计算机辅助设计应用西南交通大学材料学院授课教师：黄兴民第一章绪论教学容安排细化方案开场白大家好，上课之前简单的介绍下自己……在学习的课程中，我个人希望大家记住两点：1.教与学是一个互动的过程。
老师在讲授和演示的时候，大家应有积极反馈。
2.师生之间应该彼此尊重。
讲台下是朋友，课堂上是师生，希望大家不要迟到，早退，遵守好课堂纪律。
有什么good idea 可以一起分享。
一、容铺垫进入二十一世纪，随着科学技术的发展，计算机的软硬件技术的不断得到发展，其计算功能越来越强大，性能也越来越稳定。
与此同时，计算机及软件使用渗透到人类生活每个方面。
比如：普遍使用的office 软件，杀毒软件，瑞星，卡巴斯基，游戏软件魔兽世界，极品飞车等，图形处理软件photoshop，文献阅读软件，Adobe Reader ，CAJviewer，网络资源下载软件：Bt，迅雷，网际快车，网络聊天工具：QQ，MSN，skype等。
另外一方面，这是个知识爆炸的时代，新知识和新理论层出不穷专业划分愈来愈细，大脑的物理容量相对有限。
因此，在工业生产和科学研究上，计算机软件发挥着越来越重要的辅助作用。
不同领域，不同行业，不同公司，都在不同程度上使用和依赖着一种以上的专业计算机软件。
提问？同学们已经接触到或者了解过的计算机辅助软件有哪些？AUTOCAD ,Pro/Engineer，Solidworks，Solidedge，UniGraphics（全拼），CATIA等专业绘图软件，AUTOCAD, Pro/E,UG CATIA,SOLIDWORKS,SOLIDEGDE,等等。
在科研领域，也常常使用到一些辅助分析软件。
比如：Jad 5.0 有助于处理X射线衍射数据，originPro 8.0用于实验数据的处理和绘制Netzch TA 4.5分析DSC（DSC）差示量热扫描仪。
机械制造领域，（CAD/CAE/CAM软件）CAD即计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD），其概念和涵正在不断地发展中。
在早期是英文Computer Aided Drafting (计算机辅助绘图)的缩写。
AUTOCAD随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计；真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。
二维工程图设计只是产品设计中的一小部分；于是CAD的缩写也由Computer Aided Drafting 改为Computer Aided Design，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。
AUTOCAD一般认为，CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)指几何建模，它是利用计算机技术进行几何设计、修改和绘图。
CAD使得工程师们彻底摒弃了画图纸和三角板。
著名的CAD软件如AutoCAD(2D即平面制图的老大)、UG、solidworks、solidedge、Pro/E(都是优秀的3D制图软件,其实如UG等也带有CAM功能)。
CAE 是计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering)的英文简称，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。
在产品开发阶段，企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。
在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。
CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)指的是利用计算机进行模拟分析计算，当然在分析计算之前少不了要进行几何建模。
CAE软件的出现使得工程师们可以根据科学理论利用计算机有效的预测产品设计是否合理。
著名的MSC公司的软件及ANSYS和ABAQUAS等。
CAM (computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)：利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。
它输入信息是零件的工艺路线和工序容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。
CAM(Computer Aided Manufacturing, 计算机辅助生产)包括工艺设计、NC(Numerical Control)编程及机器人程序编制，这属于自动化的畴。
当CAD/CAE/CAM充分发展并且全部集成时，一个智能化制造系统就诞生了，工程师们只要坐在电脑前与计算机对话，只要其能够充分的表达创意，在工厂里出现什么样的产品这个过程也不再是梦。
这时候，产品的标准化也向个性化发展了。
相关软件有华铸CAE 等。
“华铸CAE”铸造工艺分析软件是分析和优化铸造工艺的重要工具，是华中科技大学（原华中理工大学）经20多年研究开发，并在长期的生产实践中不断改进，完善起来的集成软件系统，目前发行的版本是V8.0。
它以铸件充型、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件的成型过程进行工艺分析和质量预测，从而协助工艺人员完成铸件的工艺优化工作。
多年来在提高产品质量，降低废品，减少消耗，缩短试制周期，赢得外商订单等方面为众多的厂家创造了显著的经济效益，在行业享有广泛的声誉和信誉。
Deform3D V5.0 Deform 英文5.0 有限元分析DEFORM-3D是在一个集成环境综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。
适用于热、冷、温成形，提供极有价值的工艺分析数据。
如：材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。
DEFORM-3D功能与2D类似，但它处理的对象为复杂的三维零件、模具等＊CAD是CAE、CAM和PDM的基础。
在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM 中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计；而PDM则更需要CAD进行产品装配后的关系及所有零件的明细(材料、件数、重量等)。
在CAD 中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE、CAM和PDM中有所反应。
所以如果CAD开展的不好，CAE、CAM和PDM就很难做好。
PDM的中文名称为产品数据管理（ProductDataManagement）。
PDM是一门用来管理所有与产品相关信息(包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等)和所有与产品相关过程(包括过程定义和管理)的技术。
＊职场竞争异常激烈的今天，掌握一门计算机辅助设计软件将使你占据求职和升职的制高点。
……..二、容导入前面介绍了计算机辅助设计的定义和一些常用软件，现在结合本专业相关领域，来介绍计算机辅助设计软件的作用和重要性。
根据有关资料介绍，一个新产品的问题约有50%～70%以上可以在设计阶段消除。
在国际上，几乎所有重要的机械产品和装备都必须要采用数值方法进行计算分析和技术校核。
对于新型轿车的设计和制造，如果采用全数字化的设计和高精度模拟，可以减少接近60%以上的实物试验，新型号的开发时间可以缩短一半，开发费用也可以降低三分之一以上。
案例1：波音飞机，采用CATIA等行业软件进行先期设计。
比如：美国Boeing 公司设计的B-777 飞机，就在计算机上完全实现了原型和制造工艺的“无纸设计”，计算机辅助设计提高了公司的行业竞争力，节省了资源点评：其规模计算（模拟和仿真）起到了核心技术的支撑作用。
实际上，大规模计算在科学研究上，已经成为探知复杂对象本质规律的定量分析手段，在工程设计和工艺设计上，可以成为替代大量实物试验的数字化“虚拟实验”，做到高效率和低成本。
数值模拟技术简介工程中的许多问题，包括固体力学位移场和应力场分析，流体力学中的流场分析，传热学中的温度场分析，振动特性分析等等，都可归结为在给定的边界条件下求解其控制方程（常微分方程或偏微分方程）的问题。
那些性质比较简单，且边界条件相当规则的少数工程问题，——用解析方法能求出精确解。
对大多数的工程问题，由于物体的几何形状较复杂或者某些特征是非线性的，则很少有解析解。
——用解析方法不能求出精确解求解此类复杂的工程问题通常有两种解决途径：一、是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题而得到简化状态下的解。
这种方法在有限的情况下是可行的，但过多的简化可能导致错误的解；二、是在广泛吸收数学、力学理论的基础上，借助于计算机来获得满足工程要求的数值解——数值模拟技术。
在过去五十年里，伴随着高速电子计算机的出现和发展，用于求解数学物理方程的数值计算方法得到了长足的发展，其中尤以有限单元法为甚。
与有限差分法、边界元法等数值方法相比，有限单元法具有对复杂几何形状及边界条件的适应性好、近似解连续、易于处理复杂本构关系及非线性问题等优点。
有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法。
如今，有限单元法已经发展得非常完善，以致于被认为是有效地求解各种数学物理方程问题的最好方法之一。
利用该方法可以获取几乎任意复杂工程结构的各种信息，还可以直接对工程设计进行各种评判，可以对各种工程事故进行技术分析。
在现在的主流CAE软件中，有限元分析法的运用最为广泛。
有限单元法：（Finite Element Method）是一种离散化的数值方法。
古代数学家以正多边形来逼近圆的方法求出了圆周长，其中就包含了有限单元法的思想。
有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。
物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。
随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。
离散化是有限元方法的基础。
必须依据结构的实际情况，决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式等。
离散后的单元与单元间只通过节点相联系。
1956年，M.J.Turner et al 发表了在结构力学中采用有限单元法的第一篇论文；1960年，R.W.Clough 将这一方法从结构力学推广到弹性力学——处理了平面应变的问题，提出了“有限单元”（Finite Element ）。
有限单元法的基本过程1.将介质的复杂几何区域离散为具有简单几何形状的有限单元。
2.离散后的单元与单元间只通过节点相联系，所有力和位移都通过节点进行计算。
3.对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域部、子域分界面上都满足一定的条件，得到方程。
4.然后把所有的方程组合起来，得到整个机构的方程组，求解该方程组，实际载荷值线性近似)) 节点就可得到整体结构的近似解。
可以看出，有限单元法的基本思想是"一分一合"，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。