一. 计算机辅助设计
1.1 计算机辅助设计的概念
计算机辅助设计是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作 。简称CAD。在工程和设计中，帮助设计人员担负计算，存储信息和制图等工作。在设计中通常要对不同的方案进行大量的计算，分析和比较从而决定最优方案。设计人员通常用草图开始设计，将草图变成工作图的繁琐工作就可以交给计算机来完成，由计算机自动产生设计效果，并快速做成图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改。同时利用计算机还可以对图形的编辑、放大、缩小、平移等有关的图形数据进行加工。另外，CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期提高设计质量。为企业创造更多的经济财富。
1.2 计算机辅助设计发展概况
20世纪50年代诞生得第一台计算机绘图系统，开始出现可以简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术。中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，促进了CAD技术的发展。80年代随着强有力的超大集成电路制成的微处理器和存储期间的出现，工程工作站问世，CAD技术开始在中小企业普及。80年代中期以来CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。出现了计算机辅助设计与辅助制造连成一体的计算机集成制造系统、固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大的提高了CAD系统的性能，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。
三维设计能将产品从设计到生产的过程集成到一起，让所有人员同时进行同一产品的设计制造工作，即所谓的并行工程。其应用范围横跨许多行业，功能应用包括实体与曲面设计、零件组装、二维工程图制作、管路设计等。由于其应用范围相当广泛，要求工程师全盘精通、面面俱到是不可能的。最佳方法是：按照产业形态，学习使用的模块功能。
研究历史不难发现图纸的每一次变革都与社会生产形势变革密切相关。融合知识
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工程的三维设计软件三维设计软件不但能将设计规则、设计标准等规则性知识集成在软件中，而且能将设计人员的设计过程有效的记录下来，完成设计过程知识的积累。后期设计人员在使用软件时，即能高效率的满足设计规则、设计标准的要求，又能使用早期积累的过程只是自动完成设计方案的构建。
现阶段市场竞争激烈，产品日趋复杂，个性化要求日益增多。在此环境下，企业如何满足市场环境的要求是每个企业必须面临的问题。有效的知识积累、知识重用、促进高效率、高质量、创新性的设计开发是企业的唯一生存之道。采用三维辅助设计将满足这一发展要求，因而采用三维设计是必然的发展趋势。
1.3 CAD技术应用的现状
我国CAD/CAM技术的研究起步于70年代，当时仅有少数大型企业和科研单位及部
分高校参加，进展速度很慢。近年来，由于计算机价格的不断下降，加之改革开放和国内外市场激烈竞争形势的不断发展，促使我国科技人员采用新技术的积极性不断高涨，CAD/CAM技术的优点逐渐被更多的人们所接收。近几年来，CAD技术有了较快的发展，主要表现最以下几个方面：
少数大型企业已经建立起较完整的CAD/CAM系统并获得较好的效益 中小企业开始使用CAD/CAM技术
我国已自行开发了大量实用的CAD/CAM软件
国内计算机生产厂商已能为CAD/CAM提供微机和工程工作站 引进国外成套的CAD/CAM设备
我国在CAD/CAM技术的普及方面已经取得了一定的成绩，但是这还远远不够，甚至可以说，目前我国企业对CAD/CAM技术的普及应用程度还很低，在几年前“甩图板”工程的带动下，计算机出图率有较大的提高，但企业在使用CAD/CAM技术的水平和效率方面仍然很低，多数没有体现计算机辅助设计这个概念，顶多也就是把图版上的工作原原本本移到了计算机屏幕上。甚至有许多知名企业目前仍然依靠一些非正版的平台软件绘图，其效率和质量的低下已经严重地阻碍了企业的发展。制造业企业竞争力的根本来源是设计生产水平的提高，而在观念上的转变将是关系我国企业与世界接轨的关键因素。 为了加强我国CAD/CAM技术的发展并普及应用，应根据各单位的实际需要尽快地培养一支掌握CAD/CAM技术的人才队伍，而这些人员还应该掌握本专业的理论和技术知识。当然，这支队伍的组成应有一定的层次。对现有的工程技术人员进行
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CAD/CAM技术培训，使他们快速掌握CAD/CAM技术，这是推广应用CAD/CAM技术的关键。
1.4 CAD技术在机械设计中的优点
1.4.1 零件设计更加方便
可以在装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来涉及新零件，避免了单独设计零件导致装配失败。同时可以把零件的造型过程通过动画演示出来。
1.4.2 装配零件更加直观
在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器中记录了零件之间的专配关系，若装配不正确即予以显示。另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的时候，可清楚的看到内部的装配结构，装配完成后还可以进行运动演示方便检验形成是否达到要求，即使对设计进行更改，避免产品生产后才发现需要修改甚至报废。
1.4.3 缩短机械设计周期
采用三维CAD技术，机械设计时间缩短了近三分之一，大幅度提高了设计和生产效率。在新机械的开发设计中只需对其中部分零件进行重新设计和制造，大部分零件的设计都将继承以往的信息。同时三维设计系统具有高度变形设计能力。
1.4.4 提高产品技术含量和质量
三维设计技术采用先进的设计方法，如优化、有限元分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等，保证了产品的设计质量。同时大型企业数控手段完善，在采用三维设计机型零件加工，一致性很好，保证了产品的质量。这其中有限元分析对现在工业中的三维设计具有很大的帮助。
所谓的有限元分析是指用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是有许多成为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似值，然后
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推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似值，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数问题难以得到准确解，而有限元不而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元有限元的概念早在几个世纪前就已经产生并得到了应用，例如用多边形逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。
有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。中
简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。
有限元分析法近年来已应用得非常广泛，当你应用此法及类似的方法时，计算机解的缺点必须牢记在心头：这些解不一定能揭示诸如材料性能、几何特征等重要的变量是如何影响应力的。一旦输入数据有误，结果就会大相径庭，而分析者却难以觉察。所以理论建模最重要的作用可能是使设计者的直觉变得敏锐。有限元程序的用户应该为此目标部署设计策略，以尽可能多的封闭解和实验分析作为计算机仿真的补充。
与现代微机上许多字处理和电子制表软件包相比，有限元的程序不那么复杂。然而，这些程序的复杂程度依然使大部分用户无法有效地编写自己所需的程序
在实践中，有限元分析法通常由三个主要步骤组成：
预处理：用户需建立物体待分析部分的模型，在此模型中，该部分的几何形状被分割成若干个离散的子区域——或称为“单元”。各单元在一些称为“结点”的离散点上相互连接。
分析：把预处理模块准备好的数据输入到有限元程序中，从而构成并求解用线性
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或非仅计算精度高，线性代数方程表示的系统Kij*Uj=Fi式中，u 和 f 分别为各结点的位移和作用的外力。矩阵 K 的形式取决于求解问题的类型，本模块将概述桁架与线弹性体应力分析的方法有限元法的主要优点之一就是：许多不同类型的问题都可用相同的程序来处理，区别仅在于从单元库中指定适合于不同问题的单元类型
后处理：在有限元分析的早期，用户需仔细地研读程序运算后产生的大量数字，即列出的模型内各离散位置处的位移和应力。这种方法容易漏掉重要的趋向与热点，而最新的程序则利用图形显示来帮助用户直接观察运算结果。典型的后处理模块能显示遍布于模型上的彩色等应力线图，以表示不同的应力水平，显示的整个应力场的图像类似于光弹性法或云纹法的实验结果。
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