【正文】 軌跡生成、有限元網格劃分等。 缺點： (1) 缺乏面間的拓撲關系，依然不能構成實體，有時產生對物體二義性理解。 實體模型（ Solid Model） 建模 實體模型與表面模型不同之處在于確定了表面的哪一側存在實體這個問題。如此只需將上圖的面表改為如下，即可確切地分清體內體外，形成實體模型。（ 2）無二義性。（ 3）可計算物理特性。 三維實體表示方法 目前實體造型系統(tǒng)開發(fā)中使用的三維實體表示方法有許多，廣泛采用的兩種方法是幾何實體構造法和邊界表示法。 幾何實體構造法（ CSG： Constructive Solid Geometry）是用簡單實體通過集合運算交、并、差構造復雜實體的方法。嚴格來說 CSG 法是由簡單的正則集合經過正則集合運算構成復雜實體的方法。 用 CSG樹 表示一個形體是無二義性的，但一個形體可以有不同的 CSG樹表示，取決于使用的體素、構造操作方法和操作順序。 缺點 ： (1) 不能進行形體的局部修改，如面、邊、點等 (2) 直接基于 CSG 表達形體，其組合運算及顯示效率很低。 第 6章 計算機輔助工程分析 一、計算機輔助工程分析概述 二、有限元法 三、優(yōu)化設計方法 四、仿真 機械產品設計過程的一個重要環(huán)節(jié)是分析、計算，包括： （ 1）對產品幾何模型進行分析、計算； （ 2）通過應力變形進行結構分析； （ 3）對設計方案進行分析，評價等。因此，這 種傳統(tǒng)的分析方法只能用來定性地比較不同方案的好壞。在這種前提下，將計算機引入工程分析領域，這是機械設計中的一場巨大變革。因此，計算機輔助工程分析通常包括有限元法、優(yōu)化設計、仿真技術、試驗模態(tài)分析等方面。 有限元法簡介 提出： 1960年，美國 Clogh教授首次提出 “有限元法 ”這個名詞。 有限元法的基本思想：先把原來是連續(xù)的物體剖分（離散）成有限個單元，且它們相互連接在有限個節(jié)點上 (如圖所示 )，承受等效的節(jié)點載荷，并根據(jù)平衡條件來進行分析，然后根據(jù)變 形協(xié)調條件把這些單元重新組合起來，成為一個組合體，再綜合求解。 有限元法常用的單元類型： 在采用有限元法對結構進行分析計算時，依據(jù)分析對象的不同，采用單元類型也不同。 用有限元法進行結構分析時，需要輸入大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果采用人工輸入，工作量大、繁瑣枯燥且易于 出錯。因此有限元計算程序應具備前置處理和后置處理的功能。即把幾何模型的幾何參數(shù)和拓撲關系等數(shù)據(jù)進行加工，自動剖分成有限元的網格，然后輸入有限元分析需要的其它數(shù)據(jù)，生成不同有限元分析程序所需的數(shù)據(jù)網格文件。 一、前置處理 什么是前置處理？ 所謂前置處理是在用有限元法進行結構分析之前，按所使用的單元類型對結構進行剖分；根據(jù)要求對節(jié)點進行順序編號；輸入單元特性及節(jié)點坐標；生成網格圖象并在熒光屏上顯示；為了決定它是否適用或者是否應當修改，顯示的圖象應帶有節(jié)點和單元標號以及邊界條件等信息；為了便于觀察，圖象應能分塊顯示、放大或縮小。以上內容一般稱之為前置處理，為實現(xiàn)這些要 求而編制的程序稱為前置處理程序。 （ 2）生成網格單元 :可手工輸入單元描述及其特征；可重復進行平移復制、旋轉復制、對稱平面復制已有的網格單元體。 （ 4）引進邊界條件 : 引進邊界條件，約束一系列節(jié)點的總體位移和轉角。 （ 6）單元分布載荷編輯 :可定義、修改、插入和刪除節(jié)點的載荷、約束、質量、溫度等信息。為了實現(xiàn)這些目的而編制的程序，稱為后置處理程序。其中有些基本參數(shù)可以根據(jù)工藝、安裝和使用要求預先確定，而另一些則需要在設計過程中進行選擇。 機械設計常用的設計變量有：幾何外形尺寸 (如長、寬、高、厚等 )；材料性質；速度、加速度、效率、溫度等。 目標 函數(shù) 定義：根據(jù)特定目標建立起來的、以設計變量為自變量的、一個可計算的函數(shù)稱為目標函數(shù)，它是設計方案評價的標準。如，單變量時，目標函數(shù)是二維平面上的一條曲線；雙變量時，目標函數(shù)是三維空間的一個曲面。約束條件一般表示為設計變量的不等式約束函數(shù)和等式約束函數(shù)形式。 (1)邊界約束 又稱區(qū)域約束，表示設計變量的物理限制和取值范圍。 屬于這類設計約束的如零件的工作應力、應變的限制；對振動頻率、振幅的限制；對傳動效率、溫升、噪聲、輸出扭矩波動最大值等的限制；對運動學參數(shù)如位移、速度、轉速、加速度的限制等。 數(shù)值迭代計算方法 數(shù)值迭代是計算機常用的計算方法，也是優(yōu)化設計的基本數(shù)值分析方法。 用數(shù)值迭代法進行優(yōu)化設計，其基本思想是：在設計空間選定一個初始點 x（ 0），從這一點出發(fā)，按照某一優(yōu)化方法所規(guī)定的原則，確定適當?shù)姆较蚍较?s（ 0）與步長 a（ 0）進行搜索，獲得一個使目標函數(shù)值有所改進的新設計點 x（ 1），再以 x（ 1）點作為新的始點重復上述過程。 例如：求 x3－ x－ 1=0的根 優(yōu)化設計的數(shù)學模型 建立數(shù)學模型是進行優(yōu)化設計的首要關鍵任務，前提是對實際問題的特征或本質加以抽象，再將其表現(xiàn)為數(shù)學形態(tài)。通常參照以往的設計經驗和實際要求，盡可能地將那些對目標函數(shù)影響不大的參數(shù)取為常量。約束條件的數(shù)目多，則可行的設計方案。如根據(jù)是否存在約束條件，可分為有約束優(yōu)化和無約束優(yōu)化；根據(jù)目標函數(shù)和約束條件的性質，可分為線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃；根據(jù)優(yōu)化目標的多寡，可分為單目標優(yōu)化和多目標優(yōu)化等。在 CAD／ CAM中應盡可能選用現(xiàn)成的優(yōu)化方法軟件，以節(jié)省人力、機時，盡快得到優(yōu)化設計結果，滿足 CAD／ CAM的需要。 ? 目標函數(shù)和約束函數(shù)的非線性程度、函數(shù)的連續(xù)性、等式約束或不等式約束以及函數(shù)數(shù)值計算的復雜程度。 ? 是否有現(xiàn)成程序；程序使用的環(huán)境要求、通用性、簡便性、執(zhí)行效率、可靠程度等 優(yōu)化設計的一般過程 機械優(yōu)化設計過程，一般可分為以下幾個階段： (1) 根據(jù)機械產品的設計要求，確定優(yōu)化范圍。 (3) 建立合理而實用的優(yōu)化設計數(shù)學模型。 (5) 選用或編制優(yōu)化設計程序。 (7) 分析評價優(yōu)化結果。仿真的關鍵是建立從實際系統(tǒng)抽象出來的仿真模型。因為模型有物理模型與數(shù)學模型，故仿真也有物理仿真與數(shù)學仿真 （ 1）物理仿真 物理模型與實際系統(tǒng)之間具有相似的物理屬性，所以，物理仿真能觀測到難以用數(shù)學來描述的系統(tǒng)特性，但要花費較大的代 價。半物理仿真的模型，有一部分是數(shù)學模型，另一部分是已研制出來的產品部件或子系統(tǒng)，從而對產品整體性能和實際部件或子系統(tǒng)進行功能測試。 （ 2） 數(shù)學仿真 又稱計算機仿真。 計算機仿真的應用類型 (1) 系統(tǒng)分析和設計。 (2) 制成訓練用的仿真器。這些仿真器既可以保證被訓練人員的安全，也可以節(jié)省能源，縮短訓練周期。 (2) 計算機仿真結果是實驗解， 而不是純粹的數(shù)學解析或數(shù)值分析解。 計算機仿真的一般過程 計算機仿真的基本方法是將實際系統(tǒng)抽象描述為數(shù)學模型，再轉化成計算機求解的仿真模型，然后編制程序，上機運行，進行仿真實驗并顯示結果。 (2) 裝配關系仿真。 (4) 動力學仿真。 (6) 加工過程仿真。 第 7章 計算機輔助工藝規(guī)程設計 概述 CAPP（計算機輔助工藝 設計： Computer Aided Process Planning）是根據(jù)產品設計結果進行產品的加工方法和制造過程的設計。它所包含的主要內容：(1)選擇加工方法和采用的機床、刀具、夾具及其它工裝設備。 (3)選擇基準，確定加工余量和毛坯，計算工序尺寸和公差。 CAPP 的提出 長期以來，傳統(tǒng)的工藝規(guī)程設計方法一直是由工藝人員根據(jù)他們多年從事工廠生產活動而積累起來的經驗，以手工方式進行的。 工藝規(guī)程設計主要是在分析和處理大量信息的基礎上進行選擇 (加工方法、機床、刀具、加工順序等 )、計算 (加工余量、工序尺寸、公差、切削參數(shù)、工時定額等 )、繪圖 (工序圖 )以及編制文件等工作，而計算機能有效地管理大量的數(shù) 據(jù)，進行快速、準確的計算和各種形式的比較、選擇，能自動繪圖和編制表格文件。 CAPP 不僅能實現(xiàn)工藝設計自動化，還能把生產實踐中行之有效的若干工藝設計原則與方法，轉換成工藝設計決策模型，建立科學的決策邏輯，把長期從事工藝設計工作的人的經驗傳授給初參加工作的人，編制出最優(yōu)的制造方案。 CAPP 的發(fā)展概況 （ 1）國外 CAPP技術的研究和發(fā)展起源于 20世紀 60年代。它是根據(jù)成組技術原理，利用零件的相似性去檢索和修改標準工藝來制定相應零件的工藝規(guī)程。這是一種可在微型機上運行的結構簡單的小型系統(tǒng)。 目前世界各國的 CAPP系統(tǒng)主要用于回轉體零件，其次為棱柱形零件和板塊類零件，其它非回轉體零件應用較少，而且多應用于單件小批量生產類型。最早進行這項研究工作的是上海同濟 大學，他們在 1982年研制成功了 TOJICAP 系統(tǒng)，并通過了由國家教委組織的鑒定，并于 1985 年在國際 CIRP會議上正式發(fā)表。 CAPP 系統(tǒng)的工作原理 CAPP 系統(tǒng)有兩種工作原理：派生法和創(chuàng)成法。當要為新零件設計工藝規(guī)程時，輸入該零件的成組技術代碼，由計算機判別零件屬于哪一個零件組，檢索出該零件組的標準工藝規(guī)程，再根據(jù)零件的結構形狀特點、尺寸公差，進行編輯修改，獲得適合于該零件的工藝規(guī)程。 (2)創(chuàng)成法 (Generative) 不以原有的工藝規(guī)程為基礎，在計算機軟件系統(tǒng)中，收集了大量的工藝數(shù)據(jù)和加工知識，并在此基礎上建立了一系列的決策邏輯，形成了工藝數(shù)據(jù)庫和加工知識庫。 目前用派生法原理生成工藝規(guī)程的力法已經比較成熟，應用十分廣泛，現(xiàn)有的大部分CAPP 系統(tǒng)都屬于這種類型。 CAPP 系統(tǒng)的結構組成 CAPP 系統(tǒng)的基本結構主要由零件信息的獲取、工藝決策、工藝數(shù)據(jù)庫／知識庫、人機界面、工藝文件管理／輸出等五大模塊組成。零件的幾何信息實際上就是零件的圖形信息。 零件信息描述的基本方法 （ 1）零件分類編碼描述法 零件分類編碼描述法是基于成組技術原理，首先需制訂一套編碼系統(tǒng)，用該編碼系統(tǒng)根據(jù)零件的幾何形狀和工藝特征對零件進行編碼處理，然后將這些零件編碼輸入計算機來粗 略描述零件的形狀、尺寸、精度等信息。 （ 3）語言描述法 該方法是用一種能由計算機識別的語言來對零件信息進行描述。 （ 4）知識表示描述法 用人工智能中的知識表示方法來描述零件信息甚至