計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計

3.1概述計算機輔助產(chǎn)品設(shè)計：將計算機科學(xué)與工程領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)以及人的智慧和經(jīng)驗以現(xiàn)代科學(xué)方法為指導(dǎo)結(jié)合起來，在設(shè)計的全過程中各盡所長，盡可能地利用計算機系統(tǒng)來完成那些重復(fù)性高、勞動量大、計算復(fù)雜以及單純靠人工難以完成的工作，輔助而非代替工程技術(shù)人員完成整個設(shè)計過程。設(shè)計過程需要合理化、科學(xué)化、算法化、規(guī)律化計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第1頁。3.2計算機輔助設(shè)計過程分析一、設(shè)計過程及階段劃分1.任務(wù)規(guī)劃階段（需求分析、可行性論證、制訂任務(wù)書）2.概念設(shè)計階段（構(gòu)造設(shè)計模型、功能劃分、確定方案、審查評價）3.結(jié)構(gòu)設(shè)計階段（結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計、分析計算優(yōu)化、審查評價、確定裝配草圖）4.詳細(xì)設(shè)計階段（技術(shù)圖樣繪制、工藝設(shè)計、性能試驗、用戶使用、鑒定）5.定型生產(chǎn)階段（設(shè)計定型、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)制造）計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第2頁。3.3計算機輔助概念設(shè)計一、產(chǎn)品概念設(shè)計內(nèi)涵二、概念設(shè)計的過程模型三、計算機輔助概念設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)四、基于知識的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計五、產(chǎn)品概念設(shè)計中的美學(xué)設(shè)計計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第3頁。一、產(chǎn)品概念設(shè)計內(nèi)涵概念設(shè)計是由分析用戶需求到生成概念產(chǎn)品的一系列有序的、可組織的、有目標(biāo)的設(shè)計活動，它表現(xiàn)為一個由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具體、不斷進(jìn)化的過程。產(chǎn)品設(shè)計的60%~70%成本和時間占20%以下計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第4頁。二、概念設(shè)計的過程模型D={I,P,Q,O,Φ}例如：P2為概念設(shè)計過程={需求分析，功能求解，尋求子原理解，概念產(chǎn)品評價}Q2={需求說明書，功能解答，原理解答，概念產(chǎn)品解答}概念設(shè)計的特點：方案選擇自由度大，創(chuàng)新空間大，決策風(fēng)險大，決定產(chǎn)品最終價值的80%。計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第5頁。計算機輔助概念設(shè)計定義：以計算機為手段從事符合人類進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的思維過程，支持產(chǎn)品概念設(shè)計及設(shè)計決策。人機工作分配：計算機：有規(guī)律的設(shè)計工作，創(chuàng)造性主要體現(xiàn)在依據(jù)規(guī)則和知識對問題求解的分析綜合。人：原創(chuàng)性的設(shè)計工作計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第6頁。三、計算機輔助概念設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)原理方案設(shè)計技術(shù)概念設(shè)計建模技術(shù)設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)并行和協(xié)同概念設(shè)計技術(shù)計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第7頁。四、基于知識的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計概念設(shè)計本質(zhì)：推理與決策的過程概念設(shè)計的基礎(chǔ)：應(yīng)用合理有效的知識處理（表達(dá)、獲取、推理），進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)新設(shè)計方法：基于功能分解與重組的設(shè)計方法TRIZ理論計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第8頁。五、產(chǎn)品概念設(shè)計中的美學(xué)設(shè)計概念車計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第9頁。概念車計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第10頁。3.4參數(shù)化與模塊化設(shè)計最大限度地利用已有設(shè)計成果，修改不合要求的部分.一、參數(shù)化與模塊化設(shè)計概念二、參數(shù)化、變量化設(shè)計的實現(xiàn)方法三、模塊化設(shè)計方法計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第11頁。一、參數(shù)化與模塊化設(shè)計概念研究目的：將只有幾何圖素的“死圖”變?yōu)楹O(shè)計構(gòu)思、設(shè)計信息的產(chǎn)品幾何模型。1.參數(shù)化和變量化設(shè)計的基本概念參數(shù)化設(shè)計

是指設(shè)計圖形拓樸關(guān)系不變，尺寸形狀由一組參數(shù)進(jìn)行約束，參數(shù)與圖形的控制尺寸有顯式對應(yīng)，不同的參數(shù)值產(chǎn)生不同的圖形。適應(yīng)于規(guī)格化、系列化產(chǎn)品設(shè)計。變量化設(shè)計

是指設(shè)計圖形的修改自由度不僅是尺寸形狀參數(shù)，還有拓樸結(jié)構(gòu)關(guān)系，甚至工程計算條件，設(shè)計結(jié)果受到一組約束方程控制和驅(qū)動。適應(yīng)新產(chǎn)品的開發(fā)。相同：在約束的基礎(chǔ)上驅(qū)動產(chǎn)生新的設(shè)計結(jié)果不同：約束自由度的范圍。參數(shù)化設(shè)計方法中要嚴(yán)格的逐個連續(xù)求解參數(shù)；變量化設(shè)計中則是方程式的聯(lián)立求解。計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第12頁。2.模塊化設(shè)計的基本概念概念：對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列相對通用的功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求。例如：組合夾具、系列化機床、家具計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第13頁。衣櫥模塊化設(shè)計計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第14頁。衣櫥模塊化設(shè)計計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第15頁。二、參數(shù)化、變量化設(shè)計的實現(xiàn)方法一般繪圖：計算各點坐標(biāo)值，逐點連線參數(shù)化繪圖：參數(shù)化定義與標(biāo)注計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第16頁。幾何和拓?fù)鋮?shù)化計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第17頁。（一）參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)方法1.參數(shù)化設(shè)計的步驟建立幾何拓樸模型進(jìn)行參數(shù)化定義推導(dǎo)參數(shù)表達(dá)式編制程序計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第18頁。2.幾何圖形的參數(shù)化分析與定義注重參數(shù)序列的設(shè)計含義參數(shù)標(biāo)注與工程圖標(biāo)注一致參數(shù)序列與幾何圖形尺寸序列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有對應(yīng)關(guān)系工程圖中的關(guān)鍵尺寸應(yīng)作為自變量參數(shù)參數(shù)定義不能出現(xiàn)過約束計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第19頁。3.參數(shù)化繪圖實現(xiàn)方式建立模型過程中，直接將參數(shù)序列定義其中；利用草圖器繪制草圖，然后再加約束，定義參數(shù)；對成熟的、定型的、常用的產(chǎn)品圖形，將模型建成參數(shù)化圖素。計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第20頁。4.參數(shù)取值方式設(shè)置缺省尺寸值預(yù)先設(shè)計建立系列化變量值表，繪圖時從表中取值由用戶實時修改輸入計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第21頁。（二）變量化設(shè)計的實現(xiàn)原理本質(zhì)

是在數(shù)字化建模時動態(tài)地建立、編輯和識別約束，并在此約束下求解各特征點。整體求解法將幾何約束轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c為變元的非線性方程組的方法局部求解法作圖過程中同步建立結(jié)構(gòu)圖形約束的方法幾何推理法采用謂詞表示幾何約束，在專家系統(tǒng)的支持下，求出求和約束，檢查約束模型的有效性輔助線求解法用輔助線作為隱含約束的方法，所有作圖形都建筑在輔助線的基礎(chǔ)上。計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第22頁。參數(shù)化、變量化對比參數(shù)化記錄建模過程和其中的變量，是順序化的。速度快。但用戶必須提供幾何元素的全部尺寸、位置信息，然后才能定義下一個元素。變量化模型的驅(qū)動尺寸用復(fù)雜的方程組來表達(dá)，通過求解聯(lián)立方程組來得到結(jié)果。允許用戶不必關(guān)心約束設(shè)置的順序，允許欠約束的幾何設(shè)計。變量化系統(tǒng)是對逐漸用屬性進(jìn)行約束的自由輪廓進(jìn)行求解，而不是對造型步驟進(jìn)行記錄。計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第23頁。三、模塊化設(shè)計方法新產(chǎn)品模塊化設(shè)計變型產(chǎn)品模塊化設(shè)計現(xiàn)有產(chǎn)品模塊化改造設(shè)計計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第24頁。設(shè)計過程1.新產(chǎn)品模塊化設(shè)計市場調(diào)研功能分析模塊化產(chǎn)品總體設(shè)計模塊劃分模塊劃分方案初步評價各模塊詳細(xì)設(shè)計模塊綜合產(chǎn)品性能分析模塊設(shè)計方案詳細(xì)評價編寫技術(shù)文件2.變型產(chǎn)品模塊化設(shè)計用戶需求分析查詢模塊庫模塊選擇與替換/設(shè)計新模塊模塊組合產(chǎn)品性能分析編寫技術(shù)文件計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第25頁。3.現(xiàn)有產(chǎn)品的模塊化改造設(shè)計過程市場調(diào)研用戶需求分析與分類擬定產(chǎn)品系列型譜參數(shù)范圍及主參數(shù)確定已有產(chǎn)品的模塊化分析與模塊化程度評價確定模塊化系列類型（橫、縱、跨、全）模塊劃分各模塊詳細(xì)設(shè)計模塊綜合產(chǎn)品性能分析編寫技術(shù)文件計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第26頁。模塊化設(shè)計的關(guān)鍵市場調(diào)查與分析模塊的劃分模塊標(biāo)準(zhǔn)化擬定產(chǎn)品系列型譜模塊的管理計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第27頁。3.5產(chǎn)品設(shè)計的可視化技術(shù)一、圖形生成技術(shù)與算法二、圖形變換技術(shù)三、真實感圖形顯示技術(shù)四、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第28頁。一、圖形生成技術(shù)與算法1.基本圖形元素的生成算法2.自由曲線和曲面的生成3.圖形元素的求交以及集合運算4.不同字體中、西文的點陣表示及矢量字符的生成計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第29頁?；緢D形元素的生成算法直線DDA、Bresenham算法圓弧正負(fù)法、多邊形逼近法區(qū)域填充多邊填充種子填充計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第30頁。自由曲線和曲面的生成規(guī)則曲線、曲面按參數(shù)方程畫出不規(guī)則曲線、曲面離散數(shù)據(jù)插值曲線擬合（例如貝塞爾曲線）計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第31頁。圖形元素的求交以及集合運算幾何運算：求交運算面面，面線，線線檢驗幾何元素位置的運算 點在線，點在面，點在物體幾何建模拼合算法幾何運算核心基礎(chǔ)計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第32頁。不同字體中、西文點陣表示及矢量字符生成字符庫儲存了每個字符的形狀信息分類：矢量型點陣型字型壓縮技術(shù)計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第33頁。二、圖形變換技術(shù)（一）窗、視變換（二）圖形幾何變換的基本原理（三）二維圖形的幾何變換（四）三維圖形的幾何變換計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第34頁。（一）窗、視變換窗口定義：用戶在輸入的圖形選定的觀察區(qū)域?qū)傩裕鹤鴺?biāo)二維平面的矩形區(qū)域。可見性矩形內(nèi)可見，外不可見窗口可以嵌套異形窗口計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第35頁。視口定義：在圖形輸出設(shè)備上所復(fù)制的窗口內(nèi)容的矩形區(qū)域?qū)傩裕鹤鴺?biāo)二維平面的矩形區(qū)域。視區(qū)可以嵌套計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第36頁。窗口、視口示意圖計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第37頁。窗視變換定義：由于窗口和視區(qū)大小和單位的不一致，為在視區(qū)中表現(xiàn)窗口內(nèi)容，將窗口圖形坐標(biāo)應(yīng)變換到視區(qū)中。屬性：視區(qū)和窗口的縮小和放大均可使圖形產(chǎn)生變化。視區(qū)縱橫比不等于窗口縱橫比時，顯示的圖形會有伸縮變化窗口和視區(qū)大小相同、坐標(biāo)相同時，顯示的圖形不變計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第38頁。窗、視變換示意圖（XR,YR）（XE,YE）計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第39頁。視區(qū)不變、窗口縮小，圖形放大計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第40頁。（二）圖形幾何變換的基本原理基本思想：任何一個圖形都可以認(rèn)為是點之間的連線構(gòu)成的。對于一個圖形作幾何變換，實際上就是對一系列點進(jìn)行變換。引入齊次坐標(biāo)，變換算法可用矩陣表達(dá)點p的幾何變換：(x’,y’,z’,1)=(x,y,z,1)·M圖形的幾何變換：V’=V·M對于二維圖形M是3×3階矩陣，三維圖形M是4×4階矩陣變換類型比例變換、對稱變換、錯切變換、旋轉(zhuǎn)變換、平移變換計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第41頁。（三）二維圖形的幾何變換圖形的變換完全取決于變換矩陣中各元素的取值。一個二維變換矩陣可分為四個部分，即其中：A、B、C、D：比例、對稱、錯切、旋轉(zhuǎn)M、N：平移P、Q：透視S：全比例變換計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第42頁。比例變換計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第43頁。對稱變換計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第44頁。錯切變換計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第45頁。旋轉(zhuǎn)變換計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第46頁。平移變換2×2階變換矩陣不能實現(xiàn)平移，需引入齊次坐標(biāo)。齊次坐標(biāo)：將一個n維分向量用n+1維的分向量來表示計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第47頁。復(fù)合變換實際圖形變換是相對于任意點或線的變換。復(fù)合變換過程平移變換再平移注意：復(fù)合變換矩陣的求解順序不能任意變動計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第48頁。（四）三維圖形幾何變換（1）三維幾何變換矩陣M：左上角：比例、對稱、錯切、旋轉(zhuǎn)左下角：平移右上角：透視右下角：全比例計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第49頁。（四）三維圖形幾何變換（2）三維比例變換三維對稱變換對XOY平面的對稱變換對YOZ平面的對稱變換對XOZ平面的對稱變換三維錯切變換三維平移變換三維旋轉(zhuǎn)變換繞Z軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣?yán)@X軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣?yán)@Y軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第50頁。（四）三維圖形幾何變換（3）三面投影變換(1)主視圖變換矩陣(2)俯視圖變換矩陣(3)左視圖變換矩陣計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第51頁。三、真實感圖形顯示技術(shù)計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第52頁。真實感圖形技術(shù)真實感圖形：經(jīng)過消隱、著色、渲染等效果處理的圖形。技術(shù)內(nèi)容：觀察空間轉(zhuǎn)換（三維實體的二維表示技術(shù)：軸側(cè)圖、透視圖，增強立體感）消隱（面的可見性、包含性、深度檢驗）明暗效應(yīng)（明暗效應(yīng)數(shù)學(xué)模型：以數(shù)學(xué)公式近似表面感光效果）陰影（二次消隱：光源消隱，視點消隱）紋理處理、光線跟蹤、輻射度、透明度計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第53頁。1.軸測圖使物體連同它的三個坐標(biāo)軸同時傾斜于某一個投影面，然后向該投影面投影就得到了軸測圖。軸測投影變換：先繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ角在繞X軸旋轉(zhuǎn)φ角最后向XOY平面投影計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第54頁。2.透視圖表達(dá)的物體圖形有一種漸遠(yuǎn)漸小的深度感，是一種與人的視覺觀察物體比較一致的三維圖形，它是采用中心投影法繪制的。滅點：任何一束不平行于投影面的平行線的透視投影將匯聚成的一點主滅點：坐標(biāo)軸上的滅點，數(shù)量是與投影平面切割坐標(biāo)軸的數(shù)量相對應(yīng)。計算機輔助設(shè)計過程與概念設(shè)計全文共66頁，當(dāng)前為第55頁。分類：一點透視、二點透視、三點透視透視投影：一個圖形的點集以透視變換矩陣投影到XOY面就得透視投影。計算機輔助設(shè)計過程與概念