現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法自考(筆記).doc

緒論 1、工程設(shè)計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了在直覺(jué)設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、中間實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)四個(gè)階段。 2、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比實(shí)現(xiàn)了如下幾方面的轉(zhuǎn)變： 從定性分析向定量分析、從靜態(tài)分析向動(dòng)態(tài)分析、從零部件計(jì)算向整機(jī)計(jì)算、從手工設(shè)計(jì)計(jì)算向自動(dòng)化設(shè)計(jì)計(jì)算及由安全設(shè)計(jì)向優(yōu)化設(shè)計(jì)等。 3、動(dòng)態(tài)性能包括： 固有特性，即各階固有頻率、模態(tài)振型和阻尼特性等 系統(tǒng)在外部激振力作用下的響應(yīng)，即動(dòng)態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)位移等 系統(tǒng)在工作狀態(tài)下產(chǎn)生自激振動(dòng)的可能性等。 4、對(duì)整臺(tái)機(jī)器的分析計(jì)算工作由于兩個(gè)原因遲遲未能進(jìn)行： 在整機(jī)結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，需要完成巨大的計(jì)算工作量； 對(duì)零件的連續(xù)部分（稱為結(jié)合部）的特性缺乏研究。 5、按零件簡(jiǎn)結(jié)合部的連接方式來(lái)分，可分為固定連接和滑動(dòng)連接。 6、現(xiàn)代化 CAD 工作站所完成的任務(wù)包括：利用計(jì)算中的專家系統(tǒng)協(xié)助確定技術(shù)參數(shù)和總體方案；繪制總圖和零件圖；使用有限元對(duì)其動(dòng)、靜態(tài)性能進(jìn)行分析計(jì)算；通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)不斷地進(jìn)行修改，以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；在屏幕上顯示設(shè)計(jì)結(jié)果，還可以圖樣和數(shù)據(jù)的形式輸出。 7、常用建立數(shù)學(xué)模型的方法，除有限元外，還有鍵圖法、邊界元法和控制工程。 8、鍵圖法是一種為系統(tǒng)建造數(shù)學(xué)模型的方法。 9、模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程包括：根據(jù)相似理論，設(shè)計(jì)制造出實(shí)物的相似模型；根據(jù)設(shè)計(jì)的要求對(duì)其加載進(jìn)行測(cè)試，以判斷其結(jié)構(gòu)和尺寸的合理性；根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，使其更加完善。 10、模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以在時(shí)間、材料和儀器等花費(fèi)都相對(duì)不大的情況先，對(duì)多種模型進(jìn)行分析比較以獲得更好的設(shè)計(jì)方案，加速新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。由于模型在結(jié)構(gòu)的相似性和測(cè)試條件上畢竟與實(shí)物有差異，所以模型試驗(yàn)結(jié)果就會(huì)有一定誤差，這就是他的局限性。 11、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，是技術(shù)科學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)綜合發(fā)展的產(chǎn)物；它應(yīng)用的一個(gè)重要方面是在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí) 進(jìn)行技術(shù)的選擇和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)，以便從多個(gè)技術(shù)方案中 選出經(jīng)濟(jì)效果最佳的方案。 第一章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 第一節(jié) CAD系統(tǒng)概述 1、 CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）指人們?cè)谟?jì)算機(jī)軟、硬件的輔助下對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖、分析計(jì)算、修改和編寫(xiě)技術(shù)文件及顯示、輸出的一種設(shè)計(jì)方法。 2、一般把應(yīng)用于 CAD 作業(yè)的計(jì)算機(jī)（中、小 型或微型計(jì)算機(jī)等）、軟件（計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)、圖形支撐軟件和專業(yè)應(yīng)用軟件等）以及外圍設(shè)備（打印機(jī)和繪圖儀等），總稱為 CAD 系統(tǒng)。 3、 70年代，出現(xiàn)了將 CAD硬件與軟件配套交付用戶的“交鑰匙系統(tǒng)” 4、 CAD 技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中主要應(yīng)用有二維繪圖、圖形及符號(hào)庫(kù)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、三維造型、工程分析（常見(jiàn)的有有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析等）設(shè)計(jì)文檔和生成報(bào)表。 5、 CAD技術(shù)的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面： 1）制圖速度快，減少手工繪圖時(shí)間，提高了工作效率。 2）圖樣格式統(tǒng)一，質(zhì)量高，促進(jìn)設(shè)計(jì)工作規(guī)范化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。 3）提高分析計(jì)算速度，能解決服裝設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題。 4）易于技術(shù)資料的保存及查找，修改設(shè)計(jì)快，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。 5）設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)估產(chǎn)品性能。 6、 CAD涉及到的基礎(chǔ)技術(shù)： （ 1）圖形處理技術(shù)（ 2）工 程分析技術(shù)（如有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、物理特性計(jì)算、模擬仿真以及各行各業(yè)中的工程分析）（ 3）數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術(shù) （ 4）文檔處理技術(shù)（ 5）軟件設(shè)計(jì)技術(shù)。 7、 CAD 系統(tǒng)可根據(jù)其用途來(lái)分類如機(jī)械 CAD 系統(tǒng)、電氣 CAD 系統(tǒng)等，目前最常見(jiàn)的硬件分類： （ 1）集中式主機(jī)系統(tǒng)（ 2）分布式工程工作站系統(tǒng)（ 3）微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 第二節(jié) CAD系統(tǒng)的硬件和軟件 1、典型的 CAD 系統(tǒng)基本硬件一般由主機(jī)、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備四部分組成。 2、計(jì)算機(jī)主要是指計(jì)算機(jī)的中央處理器 CPU 和內(nèi)存儲(chǔ)器兩部分，它們是控制和 指揮整 個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行并執(zhí)行實(shí)際運(yùn)算、邏輯分析的裝置，是系統(tǒng)的核心。 3、輸入設(shè)備主要有鍵盤(pán)、光筆、鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀和圖形掃描儀。 與主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)端口 RS-232C串口連接的有鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀和圖形掃描儀。 主要作用是將字符、平面上或空間中點(diǎn)的坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)，其基本功能是“定位”和“拾取”。“定位”是確定和控制光標(biāo)在屏幕圖形上的位置，“拾取”是選取屏幕圖形上的某一內(nèi)容。 4、計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)分字符鍵、數(shù)字鍵和功能鍵三種。 5、光筆是一種檢測(cè)裝置，它能夠?qū)⑵聊簧系娘@示狀態(tài)（明暗變化）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送給計(jì)算機(jī)。 6、鼠標(biāo)器用 來(lái)控制和移動(dòng)光標(biāo)在屏幕上的位置，有機(jī)械式和光電式之分。 數(shù)字化儀有電磁感應(yīng)式、靜電感應(yīng)式、超聲波式以及磁致伸縮式；其作用是輸入圖形、跟蹤光標(biāo)位置和選擇菜單；數(shù)字化儀的典型指標(biāo)是：分辨率、精度、重復(fù)精度、板的面積等。 7、圖形掃描儀是直接把圖形掃描輸入計(jì)算機(jī)中，以像素信息進(jìn)行存儲(chǔ)表示的設(shè)備；按顏色可分為單色掃描儀和彩色掃描儀；按所采用的固態(tài)器件可分為電荷耦合器件（ CCD）掃描儀、 MOS電路掃描儀、緊貼型掃描儀等。 8、 CCD 掃描儀的工作原理是：用光源照射原稿，投射光線經(jīng)過(guò)一組光鏡頭射到CCD 器件上，再經(jīng)過(guò)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像數(shù)據(jù)暫存器等，最終輸入到計(jì)算機(jī)或者圖形 /文字輸出設(shè)備。 9、常用的圖形輸出設(shè)備可分為兩大類： （ 1）是與圖形輸入設(shè)備相結(jié)合，構(gòu)成具有交互功能的可以快速生成和刪改圖形的顯示設(shè)備；（ 2）是在紙或其它介質(zhì)上輸出的可以永久保存圖形的繪圖設(shè)備。它包括顯示設(shè)備和繪圖設(shè)備。 10、顯示設(shè)備包括圖形適配器和圖形顯示器；從成像原理上有隨機(jī)掃描式、存儲(chǔ)管和光柵掃面式三種。 11、繪圖設(shè)備包括： 1）滾筒式繪圖儀 2）平板式繪圖儀 3）靜電式繪圖儀 12、滾筒式繪圖儀是按插補(bǔ)原理進(jìn)行的，繪圖筆沿 X或 Y方向移動(dòng) 一步的距離稱為步距，也叫脈沖當(dāng)量，滾筒式繪圖儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于操作，占地面 積小，繪圖速度快，但精度低。 13、平板式繪圖儀其特點(diǎn)體積小，重量輕，價(jià)格低，但繪圖速度、精度低。 14、靜電式繪圖儀的主要技術(shù)指標(biāo)有：繪圖速度、步距、繪圖精度、繪圖儀功能等。 15、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備主要指外存儲(chǔ)器，是用來(lái)存放大量的暫時(shí)不用而等待調(diào)用的程序和數(shù)據(jù)的裝置。 系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的要求：一是存儲(chǔ)量大，二是存取效率高。 磁盤(pán)有軟磁盤(pán)和硬磁盤(pán)兩種。但由于磁帶是順序存取工作方式，不便于是隨機(jī)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，故一般用于存儲(chǔ)批量大、使 用頻繁的數(shù)據(jù)和用于備份保存數(shù)據(jù)。 16、 CAD系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。軟件是實(shí)現(xiàn) CAD各項(xiàng)功能技術(shù)的核心；計(jì)算機(jī)軟件是指與計(jì)算機(jī)操作使用有關(guān)的程序、規(guī)程、規(guī)則以其相關(guān)文檔資料的總和。 17、 CAD以軟件可分為三類和起作用： （ 1）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是直接配合硬件工作并對(duì)其它軟件起支撐作用的軟件，主要指操作系統(tǒng)及各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言等；（ 2）支撐軟件 CAD 支撐軟件是指在 CAD系統(tǒng)中，支撐用戶進(jìn)行 CAD 的通用性功能軟件；（ 3）專用軟件 專用軟件是專門(mén)為適應(yīng)用戶特定使用條件需要而開(kāi)發(fā)的軟件。 18、系統(tǒng)軟件包括操 作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、網(wǎng)絡(luò)通信及管理軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件； 19、支撐軟件包括基本圖形資源軟件、二維三維繪圖軟件、幾何造型軟件、工程分析及計(jì)算軟件和文檔制作軟件。 第三節(jié) CAD系統(tǒng)的圖形處理 1、最基本圖素類型可分為兩類：一類以直線線段為最基本圖素，二類以點(diǎn)為最基本的圖素。 2、坐標(biāo)系統(tǒng)分為世界坐標(biāo)系（無(wú)界的）、設(shè)備坐標(biāo)系（有界的）和規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系（有界的）。 3、常對(duì)二維或三維圖形進(jìn)行各種幾何變換（平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等）和投影變換（多面正投影、軸測(cè)投影、透視投影等）。無(wú)論哪種變換，只要保持圖形上各 特征點(diǎn)之間的連接關(guān)系不變而按一定的規(guī)律改變圖形上各點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，就可以得 到經(jīng)變換后的新的圖形。 4、基本變換包括比例變換、壓縮變換、對(duì)稱變換、旋轉(zhuǎn)變換和錯(cuò)切變換。 5、比例變換 對(duì)圖形以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心進(jìn)行放大或縮小的變換， 變換矩陣為 000 0 0 , 00 0 1aT d a b a和 b分別 x和 y方向的比例因子。若 a=b=1 為恒等變換；若 a=b 1 為等比放大變換， a=b 1 為等比縮小變換；若ab 則變換后的圖形產(chǎn)生畸變。 6、壓縮變換 將二維圖形壓縮到某條坐標(biāo)軸或者原點(diǎn)的變換；將圖形壓縮到 x坐標(biāo)軸上 變換矩陣為 1 0 00000 0 1T；將圖形壓縮到 y軸上 變換矩陣為 0000 1 00 0 1T；將圖形壓縮到原點(diǎn)上 變換矩陣為 0000000 0 1T。 7、對(duì)稱變換 圖形以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心對(duì)稱于坐標(biāo)原點(diǎn)或者某一條軸線的變換； 關(guān)于 x軸對(duì)稱變 換矩陣為 1 0 00 1 00 0 1T；關(guān)于 y軸對(duì)稱變換矩陣 1 0 00 1 00 0 1T關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的轉(zhuǎn)換矩陣 1 0 00 1 00 0 1T；對(duì)稱于 +45線對(duì)稱時(shí) 0 1 01 0 00 0 1T；對(duì)稱于 -45線時(shí) 0 1 01 0 00 0 1T 8、旋轉(zhuǎn)變換 在二維平面內(nèi)，點(diǎn)或平面圖形繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角的變換，且規(guī)定逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正，順時(shí)針為負(fù)。旋轉(zhuǎn)的變換矩陣 c o s s i n 0s i n c o s 00 0 1T。 9、錯(cuò)切變換 二維圖形在某一個(gè)坐標(biāo)軸方向的坐標(biāo)值不變，而平行于另一個(gè)坐標(biāo)軸的線傾斜角，或平行于兩條坐標(biāo)軸的線都傾斜角的變換； 沿 x方向錯(cuò)切的變換矩陣 1 0 0100 0 1Tc；沿 y方向錯(cuò)切的變換矩陣 100 1 00 0 1bT 沿 x、 y兩個(gè)方向錯(cuò)切的變換矩陣 10100 0 1bTc 10、二維圖形的變換矩陣 a b pT c d ql m s中 abcd可實(shí)現(xiàn)圖形的比例、對(duì)稱、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切四種基本變換。 lm的功能是實(shí)現(xiàn)平移變換， ml、 分別為 x、 y方向的平移。 s 的作用是全比例變換； 1s 時(shí)等比例縮??； 01s 是等比例放大當(dāng) 1s 時(shí)則為恒等變換。 pq的作用是產(chǎn)生透視變換。 11、三維圖形的幾何變換矩陣a b c pd e f qTh i j rl m n s式中 a b cd e fh i j為產(chǎn)生比例、對(duì)稱、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切四種基本變換； l m n 為產(chǎn)生沿三個(gè)軸向的平移變換； s為全比例變換， 1s 時(shí)等比例縮??； 01s 是等比例放大當(dāng) 1s 時(shí)則為恒等變換； Tpqr的作用是產(chǎn)生透視變換。 12、三維在比例變換中 a,e,j分別為 x,y,z 三個(gè)方向的縮放系數(shù)。 13、對(duì)稱變換 基本對(duì)稱包括對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)、坐標(biāo)軸以及坐標(biāo)平面的對(duì)稱變換；原理：關(guān)不變，不關(guān)則變；例如對(duì) xoy坐標(biāo)平面對(duì)稱時(shí)除立體上各點(diǎn)的 z坐標(biāo)改變外， x,y坐標(biāo)均不變故變換矩陣1 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 1T. 14、旋轉(zhuǎn)變換 繞 x 軸旋轉(zhuǎn)角。立 體繞 x軸旋轉(zhuǎn)時(shí) x坐標(biāo)不變， y， z坐標(biāo)變換， 變換矩陣為1 0 0 00 c o s s i n 00 s i n c o s 00 0 0 1T。 15、錯(cuò)切變換矩陣的特點(diǎn)是主對(duì)角線元素為 1，第 4行第 4列的其余元素全為 0，即1010100 0 0 1bcdfThi；沿 x含 y錯(cuò)切（沿列含行）的變換矩陣1 0 0 01 0 00 0 1 00 0 0 1dT；沿 z含 y錯(cuò)切1 0 0 00 1 00 0 1 00 0 0 1fT。 16、壓縮變換 壓縮到 xoy平面時(shí) z坐標(biāo)變?yōu)?0，其變換矩陣為1 0 0 00 1 0 000000 0 0 1T。 17、投影變換包括多面正投影、軸測(cè)投影和透視投影； 正投影的變換矩陣1 0 0 000000 0 1 00 0 0 1VT；側(cè)面投影變換矩陣0 0 0 01 0 0 00 0 1 00 0 1wTl 水平投影變換矩陣；1 0 0 00 0 1 00 0 0 00 0 1HTn。 18、 軸測(cè)投影變換包括正軸測(cè)投影和斜軸測(cè)投影；正軸測(cè)投影變換的方法：先使立體繞 z軸旋轉(zhuǎn)角，再繞 x軸旋轉(zhuǎn) 0 角最后向 xoz坐標(biāo)平面投影。 變換矩陣c o s s i n 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0s i n c o s 0 0 0 c o s s i n 0 0 0 0 00 0 1 0 0 s i n c o s 0 0 0 1 00 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1c o s 0 s i n s i n 0s i n 0 c o s s i n 00 0 c o s 00 0 0 1ZT 斜軸測(cè)投影圖是使立體先沿 x含 y錯(cuò)切在沿 z含 y錯(cuò)切，最后向 xoz 坐標(biāo)面投影形成的；其變換矩陣為1 0 0 0000 0 1 00 0 0 1dfT。 19、透視投影變換 透視圖和軸測(cè)圖都是單面投影圖，所不同的軸測(cè)圖是用于平行投影原理形成的，透視圖是用于中心投影原理形成的。滅點(diǎn)即直線上無(wú)窮遠(yuǎn)的透視點(diǎn)。 20、窗口是在用戶坐標(biāo)系中定義的確定顯示內(nèi)容的一個(gè)矩形區(qū)域，只有在這個(gè)區(qū)域的圖形才能在設(shè)備坐標(biāo)系下輸出，而窗口外的部分則被裁掉。用矩形左下角點(diǎn)的坐標(biāo) ,xl ybWW和右上角的坐標(biāo) ,xr ybWW來(lái)確定窗口的大小和位置。 21、視區(qū)是在設(shè)備坐標(biāo)系中定義的一個(gè)矩形區(qū)域，用于輸出窗口中的圖形；視區(qū)決定了窗口中的圖形要顯示屏幕上的位置和大小。 22、窗口和視區(qū)的匹配，就是將兩個(gè)矩形區(qū)域的點(diǎn)按相對(duì)位置一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。則有v x l w x lx r x l x r x lv y b w y by t y b y t y bx V x WV V W Wy V y WV V W W 窗口與視區(qū)有以下作用：固定視區(qū)的參數(shù)，改變窗口參數(shù)，可以改變視區(qū)中顯示的比例。 （ 1）如果同時(shí)增大窗口的高度和寬度，則視區(qū)顯示內(nèi)容范圍增大，圖形比例縮?。唬?2）如果 只改動(dòng)窗口左下角坐標(biāo)，則顯示的比例不變，但顯示的范圍產(chǎn)生左右、上下移動(dòng)。如果要使窗口 視區(qū)變換后的圖形在視區(qū)中輸出時(shí)不產(chǎn)生失真 現(xiàn)象，在定義窗口和視區(qū)時(shí)，必須保證是窗口和視區(qū)的高度和寬度的比例相同。 23、 Cohen Sutherland 算法亦稱為編碼裁剪法考慮：每一線段或者整個(gè)位于窗口的內(nèi)部，或者能夠被窗口分割而使其中的一部分很快地被舍去。算法分為兩步：（ 1）先確定一條線段是否整個(gè)位于窗口內(nèi)，若不是，則確定該線段是否整個(gè)位于窗口外，若是則舍去； （ 2）如果第一步的判斷不成立，那么就通過(guò)窗口邊界所在的直線將 線段分成兩部分，再對(duì)每一部分進(jìn)行第一步測(cè)試。 第一位是端點(diǎn)在窗口的左側(cè)，第二位是端點(diǎn)在窗口的右側(cè)，第三位是在窗口的下側(cè)，第四位是在窗口的上側(cè)。如果兩個(gè)端點(diǎn)的編碼