jīng)驗才能得到一個較佳的設(shè)計結(jié)果。n產(chǎn)品設(shè)計是一項創(chuàng)造性的活動，設(shè)計過程中很多工作是非數(shù)據(jù)計算性的，不是以數(shù)學(xué)公式為核心的，而是通過反復(fù)思考、推理和判斷來解決的n目前以分析計算和圖形為核心的CAD系統(tǒng)是不能解決上述問題的。對于同一設(shè)計對象，由于設(shè)計人員的不同，可能設(shè)計出不同的結(jié)果，即設(shè)計結(jié)果與設(shè)計者的經(jīng)驗和掌握專業(yè)知識的程度有關(guān)。 n特別是在概念設(shè)計和構(gòu)

18、思及評價階段，專家在該領(lǐng)域的經(jīng)驗十分重要，而在這一階段還沒有條件采用仿真技術(shù)來處理。n在CAD系統(tǒng)中引進人工智能(Artificial Intelligeuce)技術(shù)n專家系統(tǒng)(Expert System)是將人工智能技術(shù)首先引入產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的。 （1）專家系統(tǒng) 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 ：CADCAD軟件的標(biāo)準(zhǔn)化軟件的標(biāo)準(zhǔn)化 nCAD軟件的標(biāo)準(zhǔn)化，其實是指圖形軟件的標(biāo)準(zhǔn)。圖形標(biāo)準(zhǔn)是一組由基本圖素(點、線和面)與圖形屬性(線型和顏色等)構(gòu)成的通用標(biāo)準(zhǔn)圖形系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用這些圖形標(biāo)準(zhǔn)子程序時即可生成圖形和圖像，并通過交互顯示設(shè)備實現(xiàn)圖形的輸入和輸出 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 ：CADCAD系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)

19、絡(luò)化n(1) 共享網(wǎng)絡(luò)資源。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各臺計算機可以共享程序和數(shù)據(jù)及其他資源。n(2) 平衡負載。當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上的某臺計算機工作特別繁重時，可把一部分工作分配到其他計算機去完成，特別是要處理復(fù)雜計算或圖形時，可把這些任務(wù)交給具有高速計算能力和處理圖形能力強的計算機。n(3) 提高系統(tǒng)的性能價格比。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可用一些小型機、工作站和微機來代替價格昂貴的大型計算機，它們共同完成要在大型機上處理的工作任務(wù)。n(4) 提供遠距離的數(shù)據(jù)通信介質(zhì)。 CAD硬件n高質(zhì)量的計算機圖形離不開高性能的計算機圖形硬件設(shè)備。一個圖形系統(tǒng)包括：n圖形處理器n圖形輸出設(shè)備n輸入設(shè)備構(gòu)成。CAD硬件系統(tǒng)n工作站和個人計算機n

20、圖形顯示器n圖形處理器n圖形輸入設(shè)備n圖形輸出設(shè)備 圖形顯示設(shè)備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器圖形顯示設(shè)備n絕大多數(shù)是基于陰極射線管(CRT CathodeRay Tube)的監(jiān)視器 n存儲管式顯示器，隨機掃描顯示器(又稱矢量顯示器)，但是這些顯示器的缺點是很明顯的，圖形表現(xiàn)能力也很弱 n光柵掃描顯示器是圖形顯示技術(shù)走向成熟的一個標(biāo)志 光柵掃描的顯示系統(tǒng)n光柵掃描顯示系統(tǒng)光柵掃描顯示系統(tǒng)n特點：光柵掃描特點：光柵掃描n掃描線掃描線n幀幀n水平回掃期水平回掃期n垂直回掃期垂直回掃期n繪圖過程繪圖過程n分辨率：顯示質(zhì)量和存儲數(shù)據(jù)量n屏幕分辨率：屏

21、幕最大區(qū)域內(nèi)水平掃描線數(shù)和每線上的點數(shù)（垂直象素數(shù)）n圖像分辨率：n象素分辨率：象素點的寬度與長度的比例n點間距：用毫米度量的一個象素點中心到下一個象素點中心的距離n17英寸，顯示區(qū)域：12.901 x 9.675 對角線16.125英寸，分辨率1024 x 768n點間距：ndp水平=(12.901/1024)x25.4mm=0.32mmndp垂直=(9.675/768)x25.4mm=0.32mm柱面、球面點距定義示意圖帶寬帶寬T與分辨率、幀頻與分辨率、幀頻F的關(guān)系的關(guān)系帶帶寬刷新率x分辨率/0.744帶寬問題帶寬問題高分辨率和高的刷新頻率要求有高帶寬高分辨率和高的刷新頻率要求有高帶寬-依

22、然是個問題！依然是個問題！解決方法：隔行掃描（現(xiàn)在已經(jīng)基本不用，主流解決方法：隔行掃描（現(xiàn)在已經(jīng)基本不用，主流 顯示器都采用逐行掃描方式）顯示器都采用逐行掃描方式）隔行掃描的：把一幀分兩場，即奇數(shù)場與偶數(shù)場隔行掃描的：把一幀分兩場，即奇數(shù)場與偶數(shù)場場頻：場頻：=2*幀頻幀頻圖形輸入設(shè)備n鍵盤n鼠標(biāo)n跟蹤球和空間球都是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來實現(xiàn)定位和選擇。 n數(shù)據(jù)手套則是通過傳感器和天線來獲得和發(fā)送手指的位置和方向的信息。 n光筆是一種檢測光的裝置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。 n在線虛擬現(xiàn)實n數(shù)字化儀是一種把圖形轉(zhuǎn)變成計算機能接收的數(shù)字形式專用設(shè)備，其基本工作原理是采用電磁感應(yīng)技術(shù)。n圖形掃描儀是直接把圖形和圖象掃描到計算機中以象素信息進行存儲的設(shè)備。 n三維掃描儀三維掃描儀(測量機)分類n接觸式n三坐標(biāo)測量機（CMM coordinate measure machine） n機械手 n非接觸式 n光學(xué)測量 n聲學(xué)測量 n磁學(xué)測量 n破壞式自動斷層掃描 接觸式測量機n工作方式：點觸發(fā)，連續(xù)或間斷式數(shù)據(jù)采集n特點：不受物體表面顏色及光照的限制，對物體邊界也能產(chǎn)生準(zhǔn)確的測量結(jié)果n缺點：由于測頭的限制，可能丟失某些測頭不可到達的細節(jié)數(shù)據(jù)n不能測量軟材料n測量速度受到機構(gòu)運動的限制CMM意大利意大利COORD3公司公司半橋式半橋式CMM測量機測量機龍門式CMM機械